如何建构科学概念体系

张玉峰 秦晓文

摘 要：经过科学内容的教学，帮助学生建立良好的科学概念体系一直是科学教育的重要目标之一。帮助学生建立科学概念体系的角度主要包括：理清科学概念层次，促进概念体系的结构化；围绕学科核心概念，突出概念体系的统一性；丰富科学概念间的关联，完善概念体系内容；体现学习的阶段性，逐步发展学习者的科学概念体系。

关键词：科学概念；科学概念体系；建构

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）7-0041-4

科学内容知识绝不是科学结论杂乱无章的堆积，而是通过一定的逻辑相互关联，具有一定结构的系统。因此，经过科学内容的教学，帮助学生建立良好的科学概念体系是非常重要的。整合与发展已经成为当代基础教育阶段科学课程改革的核心理念。整合首先是科学课程概念体系的建构，即通过围绕“大概念”（big ideas）组织知识内容，达成以往科学课程中零散概念的整合[2]。

在我国，课程标准是政府颁布的中小学课程与教学的主要文件。其中，具体内容标准是对学生学习相应课程内容结果的描述，一般以“行为动词+名词短语”的方式表述。这样的表达方式依旧限于知识要点的罗列，较少呈现知识之间的关系和整个概念体系框架[8]。专家与新手的比较发现：通过知识学习，专家具有比新手更良好的知识结构[1]。而我国长期以来只重视各学科领域的基本概念，忽视核心概念和共通概念，影响学生形成对科学的整体认识[3]。因此，帮助学生建构良好的学科概念体系不仅是科学教育的重要目标之一，也是我国科学教育现状的必然要求。

奥苏贝尔认为，所谓认知结构就是学生头脑中的知识结构[5]。认知结构就是个人可运用的知识的实质和组织内容，在涉及某一学科时，则是指学生对于该学科所知道的知识内容及其组织。

那么，从哪些角度丰富科学概念体系的内容？为什么要从这些角度丰富科学概念体系？如何从这些角度丰富科学概念体系？回答这些问题对科学教育研究的最新成果如何向教育教学实践转化，提升教育实践的有效性与品味，无疑是非常必要的。

1 理清科学概念层次，促进概念体系的结构化

理清科学概念的层次是建构科学概念体系的前提。只有理清科学概念的层次，才能确定哪些概念是学科核心概念，从而进一步围绕学科核心概念整合学科概念体系；才能建立科学概念之间丰富而合理的联系。只有理清科学概念层次，才能建构层次清晰、联系丰富、结构良好的科学概念体系。结构良好的科学概念体系，不仅是学生科学素养的重要组成部分，也是学生进一步发展的基础。

不同科学概念具有不同的包摄性水平。按包摄性水平由高到低，可以按如下步骤确定科学概念的层次。

第一步，确定学科核心概念，这是理清科学概念层次的起点。学科核心概念的确定，往往是科学共同体多次讨论后达成的共识[7]。比如，美国2013年颁布的《新一代科学教育标准》[8]中确定“运动及其稳定性：力与相互作用”作为学科核心概念，这是若干物理学科专家和物理学科教育专家共同商议的结果。

第二步，按照学科核心概念统领的领域或者主题，解构学科核心概念，确定若干主题核心概念。比如，“运动及其稳定性：力与相互作用”学科核心概念下的主题核心概念包括：“机械运动”“相互作用”“运动与相互作用的关系”等。

第三步，在特定知识领域或者主题范围内，分别解构主题核心概念，确定支撑主题核心概念下的重要概念。重要概念具体包括：基本概念和关系概念。比如，加速度、速度、位移、时间、角速度、周期等科学概念是为了描述机械运动而定义的，属于基本概念，都是能够量化的科学概念；速度时间关系、位移时间关系、角速度与周期关系、角速度与线速度关系等科学概念反映了基本概念间的关系，属于关系概念。

第四步，分析影响重要概念建构的知识要素，从中选择并确定基础概念。比如，“位置”“参考系”等属于基础概念。

需要说明的是，科学概念体系各层次内的具体内容是逐渐丰富和发展的。具体表现在两个方面：一是人类的科学知识是随着人类文明不断积累、完善的，作为人类文明成果的科学概念体系不断丰富和发展；二是随着个体的不断学习，作为个体知识的科学概念体系不断得到丰富和发展。

2 围绕学科核心概念，突出概念体系的统一性

面对科学教育的现状和对学生科学素养提升的追求，在科学教育领域，应该围绕“少而精”的学科核心概念进行课程设计、教学和评价。这已是不争的事实。某一主题的科学概念体系包括这一主题下的具体知识，以及这些具体知识间的联系；并且这些知识及其联系还应该是围绕学科核心概念而组织起来的，具有其内在的统一性。只有围绕学科核心概念建立的，具有统一性的科学概念体系，才能更有效地帮助学生建立良好的思维框架，提升学生的探究能力。北师大郭玉英等研究者经过广泛的课程标准的国际比较后，认为当代的科学课程设计正在尝试围绕大概念组织课程内容，建立整体一致的概念体系，帮助学生形成良好的知识结构[3]。并进一步指出，科学教育的内容丰富、多元且相互关联，向学生不加组织地零散呈现或笼统编织框架强行灌输都是不可取的，科学教育应该还原科学的本来面貌。以大概念为核心进行多维整合，为科学教育各方面内容构建有意义的联系，是新世纪科学教育的发展方向[3]。

围绕哪些学科核心概念建构科学概念体系是首先应该回答的问题。经过美国科学教育界多年研究、讨论，美国的《新一代科学教育标准》最终确立了物质科学、生命科学、地球与空间科学等科学教育领域的若干学科核心概念。如，物质科学的4个学科核心概念。包括：“物质及其相互作用”“运动及其稳定性：力与相互作用”“能量”“波及其在技术领域的应用——信息传递”。这些学科核心概念的确立是集大批科学家、科学教育专家、一线实践专家集体智慧的结晶；是吸收了近十年来关于核心概念、学习进阶等大量的科学教育研究成果基础上提出来的。因此，在目前科学教育研究现状下，围绕美国《新一代科学教育标准》所确立的学科核心概念建构科学概念体系是相对可行的选择。

围绕学科核心概念建构科学概念体系，应该重点从两个方面着手：

一方面，要确立某一学科核心概念中包括哪些具体的科学概念。由于每个具体的科学概念都是从某个方面描述客观事物的本质属性，因此，首先应该弄清楚这些具体的学科核心概念分别从哪些方面丰富学科概念的内涵；其次，还应该弄清楚围绕某一学科核心概念的若干具体概念之间具有怎样的逻辑关系，这些具体科学概念是如何共同支撑学科核心概念的。例如，“运动及其稳定性：力与相互作用”这一学科核心概念下的具体科学概念包括位移、速度、加速度等等。位移、速度、加速度在描述具体的机械运动方面是逐步递进的，对运动的描述越来越精细，具有依次递进的逻辑关系。

另一方面，应围绕学科核心概念分析具体科学概念的内涵与外延。例如，重力加速度，如果只理解为物体在重力作用下产生的加速度，这是不够的；还应该从“场”这一学科核心概念的角度加深理解，从场的角度看，重力加速度可以看作重力场强度。这样不仅建立了重力场与电场、磁场间的联系，有助于建构“场”这一学科核心概念的体系，还搭建了重力加速度、电场强度、磁感应强度等具体科学概念之间的联系。

3 丰富科学概念间的关联，完善概念体系内容

科学概念间的关联无疑是科学概念体系的重要内容。在诺瓦克的概念图理论中，节点、连线、连接词和实例是概念的4个基本构成要素。其中，连线表示两个概念间的意义联系。在概念图中，既有不同层次科学概念间的纵向关联；也有同一层次内科学概念间的横向关联。在科学概念学习研究领域内，专家与新手的比较研究表明：专家的学科知识往往包含丰富的联系，具有一定的结构；而新手的学科知识往往是零散而孤立的，缺乏整体性。

从我国的科学教学实践看，有普遍重视“知识点”教学，而忽视概念间联系的倾向。之所以出现这种现象，原因可能包括：一是我国的学科教学一直有重视知识深度，而忽视知识广度的传统；二是中高考对物理、化学、生物等学科教学仍然具有强大的导向作用，各科考试说明中的考试内容仍然采用“列举知识点”的方式呈现，而没有呈现这些“知识点”之间的联系，这无疑会对学科教学产生重要影响。

根据概念图理论，建构科学概念之间的关联重点可从以下几个方面着手：

第一、分析不同层次科学概念间的逻辑关系，建构科学概念间的关联。上层概念不仅具有比下层概念更高的抽象概括水平，而且上层概念需要通过若干下层概念联合起来共同支撑。例如，“运动与相互作用关系”这一主题核心概念需要力、速度、加速度等重要概念支撑，它们之间显然有紧密关联。

第二、分析同一层次科学概念间的逻辑关系，建构科学概念间的关联。分析同一层次基本概念间的逻辑关系，可以建构关系概念。例如，分析时间、位移、速度与加速度关系，可以得出“速度-时间关系”概念和“位移-时间关系”概念。分析同一层次内科学概念间的关系，有利于理清科学概念的外延。例如，应用法拉第电磁感应定律，进行演绎推理可以得出导体棒切割产生的动生电动势和磁场变化产生的感生电动势等概念，显然，法拉第电磁感应定律的外延是后两种情况外延之和。

第三、在不同主题下，分析重要概念，建构科学概念间的关联。有些重要概念是跨主题的，如加速度。因此，通过分析重要概念，可以建构不同主题下科学概念之间的关联。例如，加速度是“机械运动”这一主题核心概念之下的重要概念，用来描述速度变化的快慢；同时，加速度又是“相互作用力”这一主题核心概念之下的重要概念，用来描述力的作用效果。因此，分析加速度这一跨主题的科学概念，可以建立“机械运动”与“相互作用”两个主题间的关联。

第四、以共通概念（crosscutting concepts）为纽带，建构不同主题下科学概念间的关联。共通概念是涉及科学、数学和技术等各个领域的最基本的概念，这些概念超越了学科界限，反映出不同学科的内在统一性，并且相对稳定，对于各种文化观念都普遍适用[2]。共通概念侧重跨学科内容的组织。事实上，不仅跨学科内容的组织需要共通概念，在同一学科内不同主题的组织也需要共通概念。例如，重力加速度、电场强度、磁感应强度等描述不同场强弱的物理概念可以通过“规模、比例和数量”这一共通概念组织起来。密度、速度等不同主题下的概念可以通过“变化率”组织起来。

4 体现学习的阶段性，逐步发展学习者的科学概念体系

学习者的学习过程是分阶段的；学习者的知识积累是逐步完成的；学习者的科学素养在知识的理解与应用中循序渐进地得到提升。因此，作为个体学习结果的科学概念体系，也不是一蹴而就的，需要分阶段逐步丰富、完善。

应该主要从以下几个方面发展学习者的科学概念体系：

第一、引入较高层次概念，促进不同科学概念体系的整合。大量不同的科学概念需要围绕学科核心概念整合，形成科学概念体系。同样，不同的科学概念体系也需要整合，形成更大的科学概念体系，从而促进科学概念体系的发展。例如，在分别围绕“机械运动”和“相互作用”这两个主题核心概念建构科学概念体系的基础上，再引入“运动及其稳定性：力与相互作用”这一学科核心概念，可以促进这两个科学概念体系的整合，从而建构围绕学科核心概念的科学概念体系。

第二、不断丰富各层次内科学概念。较低层次的若干科学概念共同支撑较高层次的科学概念，不断丰富较低层次的科学概念，可以促进更高层次科学概念的发展。例如，在初中阶段，时间、路程、速度、匀速直线运动的速度与时间的关系等属于重要概念，这些概念共同支撑“机械运动”这一主题核心概念。而高中阶段，在初中原概念的基础上，又增加了加速度这一基本概念。加速度概念的引入，不仅丰富了关系概念，如匀变速直线运动的速度与时间关系、位移与时间关系等，而且从运动的类型、对运动描述的精细程度等方面丰富了“机械运动”这一主题核心概念。

第三、不断扩展原有概念的内涵与外延。科学概念是科学概念体系的重要构成要素，而科学概念的内涵与外延是可以扩展的。因此，科学概念体系也可以随着科学概念内涵与外延的扩展而得到丰富和发展。例如，加速度的内涵从“运动速度变化快慢的描述”扩展到“力对运动状态的改变效果的描述”，由此体现出加速度概念作为联接机械运动和相互作用关系桥梁的重要意义。外延从加速度概念引入时的“匀加速直线运动”到“匀减速直线运动”，再到“匀变速曲线运动”，直到“圆周运动”，由此扩展了对机械运动类型及其运动规律的认识。这些都是对科学概念体系的进一步丰富和发展。

第四、不断丰富科学概念间的关联。科学概念间的关联是科学概念体系的要素之一。例如，在初中，并不能建立物体的质量与运动速度之间的关系。在高中学习相对论的知识后，便建立了物体质量和运动速度之间的关联。

科学概念体系不仅本身是科学素养的重要组成部分，而且在建构科学概念及其体系的过程中必然带来学生科学能力的进一步发展。因此，在科学教育中应该进一步探索帮助学生建构科学概念体系的策略与方式。

参考文献：

[1]R·基思·索耶.徐晓东，等，译.剑桥学习科学手册（第一版 版本）[M]. 北京： 教育科学出版社，2010.

[2]郭玉英，等.美国《新一代科学教育标准》评述[J].课程·教材·教法，2013（8）：118—127.

[3]郭玉英，等.整合与发展——科学课程中概念体系的建构及其学习进阶[J].课程·教材·教法，2013（2）：44—49.

[4]美国科学促进协会.科学素养的导航图[M].北京：科学普及出版社，2008.

[5]邵瑞珍.教育心理学[M]. 上海：上海出版社，1988.

[6]王磊，黄鸣春.科学教育的新兴研究领域：学习进阶研究[J].课程·教材·教法，2014（1）：112—118.

[7]约瑟夫·科瑞柴科.革命性的变化：美国确立新一代科学教育框架[J]. 基础教育课程，2013（1）：82.

[8]张颖之，刘恩山.科学教育中科学内容知识的结构[J]. 课程·教材·教法，2013（10）：47—51.

（栏目编辑 罗琬华）