也谈科学观念的形成

邢晓

摘  要：

科学观念是在建构科学概念的基础上形成的。科学观念的形成取决于建构的科学概念促使客观事物对人产生的积极的事实意义与作用，它主要包含三个要素：具有事实意义、基于真实问题解决、借助科学概念的迁移。这也指明了促进科学概念形成的一种教学框架：解构核心概念，形成迁移通路；设计基本问题，聚焦事实意义；开展项目化探究实践，促进科学理解。

关键词：小学科学；科学观念；科学概念；理解；能量

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本文系江苏省苏州市陶行知研究会“十四五”规划教育科研课题“生活教育视域下的大概念单元整体教学实践研究”（编号：SZTY210062）的阶段性研究成果。

科学观念是义务教育科学课程要培养的学生核心素养的一个方面，形成初步的科学观念是义务教育科学课程的总目标之一。那么，形成科学观念与建构科学概念是一回事吗？引导学生建构科学概念的教学策略对帮助学生形成科学观念仍然有效吗？我们是否需要新的教学策略？怎样的教学策略才能有效帮助学生形成科学观念？厘清这些问题，能帮助我们明晰如何形成科学观念，有效落实新课标理念。

一、科学观念建构在科学概念的基础上

《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）明确界定：科学观念是在理解科学概念、规律、原理的基础上形成的对客观事物的总体认识。［1］从表述的语法上不难看出，“科学观念是……的总体认识”，也就是说，科学观念是一种认识，而不是具体的科学概念、规律与原理。再从定语上看，科学观念是对“客观事物”的认识，而非对具体科学概念、规律与原理的认识。同时，从新课标对科学观念在各学段具体目标的表述中，我们可以发现，新课标仍然沿用了科学概念的广义定义（包含科学规律与原理）。那么，我们至少可以判定：科学观念是一种认识，认识的对象是客观事物而非科学概念，理解科学概念是服务于对客观事物的认识的。比如，“同一个摆在相同时间内摆动的次数相同”是科学概念，“摆因为具有等时性，所以能用来计量时间”是科学观念。前者是通过对摆的科学探究建构的一个摆的科学概念，后者是应用该科学概念形成的关于摆和计量时间的一个科学观念。

但很多时候，科学观念和科学概念在语言表述上是相同的。这容易造成“科学观念等同于科学概念”的认识误区。比如，“合理的饮食习惯有利于身体健康”。如果学生只知道“合理的饮食习惯有利于身体健康”，即使同时还知道具体的合理饮食习惯，它也只是一个科学概念。而如果学生能通过对合理饮食习惯与身体健康之间关系的认识，开始理解“合理的饮食习惯有利于身体健康”，并用这种理解来指导自己的饮食，那它就是针对饮食习惯和身体健康的科学观念了。可以看到，科学概念和科学观念虽然表述相同，但却有着本质的区别。而后者才是我们要着力培养的。

二、科学观念的形成基于人对客观事物科学本质的理解

如前所述，科学观念是一种认识。认识是人脑反映客观事物的特性与联系并揭露事物对人的意义与作用的思维活动。人们对客观事物的认识主要取决于该客观事物对人产生的意义与作用。观念是人对客观事物认识的另一种表述。观念的形成意味着客观事物对人已经产生了意义与作用。同时，形成的观念又并不一定是科学的。决定观念是否科学的关键是我们通过什么样的方式让客观事物对人产生意义与作用。如果是通过客观事物背后的科学概念使客观事物对人产生意义与作用，那么将会形成一个科学的观念；如果是通过与客观事物相关的经验、感受等心理体验对人产生意义与作用，则形成的观念可能是科学的，也可能是不科学的。由此，可以对科学概念的建构与科学观念的形成得出两个重要判断：一是客观事物背后科学概念的建构对于科学观念的形成是一个必要条件；二是能否形成科学观念，并不取决于客观事物背后科学概念的建构，而是取决于建构的科学概念能否促使客观事物产生积极的事实意义与作用。

可见，科学观念的形成过程是人对客观事物科学本质的理解过程。杜威认为，理解是学习者探求事实意义的结果［2］；布鲁姆的教育目标分类法指出，理解意味着能够智慧地和有效地应用与迁移，它能超越信息本身［3］；珀金斯将“理解”定义为能够灵活利用所学知识进行思考和行动的能力［4］；威金斯等在《追求理解的教学设计》一书中指出，理解是对知识、技能等的迁移，并在迁移的过程中产生（对学习者的）意义［5］。尽管他们对理解的观点或定义不尽相同，但都指向了意义与迁移，即理解能通过迁移帮助学习者产生客观事物对自身的事实意义。因此，科学观念的形成至少包含三个要素：具有事实意义，基于真实问题解决，借助科学概念的迁移。

三、促进科学观念形成的教学框架

基于科学观念的形成要素，我们可以得到这样一种教学框架：首先，对新课标明确提出的学科核心概念进行解构，依托核心概念的联结性形成具有解释性和迁移性的基础概念群，并通过基础概念群再次联结具体科学概念或知识，形成教学内容；其次，设计具有真实意义的、指向核心概念的基本问题（真实问题），并在解决问题的逻辑框架下，结合基础概念群，形成基于问题解决的问题群；最后，设计指向问题解决的项目任务，开展项目化探究实践。下面，以教科版小学科学六年级上册《能量》单元为例，分享促进“能量守恒和转换”科学观念形成的教学框架。

（一）解构核心概念，形成迁移通路

通過对核心概念的解构，为科学观念的形成与发展搭建迁移通路。首先是科学概念迁移、进阶的通路，这是显性的通路。一方面，核心概念是基于新课标提炼出的处于单元学习中心位置的概念，它联结着单元内众多的具体概念，是科学概念建构与进阶的方向与目标。另一方面，在学科逻辑下，通过对核心概念的解构，形成联结核心概念与具体概念的基础概念群，呈现科学概念的进阶样态。其次是科学观念迁移、发展的通路，这是隐性的通路。一方面，建构的科学概念在解决真实问题的过程中形成对应的科学观念。另一方面，在建构的科学概念与形成的科学观念的相互作用下，随着科学概念的迁移与进阶，不断带动相应科学观念的迁移与发展。

《能量》单元教学，通过发现身边的能量表现形式、奥斯特实验、电磁铁、小电动机等探究活动，帮助学生初步形成能量、能源等科学概念，并借助学生熟悉的电和磁开展对能量的进一步认识和探讨，促进学生初步形成“能量守恒和转换”科学观念。通过对“能量守恒和转换”这一核心概念的解构，可以形成如下基础概念群：能量的形式是多样的，能量存在于一切物质中，在一定条件下能量可以转移，在一定条件下能量之间可以相互转换，能量在转移和转换过程中总量不变。每一个基础概念又都联结着相关的具体概念与知识，如声光电磁、能源（可再生能源、不可再生能源）、电可以转换为磁、电磁铁、小电动机、发电机等。可以看到，声光电磁、能源等相关具体概念的建构与迁移形成了对应基础概念的建构与迁移，基础概念的建构与迁移又最终指向了“能量守恒和转换”这一概念的建构与迁移。由此，形成了科学概念的迁移与进阶通路。

（二）设计基本问题，聚焦事实意义

教育唯一“合法”的目的就是解决问题，这里的问题不是指局限在学校范围之内的问题，而是指向真实世界的问题。［6］基本问题（真实问题）作为核心概念的航标，不仅是指向和突出核心概念的问题，还是指向真实世界，对学生具有事实意义的问题。基本问题又通过

与核心概念的联结，在解决问题的逻辑框架下，以问题解构的方式形成基于解决真实问题的问题群。如果说核心概念是学生理解科学概念、形成与迁移科学观念的“暗线”，那么，基本问题及其问题群就是学生理解科学概念、形成与迁移科学观念的“明线”。它通过对核心概念、教学内容与真实世界的联结，在实现教学连贯性的同时，为学生理解科学概念、形成与迁移科学观念提供具有事实意义的探究实践过程和对象。

《能量》单元教学呈现的基本问题是“如何解决‘我们的天峻县科考站所需要的能量？”。“建设我们的天峻县科考站”是基于创设的真实情境提出的项目任务。“如何解决‘我们的天峻县科考站所需要的能量？”这一基本问题，不仅指向“能量守恒和转换”这一核心概念，更是“建设”我们自己的天峻县科考站需要解决的实际问题。在解决问题的逻辑框架下，对应基础概念群，可以将基本问题解构为：科考站需要哪些能量？能量从哪里来？电能是如何满足科考站其他能量的需求的？电能从哪里来？怎么设计风力发电机？怎样减少电能在转移和转换中的损耗？科考站能量是如何满足需求的？在“天峻县科考站”与每个问题所联结的学生真实生活的交互作用下，建构的科学概念在解决实际问题的过程中不断触发事实意义，形成相应的科学观念，并向着“能量守恒与转换”的核心观念迁移与发展。同时，学生也将围绕“建设自己的天峻县科考站”这一真实任务，经历一个完整、持续的科学探究实践过程：明确科考站需要的能量—认识所需要能量的来源（能源）—规划、制作科考站模型—理解电能是科考站需要的主要能量—确定用风力发电—设计、制作风力发电机—完善模型—模拟科考站运行。

（三）开展项目化探究实践，促进科学理解

陶行知先生认为，教育是“教学做合一”；教、学、做不是三件事，而是一件事；教与学都要统一在实践上，要与实践相结合。［7］新课标为了突出科学课程的实践性，将原来的“科学探究”修改為“探究实践”。项目化探究实践是依据新课标、借鉴项目化学习方式开展的探究性实践教学。它与传统科学探究的本质区别在于对学生理解科学学科本质的设计逻辑的不同：项目化探究实践是在解决真实问题的持续性实践过程中建构、理解、迁移、进阶科学概念，并借助“做项目”同步形成科学观念，同时发展学生的探究实践技能、科学思维、责任态度等核心素养；传统科学探究是在对真实生活中科学现象的探究过程中建构科学概念、发展探究技能后，再去解释相关科学现象。项目化探究实践把科学探究融于解决真实问题的项目实践中，通过“做项目”，不仅能激活科学概念于学生的事实意义，使学生形成科学观念，更使学生在不断解决问题的项目实践中迁移、发展科学观念，促进对客观事物的科学本质理解。

《能量》单元教学，在创设的我国天峻县可燃冰开采、地理气候等真实情境中形成探究实践项目：为研发可燃冰开采与使用技术，我们需要在天峻县建设一个科考站。“我们的天峻县科考站”项目要求学生能自己制作“天峻县科考站”模型，并通过阐述科考站能量运行的方式模拟科考站的运行。在项目的驱动下，学生需要先规划、制作科考站模型，然后设计、制作风力发电机，再完善科考站模型，最后模拟、阐述科考站的运行。在规划与制作阶段，学生通过对科考站生活区、科研区、种植区、开采区、交通运输工具等的设计与制作，促进了自身对“能量的形式是多样的，能量存在于一切物质中”的科学理解；在设计与制作风力发电机阶段，学生通过对奥斯特实验与电动机工作原理的逆向思维，在风力发电机与减少科考站能量运行损耗的设计与制作中，进一步理解“在一定条件下，能量可以转移和相互转换”；在模拟、阐述科考站的运行阶段，学生基于科考站能量运行的综合理解与展示，深化了“能量守恒和转换”科学观念。

综上所述，科学观念的形成不仅需要建构科学概念，更需要在解决真实问题的过程中迁移、应用科学概念，并产生对客观事物科学本质的理解。核心概念、基本问题（真实问题）、项目化探究实践三位一体的教学设计，在事实意义与迁移上，为学生科学观念的形成提供了切实有效的路径。

参考文献：

［1］ 中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准（2022年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2022：4.

［2］［3］［4］［5］ 格兰特· 威金斯，杰伊·麦克泰格.追求理解的教学设计（第二版）［M］.闫寒冰，宋雪莲，赖平，译.上海：华东师范大学出版社，2017：39，42，51，7.

［6］ 戴维·乔纳森，简·豪兰，乔伊·摩尔，等.学会用技术解决问题：一个建构主义者的视角（第2版）［M］.任友群，李妍，施彬飞，译.北京：教育科学出版社，2007：22.

［7］ 周洪宇.陶行知教育思想教师简读［M］.武汉：华中师范大学出版社，2021：236.