科学教育中的能量大概念:内容释义、哲学内涵与课程设计

李 刚 吕立杰 杨 曼

能量是维系经济社会长足进步与全面革新的核心驱动,能量教育一直是国际科学教育中的重要内容。科学教育旨在通过系统连贯一致的课程设计提高学生能量素养,然而单纯追求能量内容的广度以及深度会使学习者完成学业时仅留下剥离的知识碎片和毫无意义的教学成就,缺乏对于真实能量世界的整体观念。当前,越来越多的科学教育者开始聚焦于发展学生对于科学大概念的深入理解,着力于形成学生对于世界认识的宏大图景。科学大概念提供了全面审视能量教育的新视角,基于此建立能量大概念的科学大概念系统具有一定的理论价值与实践依据,能够进一步推进与深化我国的基础教育科学课程改革。

一、科学教育的大概念潮流:来自时代的需求

大概念研究早已有之,科学大概念(big ideas of science)则于2010年由英国教育家温·哈伦(Harlen)在《科学教育的原则和大概念》一书中正式提出,受到科学教育领域广泛关注,美国、日本、韩国等国家纷纷以大概念建构本国的科学教育课程。2017年2月,我国教育部颁布的《小学科学课程标准》突出了科学大概念对于教学内容的统领和安排。①刘恩山:《〈义务教育小学科学课程标准〉的变化及其影响》,《人民教育》2017年第7期。基于科学大概念引领课程与教学的科学教育浪潮已经拉开序幕。

(一)科学教育的自省

作为科学发展基石的科学教育已经延续数百年,百年间科学教育范式的变革让科学教育不断焕发新的生机并日益成为全球化时代背景下各国提升综合国力的战略共识。与此同时,为了实现更加公平、更有质量的新时期科学教育,响应时代需求,顺应学生发展,科学教育工作者仍在不断地追问和反思当前科学教育所陷入的迷途及所面临的困境。

1.科学教育的破碎迷途

科学教育应是完整的,而非破碎的,这种完整性强调科学教育的结构完整性与功能完整性,对于科学教育完整性认识不足是其陷入破碎迷途的主要原因。首先,结构完整性是指科学教育内容是完整的与系统的。不少国家和地区的科学教育缺乏严密的科学内容逻辑体系支撑,科学内容呈现出学科间割裂化与学科内碎片化的状态。学科间割裂化主要是指传统分科教学使科学内容分科化编排倾向明显,物理、化学等各个科学学科间没有清晰的联络节点,科学教育的逻辑框架比较混乱。学科内碎片化主要是指为了减轻学生学习负担而对科学内容采取的删减策略与选择自由,使得科学内容出现彼此间的联系不畅,学生难以理解,教师难以教授。其次,功能完整性是指科学教育不仅仅传授知识,其价值功能是完整的,应包含知识、思维、方法、原则和精神五个方面的内容,知识是基础,思维、方法、原则是框架,精神则是核心。②杨叔子:《科学教育:整体把握,突出核心》,《科学与社会》2015年第3期。仅仅局限于知识的科学教育是教条的科学教育,失去了科学原则与精神的科学教育,会使科学教育偏离方向,甚至走向反科学之路。科学教育并不简单是作为一门学科教育而存在,更是作为形成学生认知模式与思维模式的一个过程而存在。

2.科学教育的落地困境

科学教育一直在探索如何在教学实践中更加有效,这种有效能够让学生具备其适应自身终身发展与社会发展的关键能力与必备品格。科学教育的最终目的是促进学生理解科学本质,提升学生科学素养。2011年,美国国家研究理事会(NRC)发布《K-12年级科学教育框架》,着重倡导科学探究转向科学实践。一直以来,科学探究被视为科学教育落实的核心,是在所有学科内通用的获取和理解知识的手段,但来自情境学习、科学家职业的社会学与人类学研究的证据显示,特定的科学内容是在特定的科学实践中生成和发展的,实践是先于知识而存在的。③肖思汉、William A.Sandoval:《科学课堂上的“探究”与“实践”有何不同》,《课程·教材·教法》2017年第12期。科学教育的实践转向使得科学教育工作者必须再次思考其所带来的诸多变化并为其做好准备。这主要包括四个方面:一是科学教育的重心将不再是科学事实,二是单一学科已经无法满足解决问题的需要,三是任何学科知识都需要在具体的实践活动中得以呈现、学习与理解,四是科学教育必须要指向所有人的终身学习实践。全新的科学教育观念要求教师必须面对如何更好地解释科学知识的本质,如何更好地建立生活情境与科学问题、方法等之间的联系,如何更好地打通不同领域之间的关系等诸多挑战,探索与讨论科学教育的新方法、新途径变得极其艰难但又异常重要。①肖思汉:《论科学素养的“日常实践”转向》,《全球教育展望》2017年第11期。

(二)大概念的引入

大概念,英文big idea(concept),也有学者将其译为大观念。在教育领域,有关大概念的研究至少可以追溯到布鲁纳(Bruner.J.S)对于教育过程的研究。布鲁纳强调,无论教师教授哪类学科,一定要使学生理解该学科的基本结构,有助于学生解决课堂内外所遇到的各类问题。掌握事物的基本结构,就是以允许许多别的东西与它有意义地联系起来的方式去理解它,学习这种基本结构就是学习事物之间是怎样相互关联起来的。教师若掌握学科的基本概念架构,有助于学生对学科知识的记忆保留,并促进学习的迁移。②布鲁纳:《教育过程》,邵瑞珍译,文化教育出版社1982年版,第26-30页。

有研究者从认知发展的角度阐述大概念,克拉克(Clark.E)基于布鲁纳等人的研究,在定义观念(concept)时提到,观念是理解和联结小观念的大概念(big idea),并将观念与大概念等同起来,认为它们提供了构建自己理解的认知框架或结构。③Clark E.Designing and implementing an integrated curriculum:A student-centered approach.Brandon,Vermont:Holistic Education Press,1997,p.94.怀特利(Whiteley.M)强调大概念是理解的建筑材料,可以被认为是有意义的模式,用以使人们能够联结其他零散的知识点。④Whiteley M.Big ideas:“A close look at the Australian history curriculum from a primary teacher’s perspective,”Agora,vol.47,no.1,2012,pp.41-45.

有研究者从课程内容的角度界定大概念,埃里克森(H.L.Erickson)认为大概念是指向学科中的核心概念,是基于事实基础上抽象出来的深层次的、可迁移的概念。⑤Erickson H L.Stirring the Head,Heart,and Soul:Redefining Curriculum and Instruction.California:Thousands Oaks,2000,p.33.威金斯和麦格泰(Wiggins&Mctighe)提到大概念是出于课程学习中心位置的观念、主题、辩论、悖论、问题、理论或者是原则等,能够将多种知识有意义地联结起来,是不同环境中应用这些知识的关键。⑥Wiggins G,Mctighe J,and Alexandria V.Understanding by design(expanded 2nd ed).Association for Supervision&Curriculum Development:Alexandria,VA,2005,p.191.

也有研究者从学科教育的角度分析大概念。数学教育和科学教育研究尤其重视大概念的问题。查尔斯(Charles.R.I)将大概念定义为对数学学习至关重要的观念的陈述,是数学学习的核心,能够把各种数学理解联系成一个连贯的整体,大概念使我们将数学看作一个连贯的大概念集合。⑦Charles R.“Big ideas and understandings as the foundation for early and middle school Mathematics,”NCSM Journal of Educational Leadership,vol.7,no.3,2005,pp.9-24.哈伦(W.Harlen)从科学教育角度提出了14项科学教育的大概念,其认为大概念是能够用于解释和预测较大范围内物体和现象的概念,概念有大有小,大概念只是一个相对的概念。⑧Harlen W.Principles and big ideas of science education.Hatfield,UK:Association of Science Teachers,2010,p.6.查莫斯(C.Chalmers)在研究STEM的大概念时,认为其可以分为两种类别:内容大概念和过程大概念。内容大概念主要是原理、理论或者模型,例如加减法、原子理论、概率模型等;过程大概念是与获取和有效使用知识有关的技能,例如观察、实验、解释等。⑨Chalmers C,Carter M,and Cooper T.“Implementing‘Big Ideas’to Advance the Teaching and Learning of Science,Technology,Engineering,and Mathematics (STEM),”International Journal of Science&Mathematics Education,vol.15,no.1,2017,pp.25-43.

大概念是一个具有复杂内涵的教育理念,无论是宏观层面的认知框架,还是中观层面的课程线索,以及微观层面的教学设计,大概念都显示出独有的贡献。一般情况下,大概念是基于学科的基本结构和方法,它们不是具有简单的具体答案的事实问题,大概念指向的是具体知识背后的核心内容。深入把握大概念在教育领域中的价值,将有效推进我国的教育改革进程。

(三)科学大概念分析系统的建立

科学大概念是大概念在科学领域中的特定表现形式,是对科学领域的宏观概括认识,它的提出源自于2009年10月在苏格兰罗蒙湖举办的一次针对中小学科学教育问题的小型国际研讨会。会议由来自世界各地的科学家、工程师以及教育家等10位专家,通过会前收集资料、会上研究讨论以及会后持续通信,最终形成了报告——《科学教育的原则和大概念》,提出了中小学科学教育中有关科学知识及科学本身的大概念。2014年,原来的专家组成员增加至11位,详细探讨了上述原则和大概念应用教学实践的特征及其所产生的影响,形成了第一次研讨会成果的后继之作——《以大概念理念进行科学教育》,指出科学教育不是知识片段的堆积,而是有结构的、有联系的模型。

围绕科学大概念进行科学教育需要对科学大概念进行更为清晰和深入的认识,建立科学大概念分析系统实属必要。事实上,科学大概念已经不单单是一个名词或者符号,其背后隐藏着一个意义世界,已经远远超出普通概念的内涵与外延,负载着整个科学理论体系。科学大概念的分析与考察可以经由三种路径。一是2013年美国颁布的《下一代科学教育标准》将科学大概念分为三种类型:第一种类型是统领各自领域内的大概念,也被称作学科核心概念;第二种类型是在各个领域中更通用、更上位的大概念,也被称作通用概念;第三种类型是对科学本质基本理解的大概念。这三类大概念并不是严格区分的,例如能量大概念既是学科核心概念又是通用概念。①郝兴敏:《对围绕大概念组织教学的思考》,《湖北教育》(科学课)2018年第1期。二是20世纪90年代HPS(科学史、科学哲学与科学社会学)开始进入科学教育,历史语境使学生按照科学真正的发生方式去理解科学概念,哲学思辨具有使学生理性判断科学的双刃剑功能,社会学让学生清晰认识到科学建构与社会形成之间的复杂关系。②张晶:《HPS(科学史、科学哲学与科学社会学):一种新的科学教育范式》,《自然辩证法研究》2008年第9期。三是科学大概念的发展进程可以理解为是从小概念向大概念的转变,这个建构过程是复杂的,往往历经基础知识与技能、学科核心概念、跨学科主题以及哲学观点等过程,向科学大概念趋向的建构模式需要引起教师的特别注意。③胡善义:《以大概念的理念建构科学概念的教学研究——以〈溶解〉单元为例》,《教育导刊》2018年第3期。

从认识论上来看,科学大概念是学生认识科学世界的思维方式;从学习论上来看,科学大概念是学生研究科学世界的组织工具;从价值论上来看,科学大概念承担着引发学生思考、塑造学生科学素养的重要功能。通过以上讨论,我们认为,建立科学大概念分析系统需要三个子系统,即内容系统、哲学系统与课程系统,三个子系统形成首尾相接的科学大概念分析系统,如图1所示。其中,内容系统是指某一科学大概念的筛选策略及其基本内容,与课程系统形成一一对应;哲学系统是指某一科学大概念背后所隐匿的哲学观点与启示,由内容系统归纳迁移得出;课程系统是指某一科学大概念融入课程的原则与途径,根据哲学系统进行演绎迁移获得,并与内容系统融会贯通。

图1 科学大概念分析系统

二、科学教育中的能量大概念

能量大概念是科学大概念中比较特殊的一类大概念,其既蕴含在各自学科中,又体现在各个学科间,这是源于能量本身的特殊性。近代科学的能量概念自1807年由英国物理学家托马斯·杨正式提出之后广泛用于解释各类科学现象,例如机械运动、化学反应、火山喷发等,能量已然成为科学教育中不可缺少的重要组成。能量大概念是对于科学教育中能量部分的总括性审视与深度性架构,对能量大概念进行系统分析之前需要对其相关文献进行有效遴选和梳理准备,分析能量大概念的特征属性,为进一步研究提供支撑。

(一)能量大概念文献遴选

能量大概念文献遴选是对能量大概念进行系统分析的前提性工作,其主要来源包括三个方面:一是世界各国(地区)课程标准中对于能量大概念的直接关注,即国际标准中的能量大概念表述(详见表1);二是有关科学大概念及能量概念(观念)的相关研究中对能量大概念的讨论,即科学研究中的能量大概念(详见表2);三是能量教育或能源教育课程中对于能量大概念的模糊论述,即能量教育中的能量大概念(详见表3);四是能量素养或能源素养研究中对于能量大概念的相关阐述,即能量素养中的能量大概念(详见表4)。

表1 国际标准中的能量大概念表述

表2 科学研究中的能量大概念表述

续表

表3 能量教育中的能量大概念表述

表4 能量素养中的能量大概念表述

(二)能量大概念基本特征

能量大概念是基于能量的基本结构和方法,它们不是具有简单的具体答案的事实问题,能量大概念指向的是具体能量知识背后的核心内容。对于能量大概念特征属性的理解,我们可将其简单概括为Energy Cent(能量币)。

1.能量大概念呈现中心性(Centrality,C)

不是能量内容中所有的概念都能称之为能量大概念,能量大概念不是基础概念,而是聚合概念。能量大概念就如同一个文件夹,提供了归档无限能量小概念的有序结构或合理框架。有限的能量大概念之间相互联结,共同构成了能量内容的连贯整体,使能量内容不再被视为一套断断续续的概念、原则、事实和方法。能量大概念居于能量内容的中心位置,集中体现了能量内容的结构和本质。

2.能量大概念呈现可持久性(Enduring,E)

能量大概念是对能量内容的深入理解,有的教师会在能量教学中思考,能量教育希望学生学到什么,在忘记了那些事实性的知识之后还剩下什么,这里的“什么”其实就是能量中的大概念。能量大概念不是暂时保存的记忆,而是具有可持久性,是经验和事实消失之后还存留的核心概念。能量大概念能够用于解释学生学校学习和毕业以后生活中遇到的各类能量事件和现象,贯穿学生的一生。

3.能量大概念呈现网络状(Network,N)

能量大概念并不是无序游离在科学教育中,而是呈现出网络状结构。这种网络状结构包括了学科内网络结构和学科间网络结构(也可称为跨学科网络结构),每一个能量大概念则是完成网络结构间通信的基站。学科内能量大概念网是指将某一学科进行纵向联结,不同学段以能量大概念为中心进行课程内容的选取和组织,是课程设计的关键线索;学科间能量大概念网是指将某些学科进行横向联结,跨越两个或者更多个知识领域,不同学科之间基于共同的能量大概念进行合理对接,有效地模糊了学科之间的边界。

4.能量大概念呈现可迁移(Transferable,T)

在布鲁纳看来,迁移是教育过程的核心,应该使用基本的和一般的观念不断扩大和加深认识,这种迁移,从本质上说,一开始不是学习一种技能,而是学习一个一般观念,然后这个一般观念可以用作认识后继问题的基础,这些后继问题是开始所掌握的观念的特例。能量大概念有极大的迁移价值,随着时间的推移能被应用于许多其他纵向的学科内情境和横向的学科间情境,以及学校以外的新的情境。

三、科学教育中能量大概念的内容系统分析

对于科学教育应该教什么已经成为学界多年的争论话题,这必须考虑社会、个人等多个主体的相互关系,使其达到平衡和共生。类似地,能量大概念具体内容的筛选和过滤除了需要上述文献材料的结论支撑,同时更加需要一个科学合理的分析框架,这里我们使用课程重点理论(curriculum emphases)与课程平衡理论(curriculum balance)进行能量大概念内容的考察与确定。

课程重点理论由加拿大学者Roberts于20世纪80年代提出,认为理科课程往往包括七类课程重点,即日常应用,科学结构,科学、技术和决策,科学技能发展,正确的解释,自我解释者和牢固的基础。①Roberts D A.“Developing the concept of ‘curriculum emphases’in science education,”Science Education,vol.66,no.1,1982,pp.243-260.为了更好地应用课程重点理论解释理科课程,Vos等人在分析化学课程时将课程重点简化为三类,即基础化学(化学中知识、概念原理等的学习),化学、技术与社会(化学课程中技术与社会议题的学习)以及化学中的知识发展(化学史等方面的学习)。②Vos M A,Taconis R,and Jochems W M.“Teachers implementing context-based teaching materials:a framework for case-analysis in chemistry,”Chemistry Education Research&Practice,wol.11,no.3,2010,pp.193-206.课程平衡理论起源于美国20世纪80年代的科学素养运动,是指科学课程既要满足从事科学研究的学生的需求,也要满足成为普通公民的学生的需求。在课程内容上,平衡的课程应强调四个方面,即科学内容和科学概念,科学实验和科学过程,科学、技术与社会的相互关系以及科学史和科学本质。③Wellington B J.Teaching and Learning Secondary Science:Contemporary Issues and Practical Approaches.New York:Routledge,2000,p.48.

基于对已有文献的核查、课程重点与课程平衡理论的分析以及对能量大概念特征属性的理解,我们认为能量大概念应包含四个方面的内容:能量本质内容,能量原理内容,能量实践内容,能量责任内容。这四方面的内容由点及面,逐层扩展,形成典型的椭圆层结构,如图2所示。

图2 能量大概念内容系统

(一)能量本质内容

能量本质内容是对能量的定义及其本质的理解,用以回答能量概念从何而来以及能量是什么的问题。人类对于能量的认识是有一个漫长的历史过程的,是在不断地实践、认识、再实践与再认识的多次反复中逐渐形成的。能量概念是在物理学探求物质的不同运动形式之间的联系当中制定的,是伴随着能量守恒定律和能量转化定律的发现而揭示的。在自然界中,不同的运动形式尽管各有特点,但都是物质的运动,物质的每一种运动都具有运动的量度,或做功的本领,这个物理量就叫作能量。它是物质运动的一般量度,不同的运动形式以不同形式的能量来量度,例如机械能、电能等。虽然能量研究主要在物理学中,但每门科学几乎都涉及能量问题,例如天文学的行星运动时所具有的能量,生物学中螳螂捕蝉时前肢释放的能量,化学中物质变化产生的能量等等。

除了科学领域对能量概念的探讨,哲学领域对能量的研究更揭示了能量的内在意义。在19世纪末20世纪初,唯心论的哲学家否定了物质的客观存在,认为物质转化为能量后,物质的概念已经被消灭了,产生了以德国化学家Ostwald为代表的唯能论。唯能论是唯心论的变种,这一理论受到了唯物论学者的粉碎性批判。恩格斯指出,能量是物质运动的量度,其最本质的方面是反映了各种运动形态之间的转化关系。①吴延涪:《恩格斯论能量守恒与转化定律及其哲学意义》,《教学与研究》1962年第3期,第11-14页。物理学中度量运动的物理量有很多,例如动量、角动量、自旋等,但是能量是一切运动中最为普遍和最为基本的量度,它仍然是物质的最重要的属性,也统一于物质,能量不能脱离物质而存在,但能量也和物质一样是客观的,既不能被创造也不能被消灭。

(二)能量原理内容

能量原理是用以体现能量本质的具有普遍意义的基本规律,是在观察实践的基础上获得的用以指导实践同时接受实践检验的能量命题或者定律,主要包括能量形式、能量转化、能量守恒、能量流动和能量耗散五方面的内容。

能量形式是指能量存在的形式种类,人类目前所认识的能量形式有六种,分别是机械能、热能、电能、辐射能、化学能以及核能。机械能是指物体宏观机械运动或空间状态相关的能量,包括动能和势能两种;热能也称内能,是构成物质微观分子做热运动的动能和势能的综合,宏观表现是温度的高低;电能是和电子流动与积累有关的一种能量;辐射能是物体以电磁波形式发射的能量;化学能是储存在化学键中的能量,在发生化学变化时释放;核能是储存在原子核内部的能量。②周乃君:《能源与环境》(第2版),中南大学出版社2013年版,第77页。

能量转化是指虽然能量不能被创造也不能被毁灭,但是各种能量形式之间相互转化以及不同物体之间的能量转移。能量可以从一种形式转化成另一种形式,也可以从一个物体转移到另一个物体。例如摩擦生热是机械能转化为内能,水轮机发电是机械能转化为电能,热能可以从温度高的物体转移到温度低的物体。

能量守恒是指能量不会凭空消失也不会凭空产生,在一个封闭的系统中,能量在转化或转移过程中总量是保持不变的。能量守恒定律是自然界最普遍的基本定律之一,例如在只有重力做功的系统中,系统内的机械能在动能和重力势能之间相互转化,但其总量保持不变。

能量耗散是指虽然能量是守恒的,但是能量的转化和转移是有方向性的,也就是说能量只能从有效能量转化为无效能量,从可利用能量转化为不可利用能量,并且这个过程是不可逆的。例如燃烧过程是化学能转化为内能的过程,但是再将内能转化为化学能是十分困难的。能量耗散说明了能量的利用会受到方向性的制约。

(三)能量实践内容

近年来,实践优位的科学观逐渐替代表现主义的理论优位的科学观。在美国科学哲学家劳斯看来,科学实践是充满社会意义和历史意义的活动,其不仅仅是行动模式,同时也是对世界进行有意义的塑造。③Rouse J.How Scientific Practices Matter:Reclaiming Philosophical Naturalism.Chicago:University of Chicago Press.2002,p.25.加拿大科学哲学家哈金指出,科学实践不再是理论的附庸,仅仅为理论提供支持与论证,而是具有独立的、多样化的内涵。④Hacking I.Representing and Intervening.Cambridge:Cambridge University Press.1983,pp.220-225.科学观的转向对科学教育的影响巨大,科学教育的漫长发展经历了把科学作为知识到把科学作为研究,再到把科学作为实践的转变。作为实践的科学要求科学教育关注实践情境的创设及其运用,这与科学实践的情境化特征是分不开的。任何科学知识的获得都离不开科学实践,科学实践是在一定情境中进行的科学活动,难以完全重复实践。去情境化的科学知识只能是冷冰冰的、孤零零的、没有活力的知识,同样地,科学技能的培养也需要情境关涉加以领会。

能量本质与能量原理的揭示是人类在科学实践过程中不断积累的成果。科学实践作为人类认识自然、改造自然的基本方式已经成为当前科学教育中不可或缺的重要内容。同样地,学生认识、学习与理解能量本质与能量原理也离不开能量实践过程。能量广泛存在于学生的生活世界,如何在现有科学教育框架内挖掘并拓展能量实践情境活动是十分重要的。按照劳斯的科学实践观,能量实践是面向情境的,这种情景是主体介入的,也是机会主义的,①孙自挥:《教师教学研究情境性、介入性与机会性——基于科学实践哲学的解读》,《中国教育学刊》2013年第2期。据此,能量实践可分为能量规范情境实践与能量机会情境实践两个方面。能量规范情境实践是指学生在仪器设备可知、实践境况熟悉、人员训练有素等实验室或研究所中进行的能量学习与理解。能量规范情境实践为学生提供了可见的物质性场所,能够让学习顺利发生,但也限制住了学生思维的发展。能量机会情境实践是指学生在随机选择的、资源未知的、需要探索的环境中进行能量的认识与解释。能量机会情境实践需要学生自主调整实践策略,主观发散研究方式,找到能量相关问题并进行解决,这为培养学生创造性思维提供了有利条件,但也往往会拖慢正常的学习进程。

(四)能量责任内容

在科学技术迅猛发展的当今时代,科学为人类社会带来众多福祉的同时却也给人类带来了诸多问题,例如石油、煤炭等诸多能量资源的过度开采和使用极大地促进了经济发展却也已经导致了环境污染等诸多问题。从科学研究到社会应用是一个关涉复杂机制的漫长过程,是科学转化也是科学普及的连续过程。不仅仅是科学家,普通公众也有责任及义务对科学之于人类的影响进行关注并采取适当行动,共同为人类发展命运负责。根据已有分析,能量责任主要包括能量责任意识和能量责任行动两个方面。

能量责任意识是指学生能够认识并认同自己在能量学习过程中所肩负的职责范围并自觉承担和认真履行的心理特征。能量责任意识具体是指学生能够认识到能量不应该被随意浪费,认识到必须提高能量使用效率,节约能量应从自身做起,能够认识到绿色消费行为可以降低能量消耗,愿意使用各类节能产品,能够透过各类能量事件认识到能量安全以及能量对环境的影响和冲击,能够主动思考能量管理的方案策略并且认识到能量可持续发展的重要意义等等。

能量责任行动是指学生对于能量责任意识的担当与践行,做出负责任的具体行动。能量责任行动具体是指学生能够主动与他人分享日常生活中节能减排的方法,能够主动鼓励家人及朋友调整生活方式以达到节约能量,能够积极参与学校、社会等组织的能量问题调查与研究,并为之设计可行的节能减排计划方案等等。

四、科学教育中能量大概念的哲学系统分析

爱因斯坦指出,“科学研究的结果,往往使离开科学领域很远的问题的哲学观点发生变化。……哲学的推广必须以科学成果为基础。可是哲学一经建立并广泛地被人们接受以后,它们又常常促使科学思想的进一步发展,指示科学如何从许多可能的道路中选择一条路”。②爱因斯坦、英费尔德:《物理学的进化》,上海科学技术出版社1962年版,第39页。科学与哲学相互作用,科学在哲学的规范方式之中,同时又可以确认或否认哲学体系,任何一种科学都包含着普遍理性的原理,这些原理背后都渗透着某种哲学观念,体现着某种哲学思维。基于此,我们以马克思主义哲学原理中的自然辩证法为依托,像棱镜一样从辩证唯物主义自然观、科学技术的认识论与方法论、科学技术观三个方面审视能量大概念背后的哲学观念,如图3所示。

(一)辩证唯物主义自然观中的能量

辩证唯物主义自然观是对自然界的辩证法的研究,旨在说明与探讨自然界的存在方式、演化发展等关系。一直以来,形而上学者认为宇宙之间各种不同的事物都是彼此孤立、毫不相关的,唯心主义自然观认为物质运动可以随意创造和消灭。能量转化与守恒定律的揭示给予其沉重的打击,用科学成果证明了物质运动的客观性,即物质运动既不能创造也不能消灭,也表明了物质运动形式是多样性的又是统一的,原来被认为自然界中孤立的运动形式可以在一定条件下相互联系、相互转化,构成了整个自然界运动的统一过程,例如机械运动、热、光等都是可以相互转化的。①吴延涪:《恩格斯论能量守恒与转化定律及其哲学意义》,《教学与研究》1962年第3期。正如列宁所说,“辩证唯物主义坚持任何关于物质构造及其特性的科学命题的近似的、相对的性质,坚持自然界中没有绝对的界限,坚持运动着的物质之从一种状态转化为另一种从我们的观点看来仿佛是与它不可调和的状态、诸如此类”。②列宁:《唯物主义与经验批判主义》,人民出版社1956年版,第266页。

图3 能量大概念哲学系统

(二)科学技术的认识论与方法论中的能量

科学技术的认识论与方法论是科学技术研究中所使用的认识与实践方法的哲学概括,是人类认识自然和改造自然的一般方法的理论。认识能量是一个漫长而又复杂的过程,是人类在生产实践与科学实验的基础上对自然界长期认识的结果。能量概念起源于对力学的研究,伽利略于1638年在讨论自由落体运动时为在重力场中考察物体的机械能提供了铺垫,莱布尼茨于1686年在对动量的研究中提出了“活力”概念及“活力”守恒原理,并与笛卡尔进行了一场有关“活力”的旷日持久的世界性论战,随后,托马斯·杨于1801年在一次演讲中使用“能”代替了“活力”,汤姆逊于1853年提出了现代意义上的能量概念。③许定安、史新奎:《能》,科学出版社1956年版,第266页。在对能量进行认识的过程中,能量概念的提出是科学抽象的过程,认识从感性阶段过渡到理性阶段,从基本概念反映到本质属性,从个别经验发展到普遍原理,最终形成对于能量的全面认识。

(三)科学技术观中的能量

科学技术观是对科学技术本质及其发展规律的总体看法,是从哲学高度审视科学技术系统自身及其与社会系统等之间的关系。科学技术具有生产力功能,科学技术革命影响着人类发展及未来走向,同时也受经济、政治、文化、教育等因素的影响。能量是人类赖以生存的基础,是推动科学技术发展的基石,在工业革命时期,蒸汽机的发明,石油、煤炭等能量的大规模使用迅速促进了人类社会的极大发展,但随之引发的环境污染以及能量不可逆性特征使人们开始降低不可再生能源的使用,转而研发清洁能源技术。1973年、1979年和1990年三次石油危机的爆发给予人类深痛的认识,仅是关注科学进步、忽略社会影响是万万不可的,推进全民能量教育、增强公民能量责任意识势在必行。

五、科学教育中能量大概念的课程系统分析

图4 能量大概念课程系统

传统的课程与教学通常花费大量时间教授给学生不连贯的事实、术语以及公式等细节内容,错过了重要的概念,然而这些细节很快就被遗忘或者可能不需要知道,不少学生在离开学校之后仍然不了解一些基本的概念。我们很多人都学习了这些具体细节,但却错过了最主要的信息——大概念。能量大概念代表了科学教育中能量本质,具有超越课堂的可持续价值,围绕能量大概念进行的课程设计能够使学生的学习更加深入贯通,帮助学生形成能量观念,让学生像专家一样看待和思考能量知识,便于知识的提取和迁移,最终使学生形成带得走的能力,而不是背不动的书包。

(一)能量大概念的课程价值

能量大概念可以帮助学生综合地理解能量内容,可以作为课程单元设计的基础。依据能量大概念设计的课程与学生逐一学习的小概念形成一定的相关性,同时能够从整体上把握能量课程结构。比尔和古斯(Bill&Goos)在研究澳大利亚数学课程时指出,虽然知识内容按照传统课程安排在教学大纲中是非常方便的,但不适用于处理经常需要运用跨学科方法的现实世界,使用大概念进行概念联结是有效解决问题的关键。①Atweh B,Goos M.“The Australian Mathematics Curriculum:A Move Forward or Back to the Future?”Australian Journal of Education,vol.55,no.3,2011,pp.214-228.沃克(Wlker.S)参与美国五年实验计划“透过艺术改造教育”(Transforming Education Through the Arts Challenge)的研究中深刻体会到大概念在课程设计中的重要角色,并提出了围绕大概念进行课程建构的要领和基本步骤;②Walker R S.“Designing Art Curriculum with Big Ideas,”Journal of Arts Education,vol.2,no.139,2004,pp.52-55.韩国天主教大学的邦(Bang,D)则利用知识金字塔整合大概念的内容进行STEM课程单元设计。

能量大概念为学生提供了一个组织信息的蓝图,减少了必须记住的能量内容数量,强化了学生的迁移能力。希伯特(Hiebert)指出,如果学生能够了解所学的内容同已知的其他内容的关联,学生就能很好地理解,并且这种关联的数量和强度越大,学生理解得越透彻。③Hiebert J.&Carpenter T P.“Learning and Teaching with Understanding”.In Handbook of Research on Mathematics Teaching and Learning,Edited by Douglas A.Grouws.New York:Macmillan.1992,pp.65-97.学生依据能量大概念可以有序组织其在学习期间遇到的能量事实、概念、过程和方法,建立学习单元之间以及与其他学习领域的联系,使学生感觉到自己所做的一切都与能量大概念这个中心有关。能量大概念为教师提供了一个有效的方式来组织教学单元的内容。教师围绕能量大概念组织教学时,可以更容易地从必要的内容中分离出不必要的细节,选择合适有趣的活动,并将其组织成一个整体。美国数学教师理事会(NCTM)在其支持“共同核心国家标准”的学校数学原则和标准中指出,教师需要了解数学的大概念,能够将数学视为一个连贯的整体。④National Council of Teachers of Mathematics.Principles and standards for school mathematics.Reston,VA:NCTM.2000,p.17.

(二)围绕能量大概念进行课程设计的原则

设计围绕能量大概念的课程架构没有一蹴而就的方法,也没有固定不变的法则,中心都是为了学生的全面发展,在具体实践操作中,不必拘泥于任何一种,而应根据具体问题进行适宜调整,但是在具体落实过程中,应注意以下三点原则。

一是要重视观念培养,创设思维情境。观念是对现象的整体认识,是对于现象本体的、方法的以及价值的综观。学生在离开学校之后可能不从事相关行业,其所获得的具体知识是十分容易遗忘的,而其所形成的观念则不然,学生仍然能够针对复杂的问题联结相关零散的知识,即使无法准确回忆起具体的内容,但是能够根据线索正确找到解决途径。关照学生观念培养的能量大概念课程设计应充分挖掘学生思维潜力,通过创设思维发展情境,培养学生的学科思维。课程设计如若让学生产生思维活动,就要创设学生的经验情境,让学生的思维从情境中来,到情境中去,将可疑的、矛盾的、失调的情境变为清楚的、调理的、和谐的情境,真正的思维活动也就发生了,而这个过程以认识到新的价值、建立起新的观念而告终。

二是要重视问题引领,激发探究兴趣。波普尔认为,“知识的增长永远始于问题,终于问题——越来越深化的问题,愈来愈能启发大量新问题的问题”。⑤波普尔:《猜想与反驳——科学知识的增长》,傅季重译,上海译文出版社2001年版,第318页。学习的过程本质上是解决问题的过程,同时也是学习如何解决问题的过程。无论是教师提出问题还是学生发现问题,问题都是促使学生学习进程发生和发展的不竭动力。问题具有启发性,学生能够在解决问题的过程中不断理解知识的本质,明确思考的逻辑;问题还具有导向性,问题可以引导学生有目的地组织有效的方法策略,利于其建构学习内容之间的联结。能量大概念本身具有抽象性及模糊性,学生不能简单地通过被讲授灌输而习得,而是要通过问题探究获得新知。因而,在课程设计中,注重激发学生的探究兴趣,引导学生在不断地求索与修正中完成对大概念的组织建构。

三是要重视持续影响,提供迁移机会。学生在接受学校教育后所获得的带得走的能力贯穿学生的一生,为学生的幸福奠定基础,具有动态性长效的特点。学生带得走的能力并不是完整无缺的能力,而是逐步发展的能力;不是短暂瞬间的能力,而是持续有效的能力。这种长效性能够保证学生在后续发展中获得稳定的帮助,关注能力在学生发展历史过程中的重要角色。立足学习持续影响的能量大概念课程设计应意识到能量大概念的习得是一个缓慢的过程,提供给学生从课堂内走向课堂外、从学校内走向学校外的迁移机会是非常有帮助的。这种迁移不仅仅包括举一反三并具有特定知识与技能指向的特殊迁移,同时包括原理和态度的迁移,也就是学科观念的迁移,这种迁移带有持续性和适应性,是对新问题的审视和改造,学生在这种迁移交互中逐渐习得能量大概念。

(三)围绕能量大概念进行课程设计的途径

众所周知,课程理念落实向来是课程改革的重点也是难点,这主要是因为课程理念在落实过程中存在着不同程度的曲解和落差。围绕能量大概念进行课程设计同样是对国家课程标准核心思想的深度落实,其难度可想而知。逐渐兴起的课程转化理论(curriculum transformation)及追求理解的教学设计(understanding by design)能够在宏观模式上给予方向性的把握,同时在微观实践中给予方法性的指导。

课程转化是当前国际范围内课程改革研究的热点内容,课程改革中的课程转化指向的是课程改革理想在各个课程决定层级设计实施的承转过程、异同变化与落实程度。在课程转化过程中,正式课程会被删减、排除、扭曲、遗失、疏忽、误解,也有可能增加、加广、加深,使得教师运作的课程及学生经验的课程,偏离正式课程,或与正式课程大相径庭,因此,关注各层级课程转化的一致性,才能有效完成课程改革使命。①黄政杰:《课程转化整合探究之概念架构研析》,《课程与教学季刊》2013年第6期。班克斯(James A.Banks)从多元文化教育的视角提出了四种课程转化策略,分别是贡献取向、附加取向、转化取向与社会行动取向,简明扼要,影响深远,为能量大概念融入课程提供了整体思路上的导引。②Banks J.A.“Approach to Multicultural Curriculum Reform,”In:Banks J.A.and Banks C.M.,Eds.,Multicultural Education:Issues and Perspectives,2nd Edition,Allyn&Bacon,Boston,1993,pp.195-214.能量大概念是一个立体的概念,包含知识、技能、态度、观念等多个层面的内容,不同层面的内容在选择课程转化策略时有所侧重,但是这四种课程转化策略并不是严格区分的,而是相互融合的,共同为能量大概念在课程中的渗透发挥作用。

追求理解的教学设计简称为UbD模式,强调通过教学设计促进学生的深层次理解,进而提升学生的理解能力,重点聚焦什么是理解以及如何促进理解两方面内容,从预期的学习结果出发进行教学活动的安排,因而也被称为逆向性设计(backward design)。UbD模式将什么是理解划分为六个维度,即解释、释义、应用、洞察、移情与自知,六个维度从认识世界到认识自己逐级上升。在如何促进理解方面,UbD模式主张课程内容选择的层级性、问题引导作用的关键性与探究发现机会的多向性。③嵇丹丹:《基于促进理解模式的“长方体和正方体表面积”教学设计研究》,扬州大学硕士学位论文,2017年。事实上,UbD模式十分重视学习内容的概念结构,鼓励学生在大概念上深入持久透彻地理解,有效地融合并且顺利地迁移,注重围绕大概念进行教学活动的安排、评价任务的设计等等,这为能量大概念教学设计提供了完整的设计构架。