基于科学大概念教学发展科学教育

沈舒 柏毅

名师简介

沈 舒  东南大学儿童发展与学习科学教育部重点实验室科学与技术教育专业研究生，师从柏毅教授。学术论文《基于科学大概念教学发展科学教育》在江苏省研究生学术创新论坛“脑·信息·教育交叉研究与实践”中获评优秀论文，并被第十一届科学教育学科与专业建设研讨会收录。参与《全国小学科学优秀教学设计案例》丛书项目编委会工作。

柏 毅  东南大学脑与学习科学系主任，儿童发展与学习科学教育部重点实验室教授，中国教育学会科学教育分会副理事长，教育部“国培计划”小学科学骨干教师培训项目东南大学首席专家。

科学教育作为科学发展的基石，在数百年间经历了多次变革，为人类社会培养了科技人才、普及了科学知识，极大地推动了科学技术的进步与创新。当前，为了满足新时代对高新科技人才的需求、顺应学生科学能力的发展规律，从事科学教育的工作者需要在政策指引下，不断探索更为公平、更有质量的科学教育，推进科学教育改革的全面落地。本文通过明确科学概念与科学大概念的基本内涵，进一步探讨了科学概念形成的神经机制与科学大概念教学的关系，并结合我国科学教育的现状，提出基于科学大概念教学的相关建议。

一、科学概念与科学大概念

（一）科学概念

前人从教育学、哲学和教育心理学等多个角度对科学概念做出阐述，本文主要从科学教学的角度，把握科学概念。《科学概念教学中思维能力的培养》一文指出，科学概念是人们通过观察、实验和思考，在大脑中形成的对客观科学事物的抽象反映，主要体现在事物的共同属性和本质特征上，是形成科学学科结构的基础。韦钰院士基于儿童学习发展的研究指出，学习者在进入科学课堂时，往往会带有自身形成的概念，科学教育以此为教学起点，帮助学习者建立起的科学概念应当是有组织的、系统的和有层次的科学知识。在表述上，科学概念可以是日常习惯使用的自然语言，也可以是科学家运用其特定的语言规则形成的较为复杂的表达。此外，韦钰院士还强调，科学概念并不是一成不变的，而是随着时代的发展而不断变动和调整的。

（二）大概念

大概念又称大观念。在教育领域，这一概念最早可追溯到布鲁纳的研究。该研究表明，教师在教育过程中能够帮助学生理解所学学科的基本结构，让学生学会关联学过的知识，从而解决课堂内外遇到的各类问题，进而促进学习的迁移。后继的学者从不同角度对大概念的内涵进行挖掘。从课程内容的角度，格兰特·格雷迪（Grart&Gradvell）认为，大概念是一个问题或概括，用来帮助教师思考和决定教的具体内容;埃里克森（HL Ericlson）基于同样的角度，认为大概念是学科中的核心概念，是人们在事实基础上，抽象出来的可迁移的深层次概念。目前，哈伦（Harlen）从科学教育角度出发，提出的14项科学教育的大概念为目前科学教育领域普遍认可并不断推广应用。就目前研究成果而言，大概念以学科的结构和方法作为理论和实践基础，以客观事物为现实基础，通过解释和预测较大范围内事物和现象，帮助学习者认识和理解世界少数的、可迁移的核心概念，涵盖基本知识与基本技能。

（三）科学大概念

目前，国内对于科学大概念的研究论述往往围绕对科學观念的认识而展开，通常认为，科学大概念的学习有利于培养学生的科学观念。韦钰院士指出，科学大概念是科学领域中有一定组织结构、相互联系的科学核心概念和模型。有关科学大概念内容的研究更多集中在国外，《科学教育的原则和大概念》较为翔实全面地阐述了科学大概念，指出科学教育的目标是帮助学生不断趋向掌握核心概念的过程，这些核心概念即科学大概念。其有大有小，不同程度的概念可以进行连接，较小的概念可以连接成中等或较大的概念，进而连接成更大的概念。基于国内外科学教育对大概念的解读，科学大概念是科学领域中有组织、有结构的帮助学习者认识世界和理解世界的核心概念，是科学教育各个阶段的指南。

（四）科学概念与科学大概念的区别与联系

科学大概念与科学概念既有区别又有联系。科学概念一般由科学共同体实证研究后进行界定，便于记录科学成果、传播科学概念与交流分享，一般包括科学现象、科学定律和科学理论成果。而科学大概念是建立在具体科学概念基础上的，是高度抽象和概括的，是对领域内一般性科学概念的概括性认识，属于上位概念。相较于科学概念，科学大概念带有一定的模糊性，是概念之间联通的背景。科学概念连接起来的过程可以一直发展成跨学科的科学大概念。

二、科学概念形成的机制

目前，科学概念形成和发展机制的研究，对科学教育的发展具有引领作用。其中邓巴博士（Dunbar）围绕物理领域的核心概念自由落体运动问题，使用功能核磁共振脑成像仪，进行了一项脑科学研究。假设不存在摩擦力，要求被试判断电脑上呈现的不同物体自由下落的速度情况。A为两个同样的小球，B为两个大小不同的球，在有限时间内判断小球下落的速度是否一样。选择的两组被试分别是物理系大学生和未接受过大学物理教育的成年人，在被试做出判断的同时，对其脑部进行实时成像。从该实验可以了解到：当学习者原本持有的概念与现实情况一致时，学习发生;不一致时，大脑会抑制信息的接受，学习无法有效发生，这便是学习困难的原因。在实验过程中，研究者发现被试内侧前额皮层被激活，表示被试已有的概念被表现。其中物理系的学生看到错误图像，该皮层也是被激活的，只是会抑制原有的概念。该实验表明，学习者在学习新的科学概念的过程中，脑中会经历相应的生物过程。其中存在的抑制机制会造成其接受正确的新概念困难。学习者原先具有的错误的前概念不会消失，而是被抑制了。

从科学概念的形成以及前概念的影响来看，在学习者形成或巩固错误概念之前，应尽早开展正确高效的科学概念教育，以帮助他们建立正确的科学概念。

三、科学大概念教学

（一）背景

随着信息化技术的高速发展，信息量迅猛增长，学生不能再靠学习无穷无尽的知识来获得具体的学科知识。为了让科学教育适应时代的发展和需要，哈伦等人提出了大概念教育理念。这一教育理念从教学方法、课程内容以及课程评测三个维度展开，希望通过科学大概念的教学，帮助学习者了解和认识周围的世界，并对问题建立联系和框架模型，使其在面对新的问题时，有能力找到解决的方案。

（二）科学大概念教学的必要性

科学大概念的教学是围绕科学领域中的科学概念、知识和模型进行的，现代化的科学教育不仅仅要为学习者提供具体的学科知识，更需要利用科学大概念的独特性帮助学习者探究问题的根源、现象的本质以及事物发展的规律，从而培养其探究科学本质的精神和科学核心素养。神经科学对认知的研究发现，相互联系的概念，较之没有联系的概念，在遇到新情况时更容易被运用。因此，科学大概念的教学可以在学习者形成错误概念之前，帮助其建立正确的科学概念，培养其学习迁移能力，并且，科学大概念与日常的生活密切相关，不仅是学生探究内容的来源，更是教师进行教学设计的线索，可以有效帮助学生搭建概念与现实的桥梁。因此，基于科学大概念教学开展科学教育，对于教育改革和学生日后的发展都是大有裨益的。

（三）科学大概念教学的可能性

通过调研了解到：首先，教师由于既定的教学目标和工作量，倾向于按照传统的教学方式展开教学;其次，在面对新的教学理念和模式的时候，往往会有抗拒的心理，如不愿意跳出舒适区，不愿意承担风险等;最后，由于所在学校和课题组对于新科学课程标准的解读能力有限，教师对于教学改革的宏观把握与微观实践能力更是式微。因此，外部推动力不足加上内部主观能动性弱，极大地限制了教学改革的推进力度，这也使得开展科学大概念教学的可能性降低。

但是，专家培训以及研究人员参与到一线课堂，协助教师开发科学大概念教学活动后，得到的反馈是教师开始慢慢意识到这一新型教学理念的价值。在外界的帮助下，教师在自身不断学习和反思后，原本的抵触和质疑心理在看到一定教学成果后有所消解，并且能够在实践教学后，自主把握这一教学的核心思想，对教学设计有了创新意识，能够基于科学大概念开发设计教学内容。可见，基于科学大概念教学开展科学教育是有现实可能性的，可以通过外部的培训以及解读政策方法，帮助教育工作者更有效地接纳、理解，并应用到教学实践中。

四、建议

当前我国科学教育正处在国际科学教育改革的大浪潮中，基于前文对科学大概念教学必要性和可能性的分析，这一教学理念能有效推动我国科学教育改革的稳健发展，满足高素质复合型人才的需求。而在实际科学大概念教学的开展过程中，从理念到课程转化到教学落实都可能会出现问题。在此，围绕科学大概念教学开展的前期准备和教学落实，有以下建议供教育工作者参考。

（一）提高教育工作者开展科学大概念教学的能力

目前，科学大概念教学的发展尚处于起步阶段，科学大概念的抽象程度远超过义务教育阶段学生所能掌握的水平，教育工作者若是将大概念直接教给学生，可能会造成死记硬背的现象，无法实踐科学大概念教学的全新理念。这就需要教育工作者摆脱“教师教，学生学”的固化思维，在教学中深入把握科学知识的本质，并能把握生活情境与科学问题、方法等之间的关联，实现跨学科跨领域的教学。在此，建议从哈伦提出的学生学习的教材内容、教学法和评测三个关键要素入手，发展教学能力。

首先，建议教师结合教材和现实世界选取某真实场景的简化版本作为科学教学内容，便于在课堂或者实验室里控制或测量变量;其次，教师要知道课程的目的和活动如何与大概念相联系，知道发展大概念的相继步骤;最后，在教学过程中帮助学习者建立起不同事件或现象与概念之间的关联。建议教师根据学习者不同阶段的特征，应用不同的教学法，引入适当水平的科学概念，作为学生使用的脚手架，开展探究式的科学教育。此外，学校在科学教育工作者开展科学大概念教学过程中，应当合理配置人力和物力资源，为工作者提供社会资源支持、学科专业培训和专家指导的机会。

（二）围绕科学大概念教学进行教学设计

目前，科学教育工作者对于大概念在核心素养以及学科核心素养目标、作用、机制的理解，往往停留在落实核心素养或者学科核心素养的目标研读层面，对如何在教学目标中进行大概念的转化仍处于迷茫状态。教师的教学目标转化能力需要进一步提升。此外，教师一般会先从教学目标着手教学设计，而这一环节的设计往往由于教学惯性，只关注到科学大概念中提到的某些条目性要求，如学生的表述是否合理、是否符合自己的预期等，缺乏系统全面的教学策略整合。这可能会造成科学大概念的意图扭曲，不利于后续教学环节的设计与安排。

在新课程标准已颁布的背景下，科学教育工作者需要参与到大概念的学习与构建进程中去，围绕教学目标进行课程的设计与改编，通过教材与教参，把握科学大概念教学的理念，在深入理解科学大概念的内涵和外延后，将自身的思考以及与同仁的合作交流成果融入教学设计，不断加深对大概念教学的理解，从而提高自身教学能力。

（三）落实科学大概念教学的课程转化

当前，我国基于科学大概念的教学尚在起步阶段，但是科学大概念教学为科学教育提供了全新的思路和方法，这是对传统科学教育的全面发展和超越。未来随着神经科学的发展，会有更多的神经机制与科学教育相结合，这必将为我国科学教育带来更大的推动和发展。

【基金项目：1.中央高校基本科研业务费专项资金资助，项目编号：2242021k30014;2.中央高校基本科研业务费专项资金资助，项目编号：2242021k30059。】