实施大概念学习 提升科学思维品质

陈宗荣

（厦门市教育科学研究院，福建 厦门 361001）

新一轮义务教育课标的修订，最大的突破就是强调课程核心素养。新修订的义务教育课程方案也将进一步深化教学改革，要求新教学应该坚持素养导向，强化学科实践，推进综合学习，落实因材施教。坚持素养导向，教学上就不只是关注具体的知识点小目标，还要关注更大更长远的素养目标。实施大概念教学，可以加强学科内知识模块的统整，推进跨学科实践，建设具有高度关联的综合课程。坚持大概念视角，通过提取学科大观念、强化知识之间的联系，重视解决一般性的基本问题、提炼具有普适性的大观点和通法，促进提升学生的科学思维品质。

一、学科大概念的内涵剖析

大概念可以是一个概念、主题或问题，它能够使离散的事实和技能相互联系并具有一定的意义。大概念是学科的“核心”，它们需要被揭示，因此我们必须深入探究，直到抓住这个核心。［1］只有揭示大概念，才能抓住关键思想并把相关内容知识联系起来。不关注具有持久价值的大概念，学生所学习的知识则很容易成为被遗忘的知识碎片。大概念可以以各种不同的形式呈现，一个重要理论、一个核心概念或一个基本问题都可以是大概念。大概念与一般的定义不同：定义可以学习记忆并直接应用于解决具体问题；而大概念更多的是在问题解决过程中起指导性猜想作用，可以优化问题解决过程的科学思维的品质。

比如“匀速直线运动”是一个基础概念，其相关特征规律可以直接应用在具体的问题解决中。而“理想化模型”是一个大概念，它可以指导我们的研究工作忽略次要因素，突出主要因素，从而建立指向事物本质特征的物理规律，优化建构物理模型的抽象概括过程，提高学生的建模能力。

义务教育阶段，学科大概念在目标上指向课程核心素养——思维的敏捷性，内容上体现学科本质——思维的深刻性，过程中强调进阶建构——思维的建构性，结果上注重理解迁移——思维的迁移性。从课程标准来看，学科大概念就是从学科视角形成的关于自然、社会和自我的基本认知，与学科观念对等，包括物质观、运动与相互作用观、能量观等。［2］从学习内容来看，学科大概念是反映学科本质、居于学科中心位置，且具有广泛解释力和预测性的少数思想和观念，学科大概念具有相对性。［3］如“能量的转化与守恒”“力的作用是相互的”是在中学物理学科中具有统摄功能的学科大概念。从建构过程来看，学科大概念从外围的事实、关系、结论、概念、规律渐次进入学科知识内核，具有较高的抽象程度，属于高阶或高位的高级概念。如“运动是绝对的”是具有哲理性的指向本质的概念，是哲学大概念，而“参照物”是一个具体的学科定义，是表层概念。“等效替代”揭示一种学科思想方法，也是一个学科大概念。而“串并联电路的总电阻”“力的合成分解”是具体的学科知识，属于“等效替代”思想统摄下的学科概念。

二、学科大概念在提升科学思维品质上的作用

“双减”背景下，学科教学要求实现知识“量”的减少和“质”的提升，实施指向大概念的教学，有利于充分提升科学思维的品质，有利于实现“减量提质”的目标。科学思维品质反映了每个个体科学思维水平的差异，主要包括科学思维的系统性、普适性、深刻性、迁移性和敏捷性五个方面。

系统性是指科学思维活动的有序程度，以及整合各类信息的能力。利用大概念可以提高物理知识的结构化程度，提升物理模型的建构能力，提升科学思维的系统性。如“力可以改变物体的运动状态”是科学大概念，在内容上可以把下位的“力与运动”的知识统整起来，甚至可以下辖“运动学”“静力学”“动力学”。而其他类型的力如电磁力、分子力等在改变物体的运动状态方面本质上也是相同的。

普适性是指科学思维活动的适用程度，普遍地适用于同类对象或事物的性质。利用学科大概念可以形成解决问题的大观点，形成具有普适性的解决问题的通法，提升科学思维的普适性。“力可以改变物体的运动状态”不仅可以用来解释运动状态改变的原因，即通过物体运动状态的变化分析其受力情况，还可以根据改变受力情况促使物体的运动状态发生变化，大概念本身就含有分析问题解决问题的思想方法。如以“二力平衡”条件为原理可以设计测力计测量重力、摩擦力、浮力的大小，分析物体的浮沉条件。

深刻性是指科学思维活动的抽象程度和逻辑水平，涉及思维活动的广度、深度和难度。学科大概念可以促进学生把物理知识与生产生活社会实践活动相结合，培养学生正确的世界观和方法论，提升科学思维的深刻性。正是在“力可以改变物体的运动状态”这一大概念的指引，我国在航天事业、深潜事业实现了重大突破。所有航天器的升空、加速、变轨、悬停、降落、回收和深潜器的沉浮，都体现了“力可以改变物体的运动状态”的大概念。相关事例可以让学生为祖国科技发展的伟大成就自豪的同时，了解高科技背后最本质的物理原理，感受物理学在推动科技社会进步方面的巨大作用。

迁移性是指科学思维活动的可迁移程度，体现思维的灵活性和创造性。学科大概念不仅有利于知识间的联系整合，也有利于思想方法的归类整合，从而形成迁移性更强方法，提升科学思维的迁移性。比如在分析密度计算问题时，经常要抓住密度是物质的属性这一概念，分析问题时经常要考虑同种物质的密度保持不变这一隐形条件。而在欧姆定律的计算中，电阻是导体导电性能的一种属性，计算中也经常要用到电阻不变这一条件。两者在知识模块中分属力学和电学，但是在分析问题时的方法具有可迁移性。

敏捷性是指科学思维活动的速度，它反映了智力的敏锐程度。从学科大概念角度审视问题，可以敏锐捕捉问题的本质特征，避免具体问题情境的干扰，又快又准地解决问题。

因此，学科大概念具有整合知识促进建构、提供方法解决问题、价值引领立德树人的教育功能。从学科大概念视角发展学生的科学思维，有利于促进思维更具系统性、普适性、深刻性、迁移性和敏捷性。

三、基于学科大概念提升科学思维品质的策略

培养学生的学科大概念思维，就要引导他们寻找学科知识间的内在联系，指导他们对学科知识不断进行更高层次的概括，指导他们学会提出一般性的大问题；指导他们学会用大观点思考具体问题，指导他们努力形成解决问题的思想和通法。［4］

（一）寻找联系促进结构化，提高科学思维的系统性

大概念的建构需要较长时间的学习，对前后学习的学科知识，学生往往关注其表面差异，忽略其内在联系。大概念思维要求学生学会透过不同知识的表面差异，发现其内在的一致性，学会用学科大概念去统整表面上无直接关联的零碎的庞杂的知识，形成统一的整体。

如瞬时速度、平均速度、匀速直线运动的速度、变速直线运动的速度看起来各不相同，学生容易混淆。从大概念的思维看，这些概念都是描述物体运动快慢的，即“物体在单位时间内通过的路程的多少”来表示物体运动的快慢。无论物体做什么运动，这些速度本质上都是平均速度，只不过用于计算的时间长短不同而已。平均速度所对应的时间根据需要计算的过程确定，瞬时速度所对应的时间是所在位置前后极短的一段时间。

如重力、弹力、摩擦力是三个不同的概念，其产生条件各不相同。从大概念的角度分析，三者具有内在的一致性。要分析三个力的产生原因的本质特征，可以先提取出统摄这三个概念的大概念“力是一个物体对另一个物体的作用”，可见这三种力的产生都要有另一个对其产生作用的物体，即施力物体，而施力物体还要对研究对象产生一定形式的作用，是否真正产生作用，则可以用“力可以改变物体的运动状态”这一学科大概念进行辨析。通过这种思路，可以把不同形式的力归整到同一结构中。

（二）化特殊问题为一般问题，提高科学思维的普适性

一般性的大问题即基本问题，是比具体的特殊问题更大的问题，基本问题是指向大概念的航标。在面对具体的小问题，学生往往只关注具体问题的特殊细节，而不同的具体问题其细节各不相同，如果不能转化为用大问题视角重新审视每一个新的具体问题，就容易陷入题海，收获一些零零碎碎的特殊技巧。大概念思维提倡将特殊问题推进转化为一般的状态，即提出一个更为基本更具普遍意义的问题，将一般性问题的求解结果，应用到解决特殊条件的具体问题中。物理学中经常应用一些二级结论解决具体的特殊问题就属于这种思维。

例如，有三个分别竖放在水平面上材料相同的均匀圆柱体A、B、C，底面积均为S=25 cm2，三个圆柱体的高度分别为hA=20 cm、hB=15 cm、hC=10 cm，质量分别为mA=4kg、mB=3kg、mC=2kg。求三个圆柱体对水平面的压强之比。

上述问题所提供的已知条件中有冗余信息，学生容易根据压强的定义式分别计算每个圆柱体对水平面的压强，然后计算三个压强的比值。显然这种解法非常繁琐，效率低，需要不断重复应用压强的计算式求解。大概念思维要求将问题推进到一般情形，转化为一般性的问题，即转化为推导均匀直柱体对水平面的压强与哪些因素有关，具体有什么关系。

一个竖放在水平面上的圆柱体，其对水平面的压力F=G，圆柱体重G=mg=ρgSh，圆柱体对水平面的压强

结果表明，圆柱体对水平面的压强仅与其密度、高度有关，与质量、底面积等其他因素无关。所以三个圆柱体对水平面的压强之比为pA∶pB∶pC=hA∶hB∶hC=4∶3∶2。

上述结论同样适用于正方体、立方体等其他直柱体。

（三）指向本质的上位化概括，提高科学思维的深刻性

概括是由特殊到一般的思维过程，通过剖析不同案例或概念的共同特征，通过自下而上的路径提取大概念，对学科知识进行上位化概括。大概念思维应该突破具体情境或具体概念的束缚，不断往上概括，概括的层次越高，所得知识越剥离具体情境，结论越抽象，也越接近事物的本质。

如物体的浮沉条件是在通过探究浸在水中的玻璃瓶的浮沉情况后再去除具体情境概括得出的结论：浸在液体中的物体，其浮沉主要取决于它所受到的浮力和重力的大小。当浮力大于重力时，物体上浮；当浮力小于重力时，物体下沉；当浮力等于重力时，物体处于悬浮或漂浮状态。

本条件也适用于空气中的悬浮物运动状态改变的判断，还可以进一步推广到竖直方向或其他任何方向物体运动状态与受力情况的关系判断，提炼出力与运动的一般关系。比如在判断航天器升空、变轨、减速、悬停、降落过程的受力分析，水平方向动车的启动、加速、匀速、减速、进站过程的受力分析，均与此道理相同。去除具体情境的支撑，使结论更加抽象，更具有普遍意义，有利于学生理解力与运动关系的本质。

（四）构建学科模型，提高科学思维的迁移性

学生通常会被教育要“具体问题具体分析”。如果只关注问题的外在条件，几乎所有的具体问题都是新问题。即使被指导要对问题进行分类，如果分类的依据是问题的外在特征，就会获得各类有细微差异的针对不同试题类型的具体解法，获得很窄的解题特殊技巧。大概念思维则会从更高视角归纳出具有不同表面特征问题的共同内核，在表面上看起来十分繁杂的众多问题的基础上建立简单的学科模型。从更高的视角开始审视问题的本质，从而更快获取解决问题的正确方向。从更大的类别上分析各类问题共同的思想方法，以此统摄解决各类问题的具体方法。由于是在更高的视角建立的学科模型和思想方法，可以涵盖的问题类别更多了，可以迁移应用的范围自然也就更广了。

例如中考复习时，许多老师热衷于给学生归纳各种解决具体问题的方法。如测量电阻时，除了教材里的“伏安法”外，还会大量操练由于提供的器材不同而面对的其他方法，如“双安法”“双伏法”“安阻法”“伏阻法”……各种方法因具体连接方式不同又会衍生出多种变式。由于“电阻的测量”是中考高频考点，许多学生不惜花费大量时间推演各种解法并试图加以记忆，这些方法来自教师的赠予，其实却成了学生的负担。

大概念思维会帮助学生建立一种思想，俯瞰这些所谓的题型和变式。任何涉及电阻测量的问题，都需要与电阻有关的物理知识为测量原理。任何与电阻有关的物理知识结合具体电路的连接方式，都可以为电阻的测量提供一种新方法。初中物理涉及电阻的有欧姆定律、串联电路中电压的分配、并联电路中的电流分配等知识，这些知识都可以为测量电阻提供理论依据。

测量电阻、测量电功率、测量密度等测定性实验，试题情境经常出现缺少某一测量工具，或所提供的器材无法满足直接测量的条件，需要根据试题的具体情况，用“等效替代”的思想或“转化”的思想进行实验方案设计，或用“等效替代”或“转化”的思想理解试题给出的实验方案，进而解决相关问题。这里的“等效替代”“转化”的思想既是通法，也是大概念。

相似的“具体与具体”之间的简单关联只是低层次的迁移，比如通过大量的练习，让学生熟悉各种题型，也就是俗称的“刷题”。这种低层次的迁移是无意识的、自动的迁移。而促进学生不断形成“具体与抽象”以及“抽象与抽象”交错的复杂认知结构，从而能联结不相似的“具体与具体”，这才是高层次的迁移，这种迁移是有意识的、深思熟虑的迁移。［5］

（五）以大观点解小问题，提高科学思维的敏捷性

面对一个新的具体问题，学生往往容易从具体的情境出发，根据提供的具体信息一步步从正向出发，根据自己的日常直觉寻找与题设条件相近的相关知识，尝试解决具体问题。大概念思维提倡透过表面具体琐碎的现象，运用大观点思维，直指问题的本质，快速准确地作出正确的判断并解决问题。

例如：小华在操场的竖直杆上攀爬，向上匀速运动时受到的摩擦力大小为f1，向下匀速运动时受到的摩擦力大小为f2。若小华的自重为G，则（ ）

A.f1=f2＜GB.f1=f2=GC.f1=f2＞GD.f1＞G＞f2

解决上述问题时，学生容易受题目信息引导，在向上运动和向下运动时摩擦力的分析上感到困惑，根据自己日常生活的直觉经验，认为下滑时一定较为省力，上滑时一定较费力，从而选择D 答案。本题属于力和运动的关系问题，大概念思维不会受到小华上滑还是下滑这一表面现象的干扰，而是运用力和运动关系的大观点进行分析，分别分析小华的运动状态和受力情况，由二力平衡条件直接得出选项B的正确结论。

从大观点的视角看，还应该学会跳出“竖直”方向的具体情境，在任何方向都可以用力和运动的关系分析相关问题。如分析斜向上匀速运动的气球的受力情况时，或者分析斜向上匀速运动的电梯上客人的受力情况时，就不会受到“斜向上”这一表面现象的干扰，直接根据二力平衡条件作答。以大观点解小问题，可以做到又快又准。

心怀大概念，可以使人登高望远，思路广阔。基于大概念的学习，可以提高知识的结构化程度，促进形成科学观念。以大概念指导问题解决，可以习得普适性的方法论，获得高迁移性的科学思维，实现减负提质增效。