美国学前科学教育改革对我国的启示

李雨昕

（北京师范大学教育学部，北京 100875）

一、问题提出

《关于新时代进一步加强科学技术普及工作的意见》五节二十一条指出：要“将激发青少年好奇心、想象力，增强科学兴趣和创新意识作为素质教育重要内容，把弘扬科学精神贯穿于教育全过程……加强幼儿园和中小学科学教育师资配备和科学类教材编用，提升教师科学素质。”［1］这一条款既反映出国家对基础教育阶段科学教育的重视，也反映出目前我国幼儿园科学教育需要高质量的教育内容和师资队伍。

当前我国幼儿园科学教育在内容和师资方面较为薄弱。教育内容上，习惯于将一些零散的、缺乏整合的科学事实性知识作为幼儿学习的材料，忽视了科学知识间的组织和联系。以动物科学为例，很多教师会引导幼儿认识各种动物的名字、食物、栖息地、生活方式等，但很少有教师能够引导幼儿对这些分散的知识进行有意义的组织。科学教育不应该传授给孩子支离破碎、脱离生活的抽象理论和事实。而是应当慎重选择一些重要的科学观念，用恰当、生动的方法，帮助孩子们建立一个完整的对世界的理解［2］。不加以组织的事实性知识堆积在儿童头脑中既容易被遗忘，也没有什么发展价值。师资队伍上，教师缺乏引导幼儿深入理解科学知识的能力。在组织幼儿认识某一科学现象的过程中，很多教师总是按照自己头脑中对幼儿科学认识过程的“猜想”去引导幼儿理解科学知识，难以帮助幼儿达到预期的认识水平。事实上，幼儿的科学学习过程是一个客观、复杂的认知过程，这一过程涉及迷思概念、知识层级、推理能力等多个研究领域，需要综合这些领域的研究成果才能实现对其较为准确的描述。

美国近年的科学教育实践也遇到和中国类似的问题，面对这些问题，美国以“学习进阶”为理论基础尝试进行学前科学教育改革并取得了显著成效，在同一问题域下审视和借鉴美国的改革经验能够为新时代高质量学前科学教育体系的建设提供有益建议。

二、学习进阶与美国学前科学教育改革

学习进阶（Learning Progressions）“是对学生在一个时间跨度内学习和探究某一主题时，依次进阶、逐级深化的思维方式的描述”［3］，是近十几年间美国科学教育领域的最新实践和研究成果，也是目前美国科学教育研究的新兴和热点领域。学习进阶一词最早出现在美国教育研究委员会（NRC）“幼儿园至高中科学成就测验的设计”项目组递交给联邦政府的两份研究报告中。其产生与发展反映了美国科学教育当时面临的问题和解决问题的新思路，这一点体现在学习进阶的发展历程中，这一过程大体上可以划分为产生、成熟和引领改革三个阶段。

第一阶段，产生阶段（2002-2005 年）。新教育理论的提出往往根源于典型的教育实践问题，学习进阶也不例外，其产生根源于直接和间接两个问题背景。直接问题背景是高质量科学成就评价的需要，间接问题背景是“大概念”教学理念。2002 年，为评估教育的成效和质量，明确教育质量中的责任关系（要求美国各州政府、学校和教师应该为教育质量负责），美国颁布了反映其对教育成果问责态度的里程碑法案《不让一个孩子掉队法》，法案要求设计统一的评价指标体系对每一个孩子的科学学习结果——是否形成良好的科学素养进行评测。当时负责设计该评价体系项目（幼儿园至高中科学成就测验设计项目）的美国教育研究委员会（NRC）提出，科学的科学成就评价指标体系必须考虑学生在不同学段科学知识、科学能力和科学理解的发展，即科学学习的发展连贯性（developmentally coherent）［4］，这一评价理念是学习进阶概念的雏形。随着科学教育评价的展开，人们发现美国科学教育普遍存在“广而不深（a mile wide and an inch deep）”的现状［5］，即表面上看学生好像在学校里广泛地学习了大量科学知识，但仔细考察学生的学习结果却发现，这种学习实际上并不深刻，不仅无法让学生把握到科学的本质特征，也无法支架学生形成对于科学世界的完整认识框架，更谈不上培养学生良好的科学素养。针对这一现状，很快有学者意识到问题的根源——科学教育的内容存在问题［2］，并由此展开一系列有关科学教育内容的改革实验（指向于“整合”［6］94、“理解”［7］77和“大概念”［8-9］的研究）。研究结果表明：“少而精（Less is more）”［10］和“更少、更清、更高（fewer，clearer，higher）”［11］33-35的科学课程设计理念能够用以解决“如何在‘有限’的时间里帮助学生应对‘无限’的自然科学知识”这一问题，改变现行科学教育广而不深的现状。这一理念所传递的核心观点是：基础教育阶段的科学教育应该以少数“大概念”（big idea）为抓手，通过帮助学生建构起对这些概念的深入理解来“整合”科学知识，进而达成对学生良好科学素养（Scientific Literacy）的培养［12］。这种“依托大概念整合学生科学知识”的理念迅速得到学界的认可，成为一种共识［13］。同时与学习进阶的研究方向不谋而合。学习进阶研究指向于对学生科学学习的思维发展过程，聚焦于学段和认知两个要素的结合［14］，为“如何依托大概念进行整合”找到了突破口。大概念极大地拓展了学习进阶的思想内涵和研究深度，在大概念进入学习进阶研究范畴之前，学习进阶主要研究某一学习主题下思维的进阶，有了大概念之后，学习进阶演变成了“围绕大概念的思维进阶”的研究，共同促进科学教育的质量提升。

第二阶段，成熟阶段（2005-2011 年）。成熟阶段的标志是学习进阶理论对整合问题的有效解决。随着研究的进展，学者们都认识到要通过“大概念整合”的方式解决科学教育存在的问题，但这种整合如何能够实现又成为新的问题。整合暗含有两个维度——横向和纵向。横向整合实质上是一种对良好科学素养“要素”的整合，这一维度要求整合以往科学课程中的零散概念，帮助学生建立起深入理解的科学概念体系，同时促进学生参与科学工程实践，在整合中渗透科学本质教育和STSE 教育［15］。纵向整合指的是对基础教育各个学段科学知识的整合，这一维度要求基础教育阶段课程设计应具有发展的连贯性（developmentally coherent），即各学段所学科学知识之间有良好的关联和衔接。两个整合维度所面临的问题汇集在几个关键点上：首先，“选择哪些大概念才能实现学生对科学知识持续深入的理解，达成良好科学素养的培养？”其次，“从幼儿园到高中，学生对科学大概念的认知是如何发展的？”［16］最后，只有符合学生认知发展，充分调动其生活经验的课程才能建构对核心概念的深入理解［17］。那么，“哪些生活经验有助于构建对大概念的深入理解？”对于这些问题的深入研究使得学习进阶理论逐步完善并走向成熟。自2005年以来，美国自然科学基金（NSF）持续资助了关于学习进阶的研究，到2008 年，它已经至少建立了15个不同的研究组来开发和研究K-12年级的科学领域的学习进阶［18］。这些研究不仅深刻探讨了如何围绕大概念进行科学知识整合，还进一步提出和验证了不同科学大概念学习的具体路径。

第三阶段，引领改革阶段（2011年至今）。学习进阶研究所取得的丰硕成果得到了科学教育界的普遍认可和关注，成为美国新一轮科学教育改革的主要理论依据。美国国家研究理事会（National Research Council，简成NRC）在2005 和2007 年先后提交的两份报告中明确表示：“学习进阶是理论研究者、考试命题者、课程编制者、教育决策者对话的重要渠道，是沟通学习研究和学校课堂实践的桥梁，是联结课程标准、教学与评价，促进三者一致性的最具潜力的工具。”［19］之后相继颁布的两个重要文件——2011年颁布的《K-12科学教育框架:实践、共通概念和核心概念》（A Framework for K-12 Science: Education Practices，Crosscutting Concepts，and Core Ideas，以下简称《框架》［20］）和2013 年基于《框架》颁布的《新一代科学教育标准》［12］（Next Generation Science Standards，以下简称《新标准》）成为引领新一轮美国科学教育改革的核心价值导向。两份文件都以学习进阶为主要编写依据［13，22］，汇聚了学习进阶研究成果的精华。其中《框架》提出了以大概念为抓手统整从幼儿园到高中整个基础教育阶段科学教育内容的三维度要素的构想，《新标准》则通过对科学教育内容呈现方式的精巧设计真正落实了《框架》所构想的“整合”目标，真正达成了内容标准、教学标准和评价标准的统一［13］。两份文件进一步带动了美国各个学段科学教育的改革，学前教育也参与其中——通过重新修订早期儿童学习标准（Early Learning Standards）的科学领域部分（以下简称早期科学标准）对改革作出回应。

综上所述，美国新一轮学前科学教育改革并不是一次孤立或局部的改革，而是一次深植于美国基础教育学段科学教育改革背景的整体改革。这次改革以学习进阶为理论基础，成功构建了美国从幼儿园到高中整个阶段相互衔接的科学教育体系，将美国基础教育的科学教育质量提升到了一个新的高度。而学习进阶理论作为这次改革的根本支撑，也随着科学教育问题的解决而逐步走向完善和成熟——从产生到成熟再到引领改革，学习进阶逐渐从最初的一个理念（产生阶段），形成自己特有的研究问题和研究范式（成熟阶段），并最终成为一种科学有效的教育实践理论（引领改革阶段）。

三、借鉴美国学前科学教育的改革经验——内容和路径

如何借鉴美国学前科学教育改革的相关经验来推动中国学前科学教育的高质量发展是借鉴中的关键和难点问题。借鉴绝不等于照搬照抄和全盘西化，而是要通过对学习进阶理论全面深入反思，批判地继承其中的有益经验，同时立足中国学前科学教育的具体现状，思考相关经验的本土化问题。本文总结了美国学前科学教育改革中可供借鉴的两方面经验——内容和路径。下文将对这两个方面的具体借鉴点和借鉴方式进行详细阐述和论证。

（一）内容方面：以“大概念（big idea）”为内容核心，组织幼儿科学素养发展所需的教育内容要素

1.社会变迁对学生科学素养发展提出新的要求

教育目标是教育内容选择的依据，教育内容是教育目标达成所依托的载体。确定科学教育内容要素需要考察科学教育对培养学生科学素养的要求。当今社会科学技术的发展日新月异，对学生未来适应社会和参与竞争应具有的科学素养提出了很多新的要求，这些要求可以概括为三点：第一，对科学认知素养的要求。当今社会科学技术知识正在以一种指数爆炸的趋势不断累积，这一现状对学生应该具备的科学认知素养提出了更高水平的要求，具体表现在认知深度和认知结构两个方面。首先，在认知深度方面，要求学生能够更加深刻地理解一些“必要的”科学技术知识，了解这些科学技术知识对于个人和社会的影响，认识科学的本质［23］。其次，在认知结构方面，要求学生形成科学认知框架，注重自然世界的整体性［23］，建构对科学世界整体的认识。第二，对科学情意素养的要求。科学情意素养与学生科学学习的动力系统直接挂钩，直接影响着科学学习的效率和持久性。科学情意素养包括对科学世界的好奇心和求知欲，这种好奇心和求知欲能够引发学生主动学习，是推动学生科学学习的内在动力［23］。良好的科学情意素养是科学家们所具备的共同特征。第三，对科学学力素养的要求。当今社会正发生着剧烈的社会变迁，知识经济、信息化和全球化是这个时代最鲜明的特点。在这样的时代背景下，传统科学教育所培养的只具有科学知识习得和再现等初级认知能力的人才已经不足以满足社会发展的需求，只有具有科学问题解决和科学知识创造等高阶认知能力的人才方能适应社会发展的需要。简单来说，就是时代变迁要求科技人才的学力从静态的“记忆型学力”向能动的“创造型学力”转化［24］，这种科学“创造型学力”是良好科学素养的最高表现形式。“创造型”学力是具体可见的，其体现在学生科学学习过程的一切创造性行为之中，进一步划分为科学探究能力、工程实践能力和问题解决能力。综上所述，科学素养是一种整合知识、情意和学力的“整合素养”，当今社会对科学素养所包含的每个要素都提出了更高的要求。

2.“大概念”应对科学素养发展要求之逻辑

传统科学教育内容及其组织形式已经在实践中暴露出诸多弊端，在应对时代所赋予的新的科学素养培养任务时显得捉襟见肘——以零散的科学常识作为学习内容，不仅忽视了学生认识科学世界的完整性，而且无法让学生体会到科学的本质。这种科学教育内容难以支架学生对科学概念持续深入的理解，不利于学生建立完整的科学概念体系，更无法支持学生解决真实情境中的科学问题。在这样的困境下，教育工作者们开始寻求新的科学教育内容及其组织方式。科学素养是一种整合素养，科学素养的发展问题实质上是素养要素的整合问题，教育要达成对素养要素的整合，必须解决如何整合科学教育内容的难题。而“大概念”是在教育实践探索中找到的用以解决科学教育内容整合问题最有力的工具。

“大概念”究竟是什么？它如何能够实现对科学教育内容的整合？要回答这些问题，必须深入考查大概念的内涵、特点及其与科学素养发展之间的联系。

大概念的研究最早可以追溯至著名结构主义教学心理学家布鲁纳（Bruner）。布鲁纳认为，无论教授哪一门学科，都一定要教给学生关于这门学科的基本概念、原理和结构，因为这些内容不同于一般的事实性知识，它们反映了一个学科的本质，能够最大化地保留在学生头脑里并促进学生对知识的迁移。克拉克基于布鲁纳的研究，认为大概念提供给了学生构建自己理解的认知框架［25］。怀特利把大概念比作理解的建筑材料，认为它可以帮助人们将自己头脑中零散的知识点联结起来［8］。埃里克森认为大概念指向学科的核心概念，具有深层次、可迁移的特点［26］。格兰特·威金斯和杰伊·麦格泰提出大概念在课程学习中处于中心位置，能将多种知识有意义地连结起来，具有情境的可迁移性［7］。美国国家数学教师协会将大概念直接指向科学学习，认为它是能将众多的科学知识联为一致整体的科学学习的核心［27］。虽然学者们对大概念的表述不大相同，但这些观点表现出一些共识——大概念在学科知识体系中居于中心地位，在建构认知框架、支持深层理解和促进迁移应用方面具有重要作用。

大概念的特点可以从以下四个角度进行概括。第一，从结构上看，大概念位于知识网络的中心。大概念并不是一个概念或几个概念，而是一个学科的概念集合，这个概念集合中的每一个大概念都相当于网上的一个节点，节点与节点相互连接，织成了一张学科概念体系网络。要强调的是，并不是学科的所有概念都能进入到大概念的集合中，只有那些具有更广泛和深刻的解释能力、能够统一学科零散概念、搭建出整个学科基本骨架（或基本网络）的关键概念才能称得上大概念。例如“仙人掌不需要很多水就能存活”只是个一般事实性概念，而“植物能够适应自己所在的环境”则是一个大概念，因为这一概念不仅能够深刻解释为什么“仙人掌不需要很多水就能存活”（仙人掌生活在沙漠里必须适应缺水的环境），还能统一所有与其他植物习性和生存环境密切相关的概念。第二，从知识层级上来看，大概念具有统摄性。大概念居于学科知识体系的核心，位于学科知识金字塔的顶端，具有最强的解释力、概括性和包容性。余文森教授将大概念形象地比作是学科知识体系的细胞核，居于学科知识体系的中心圈层，而其他知识依照与大概念的逻辑关系依次排列在它的外围，构成一种“众星捧月”式的结构［28］。大概念外围的一切知识都是学生理解大概念的具体工具和手段。第三，从记忆时长和学习周期来看，大概念具有“可持久性”［29］。记忆时长的可持久性是指大概念能够比其他事实性知识更加长久地保持在学生的头脑之中，往往终身都难以忘记。学习周期的可持久性是指对大概念的学习往往不能通过一次教学完成，需要多次反复和逐级深化的教学，这体现了大概念的一种“耐学”的特性，学习周期上的“可持久性”可以从横向和纵向两个维度进行考查，横向的可持久性主要指在同一年龄阶段泛化对同一大概念多角度、多维度的理解，但内容本身的难度和深度不会发生变化。纵向可持久性指的是同一大概念在跨年级阶段再次学习，但内容的难度和深度提升了。以“所有动物都需要从其他动物和植物那里获取能量来生存和生长”这一大概念为例，在学前阶段，教师引导幼儿寻找“各种动物的食物”作为证据支持这一大概念，当幼儿充分理解了这一大概念之后，老师变换视角，继续引导儿童探索“植物是从哪里获得能量来生存和生长的”这一问题，这里虽然探究视角发生了变化，但学习的难度和深度依然是幼儿可接受的具体形象性经验，所以体现了一种横向的可持久性。到了初中阶段，这一大概念的学习会发生变化，由于初中阶段学生认知的抽象性显著提高，这时的教学会引入能量的概念，学生需要去更深刻理解“所有动物都需要从其他动物和植物那里获取能量来生存和生长”这一大概念中能量的本质，这里虽然学习的大概念与幼儿园相同，但学习的难度和深度明显提高了，体现了一种纵向的可持久性。第四，从适用情境来看，大概念具有可迁移性，对大概念的学习不同于对简单事实的学习，而是一种触及到学科本质的学习，学科的本质等同于布鲁纳所说的“一般观念（general ideas）”，包括一个学科的所有基本概念和原理，一般概念对知识迁移具有非常重要的作用，是非特殊迁移的依靠［30］。对大概念的理解有助于学生在不同的情境中把握那些关键的共同要素和原理，解决不同情境中的“相似问题”。例如幼儿理解了“所有动物都需要从其他动物和植物那里获取能量来生存和生长”这一大概念后，就更容易掌握一些相似大概念，如“所有植物都需要从阳光那里获取能量来生存和生长”“所有生命的存活都离不开太阳”等，也能更好地分析解决一些真实情境中的问题，如教室里的花一直都有浇水却枯死了可能是因为没有接受到充足的阳光。

前文已经指出，科学素养是一种整合了知识、情意和学力的“整合素养”，因此必须用“整合发展”的逻辑解决科学素养的发展问题，大概念的内涵与特点是其实现“整合发展”的基础，如图1 所示。首先，借助大概念的统摄性和网络结构能够满足科学认知素养的发展要求。由于大概念在学科知识体系中居于中心地位，能够统摄并联结其他所有科学知识，形成完整的科学知识体系并支架学生对科学知识持续深入地学习，因此以大概念为中心构建的科学教育内容能够满足科学认知素养对学生在认知深度和认知结构两方面的整合要求。其次，借助大概念的可持久性能够满足科学情意素养的发展要求。那些能够调动学生已有认知经验，并具有一定认知挑战的学习任务能够以大限度激发学生的学习动机，促进学生的持续学习。很多人认为大概念是抽象的，远离学生生活的，认为大概念深刻的思想内涵和其在学科知识中的统领地位必然对应着晦涩抽象的表现形式，实际上这是一种错误的认识。大概念具有丰富多样的表现形态——主题、论点、观点、理论、基本假设、问题、理解等都是大概念的重要表现形式，一个词、一个句子或者一个问题都能表现大概念［31］大概念的英文是big ideas 而非big concepts，正是因为单纯的抽象概念（concepts）远远不能涵盖其全部思想内涵。大概念不仅具有抽象概念的深刻性，而且具有丰富的生活价值，能够在学生日常生活的具体情境中不断地被运用［32］。对学习者生活有意义的知识才可能具有长久的生命力［33］，这正是大概念在教育中具有如此长久生命力的原因。以大概念为中心组织科学教育内容，既能向上连接与学科本质密切相关的深层概念原理，又能向下联系与学生生活情境密切相关的生活经验，因此能最大限度地激发学生的好奇心和求知欲，满足科学情意素养的发展要求。最后，借助大概念的可迁移性能够满足科学学力素养的发展要求。创造与知识迁移密不可分，真实世界中的创造不仅需要综合运用多种学科知识，而且需要将结构性的知识迁移运用在不同的情境之中。以大概念为中心组织科学教育内容，不仅打通了学科内和学科间的学习，还打通了学校教育与现实世界的路径［34］，将科学知识真正有条理地融通起来，从而能够支架学生在不同情境中的自主探究，实现科学创造型学力的发展。

图1 “大概念”为核心的科学教育应对科学素养发展要求之逻辑

3.美国以“大概念”为核心组织科学教育内容要素

当今世界各国的课程改革都呈现出一种同样的发展趋势和特点——强调课程的整合性，注重学科之间的相互融合［34］。围绕学科“大概念”进行的课程设计是目前解决整合问题中最具创新性和有效性的尝试［35］。大概念现已成为“孕育学科核心素养的重要依托，学科课程内容的构成框架以及单元设计的立足点［36］。

美国以“大概念”为核心组织科学教育内容要素体现在《框架》之中（见表1）。《框架》将全部的科学教育内容划分为三个维度——科学工程实践、共通概念和学科核心概念。首先，科学工程实践（Science and Engineering Practices）是科学实践层面的维度，这一维度的内容要素体现了对科学研究方法和科学思维方式的重视。其次是共通概念（Crosscutting Concept），这一术语可以通过表面意思理解其含义，crosscutting 有横穿、相切、跨越之意，故也有学者将其翻译为“跨学科概念”，这类概念涉及科学、数学、技术和工程等领域的最基本的、超越学科界限、反映不同学科的内在统一性的概念［15］。等价于哈伦所说的“关于科学的大概念”［2］。最后是学科核心概念（Disciplinary Core Ideas），这类概念是组织整合某个学科自身内容的少数关键概念［15］，等价于哈伦所说的“科学大概念”。大概念包括了《框架》中的共通概念和学科核心概念［15］，其中共通概念是整合学科间知识（科学及其邻近学科的相关知识，如科学与数学的相关知识——数量）的大概念，而学科核心概念是整合学科内知识（科学自身涉及的学科相关知识，如物质科学领域与所有物质相关的知识——运动和能量）的大概念。《框架》构想通过三个维度整合科学教育内容，通过支架学生对三个维度中科学大概念持续深入的理解，构建起学生对整个科学知识体系的完整认识。随后颁布的《新标准》在《框架》的基础上，进一步划分出了各个学段应该掌握的的科学大概念，其中学前阶段包含4 个主题领域、6 个核心概念和12个次级核心概念（见表2），其中次级核心概念可以作为幼儿园教师设计科学课程和活动主题的直接来源。

表1 《框架》中科学教育内容的三维度设计

表2 《新标准》中学前阶段大概念分布［21］

受到《新标准》的影响，美国一些州的早期科学标准也开始参考《新标准》，选择科学领域的核心概念（即大概念，大概念包含了核心概念）去组织幼儿的学习内容。为了说明这种影响，下面选取了四个州的早期科学标准作为样本进行指标分析——分别是S1《佛罗里达州儿童早期学习与发展标准》（The Florida Early Learning and Developmental Standards）［37］；S2《缅因州早期教育标准》（Mine’s Early Learning and Development Standards）［38］；S3《田纳西州早期学习发展标准》（Tennessee Early Learning Developmental Standards）［39］；S4《宾夕法尼亚州早期儿童学习标准》（Pennsylvania Learning Standards for Early Childhood）［40］。具体的分析方法是先阅读《新标准》中对于次级核心概念的内涵描述，再阅读各样本州早期科学标准对幼儿在学前科学阶段“应该知道什么、会做什么”的指标描述，对照看其符合《新标准》中哪一条次级核心概念的内涵描述。例如《新标准》中对次级核心概念“PS2.A:力和运动”的具体案例描述是“推或拉物体可以改变其运动的速度或方向，并可以启动或停止它”［21］。而《缅因州早期教育标准》科学领域对儿童学前末期阶段性的表现性描述有一条“在教师的支持下，使用普通物体和材料进行运动和力的比较（例如，当你放开或推它时，哪个物体移动得更快或更慢，哪个物体走得更快或更远）”［38］。这正好与该次级核心概念的内涵描述完全一致。以此方式将各样本州的每一条早期科学标准都进行分析，并据此判断各州在制定早期科学标准时使用了《新标准》中的哪些大概念去组织教育内容，分析结果如表3 所示。分析发现，四个州的早期科学标准基本涉及了《新标准》中的全部核心概念，宾州和缅因州甚至涉及到全部，这充分说明《新标准》以大概念为核心组织科学教育内容对美国早期科学标准的深刻影响。

表3 四个样本州早期科学标准中核心概念（大概念）分布情况

4.启示：精心选择科学“大概念”，建构本土化的学前科学教育内容要素体系

美国是一个极具竞争意识的国家，为国家增强国力、提升全球竞争力，其早期学习标准会不断借鉴最新的教育研究成果进行调整，此次各州早期科学标准的修订回应了美国新一轮科学教育改革的要求。我国虽然也有自己早期学习标准——《3-6 岁儿童学习与发展指南》（以下简称《指南》），但这份文件长时间没有更新，没有吸纳新近的理论和研究成果。当前《指南》中科学教育的内容仍然是一种目标线索……关于幼儿科学教育内容以及内容之间的结构关系并不明确［41］，而这种问题正是缺少科学大概念导致的。因此，我国学前科学教育改革的第一步，就是抛弃以科学常识为中心组织科学教育内容的方式，精心选择适宜幼儿学习的科学“大概念”，建立起以大概念为核心，学科核心概念、共通概念、科学工程实践三维统整的学前科学教育内容体系。

第一，坚持《指南》科学教育的目标价值导向，将保护幼儿科学学习的好奇心和求知欲放在首要地位，借助“大概念”为核心的内容组织让学前科学教育真正走出“小学化”误区。应该明确，改革《指南》中科学教育的内容并不是否认其科学教育的目标价值，内容改革是为了让《指南》科学教育的内容更好地实现其目标价值追求。《指南》一直将幼儿科学情意素养的发展放在首位，认为幼儿科学学习的核心是激发探究兴趣，体验探究过程，发展初步的探究能力。强调要善于发现和保护幼儿的好奇心……形成受益终身的学习态度和能力……不应为追求知识和技能的掌握，对幼儿进行灌输和强化训练［42］。以“大概念”为核心的科学教育内容可以更好地实现《指南》中对幼儿科学情意素养的发展要求。“大概念”不是那种机械性的、能通过记忆获取的知识，它的生命力根植于丰富多彩的经验生活，“大概念”的生成需要经历从“具体——抽象——具体”的循环［34］，幼儿要真正理解“大概念”，必须通过亲身的经历与体验，在活动中感受大概念的内涵和意义。教师要帮助幼儿理解“大概念”，必须抛弃“灌输和强化”的科学教育方式，创造尽可能多的条件和机会，让幼儿去感知、体验和探究那些与“大概念”密切相关的“周围带”经验［30］。例如，教师想让幼儿理解“动物的习性是为了更好地适应生存环境”这一大概念，他需要引导幼儿去观察、去搜集尽可能多的关于动物生活习性与生活环境的信息，让幼儿在活动中去感知和理解“大概念”传递的规律，而不是让幼儿去记忆动物的具体习性是什么，记忆哪些动物住在哪里，因为记忆这些知识并不能让幼儿理解“大概念”的含义。因此，以“大概念”为核心重塑幼儿科学教育内容体系，能避免教师在实际教育过程中采用死记硬背、机械训练的教育方式，助力学前科学教育真正走出“小学化”误区。

第二，从我国《指南》和小学科学教育政策文本中已有大概念出发，参考美国学前科学“大概念”的设计经验，建构我国学前科学大概念内容要素体系。虽然目前我国学前阶段的科学教育还未能形成以大概念为核心的内容体系，但在中学和小学学段已经颁布了相应的政策文本（2017印发的《义务教育小学科学课程标准》和2022 年印发的《义务教育科学课程标准》），两份文件中的科学教育内容全部是以大概念为核心进行组织的。小学是与学前关系最为密切的学段，幼小科学学习如何平稳过渡是幼小衔接应该关注的重要内容。

美国《新标准》在设计科学大概念时充分考虑了大概念从幼儿园到高中的衔接问题，这是我们应该借鉴的。通过参考小学阶段的科学大概念，分析这些大概念在学前学段的学习适宜性，通过降低难度的方式将一些小学大概念转化为幼儿能够接受的水平。我国教育部2017 年颁布的《义务教育小学科学课程标准》从物质科学、生命科学、地球与宇宙科学，技术与工程四个领域选择了18 个供小学生学习的主要概念（即大概念），其中物质科学领域6个、生命科学领域6个、地球与宇宙科学领域3 个、技术与工程领域3个［23］。这些大概念都可以作为我国学前科学教育大概念设计的本土参照源。除此之外，《指南》中一些类似大概念的表述也可以作为我国设计学前科学大概念的参考，虽然《指南》的科学教育内容并没有以大概念为核心进行组织，但其很多目标描述已经初步显现出大概念的样态。例如《指南》科学探究目标3“在探究中认识周围事物和现象”中的一些表述——“能察觉到动植物的外形特征、习性与生存环境的适应关系”“能发现常见物体的结构与功能之间的关系”“感知并了解季节变化的周期性，知道变化的顺序”等，这些表述都类似科学大概念，我们在设计时可以将《指南》中这些零散的类似大概念整理出来，与小学阶段的大概念进行对照整合，初步形成我国的学前科学大概念体系。需要注意的是，科学大概念的选择并非随意的，需要广泛地征求意见。美国《新标准》中的大概念体系是“上下联合，多方参与”形成的［13］，综合了大量学科专家和课程专家的建议。美国研究理事会（NRC）、美国科学教师协会（NSTA）和美国科学促进会（AAAS）等多个重要学会都参与其中。因此，我国制定学前科学大概念除了参照《指南》和《义务教育小学科学课程标准》之外，还应组织相关的专家、学者和科研机构进行讨论，综合多方意见，形成真正适合我国学前儿童学习的科学大概念教育内容要素体系（如图2）。

图2 我国学前科学大概念教育内容要素体系构建的路径设想

（二）路径方面：以“认知理论和实证研究”为基础，构建幼小科学认知发展遵循的纵向进阶路径

美国学习进阶研究着力解决横纵两个方向的整合问题。横向科学内容要素的整合问题主要通过以科学“大概念”为核心的三维度内容设计解决。而纵向“各年龄段学习进阶如何确定”的问题，即“进阶路径”的确定问题是通过认知理论和实证研究解决的。

《新标准》物质科学修订组组长科瑞柴克指出，完整的学习进阶必须包含四大要素：1）大概念及对大概念的解析；2）界定清晰的各进阶层级，建构基于学习者视角的清晰的“阶”；3）能够区分学生所处水平层级的测量工具；4）促进学生发展的教学干预手段［43］。其中第2、3两个要素的确定是“进阶路径”研究关注的重点。

对于2）进阶层级的研究，首先必须明确什么是“阶”。学者巴蒂斯塔以登山做类比形象地进行了解释［44］。登山时，只要知道了出发点和终点，就能确定一条通往山顶的路线。这就好比教育中只要确定了学习的目标和学生的现有发展水平，就能为学生设计出一条从现有水平到达目标的学习进阶路径（如图3，引自巴蒂斯塔原文）。然而，预先设计的学习路径不一定能够符合学生的认知发展规律，这就导致实际学习过程中学生并没有按照我们所预想的路径前行，如同登山的过程中登山者够不到山路上的“脚踏点”（如图4，引自巴蒂斯塔原文）。因此，好的学习进阶应当力图确定符合学生认知发展的进阶层级。要做到这一点是非常困难的，因为学生的认知发展是一个受到诸多复杂因素影响的过程，人为确定的进阶层级往往很难与之完全贴合。安德森（Anderson）将这一问题的解决归结于“进阶变量”的确定。进阶变量是指阶与阶之间持续变化的差异点，进阶变量的确定需要经过理论和实践数据互证的过程［45］。选取恰当的进阶变量关系着阶层确定的合理性，查阅近些年学习进阶的相关研究，可以发现学者们对进阶变量的选择视角非常丰富，大体分为以下三类：第一类以科学知识本身作为进阶变量，这类研究多基于课程分析和对学生迷思概念的研究来划分进阶层级［46］。第二类以科学知识在学生头脑中的关联程度为进阶变量，例如加州大学伯克利分校的李熙石和刘莉迪以知识整合度（knowledge in tegration）为进阶变量描述学生对能量概念的理解［47］。第三类则参照更加复杂的认知发展理论来确定进阶变量，如纽曼参考了后皮亚杰理论和费舍尔的复杂度层级理论设计能量概念的学习进阶［48］。虽然学者们对进阶变量的选择视角和方法多种多样，但随着研究的不断推进，还是呈现出一种共同的发展趋势——从关注知识变量到关注认知变量［49］。从只关注一个维度的变量到关注多个维度的变量并构造多维度变量之间的关系图［50］。这种研究趋势启示我们：学生大概念的认知发展不可能通过一两个简单维度的进阶变量准确描绘，应该尝试用多个维度的进阶变量构建更为复杂的认知发展模型，这样才能拟合学生科学大概念认知的真实发展过程。确定了进阶变量之后，结合进阶起点（学生对科学大概念学习的起始水平）和进阶终点（学生对科学大概念学习水平的目标水平），就能提出学生学习某一科学大概念的进阶层级假设。当然，这仅仅是一种理论假设，假设是否符合实际须接受实证检验。学习进阶研究是在理论假设和实证验证两个部分的循环交互下，不断得到修正完善的［14］。因此，在提出某一科学大概念学习的进阶路径假设后，还需要在实际教学过程中不断收集证据去佐证和修订，直到进阶路径能较为准确地刻画出学生在真实学习情境中对大概念的认识过程为止。以美国佛罗里达州“生物与其生活环境的关系”这条大概念的学习进阶为例，该州早期科学标准将其划分出了六个学习进阶指标，包括从0 到8 个月“表现出对自身身体结构的好奇”，到8-18 个月“开始探索并与一些动植物互动”，到18-24 个月“探索并与更多动植物互动”，到24-36 个月（2-3 岁）“探索动植物的生长变化”，到36-48 个月（3-4 岁）“探究不同动植物与它们生活环境的关系并注意到不同生物间的相似性和差异性”，最后达成48 个月-学前末的要求理解“生物与其生活环境的关系”［37］。这种学习进阶设置符合幼儿的认知发展特点——当幼儿年龄较小的时候（0-36 个月），他们的已有经验和经验范围有限，活动方式以感觉经验的探索为主。这一时期幼儿依靠他们的各种感官收集有关自然和物质世界的信息。他们会了解到事物看上去什么样，听起来是怎样的，闻起来以及尝起来是什么味道。幼儿会发现事物可以做什么，不能做什么，以及自己的行为产生的影响，他人的行为产生的影响，一个物体作用于另一个物体产生的影响。因此此阶段理解大概念并不关注概念本身，而是关注于幼儿自身的感官体验和探索。当幼儿发展到学前初期时（36-48 个月），他们的兴趣和能力不断增强，经验范围不断扩大，观察能力由多到少、由简单到复杂、由孤立到联系发展，这一阶段他们不仅能够关注到环境如何影响动植物的特性和表现，还渴望用语言表达自己的发现。因此此阶段幼儿有能力探究不同动植物与它们生活环境的关系。当幼儿发展到学前末期（48 个月），他们的理解能力和概括能力进一步增强，能够最终在前期各种探索经验的基础上理解“生物与其生活环境的关系”，即生物通过各种特征对其生活环境的适应［51］。

图3 学习进阶路径登山类比图

图4 学习进阶“脚踏点”类比图

对于3）水平层级测量工具的研究，实质上是寻求“有代表性、稳定且能表征学生发展的观测证据作为检验和修正进阶路径的依据”［52］。目前研究中最常见的做法是先观察搜集需要的心理测量数据，再利用统计分析模型说明学生的进阶情况。其中采用最为广泛的统计分析模型是项目反应理论（Item Response Theory，IRT）和潜类别分析（Latent Class Analysis，LCA）。项目反应理论以拉什模型拟合试题难度与学生能力参数，据此来描述学生的进阶情况［53］，这种模型将被试能力参数与项目难度参数统一起来，克服了经典心理测量理论分析结果难以推广到更广泛的被试群体的弊端，能有效验证学生能力的增长与项目难度之间的对应关系。潜类别分析则通过学生的应答模式矩阵来判定学生所属类别，进而与进阶假设中的各层级对应，描述学生的进阶情况［54］。两种统计分析模型是目前心理测量学中最先进的验证进阶路径的方法。

我国学前科学教育在确定了以“大概念”为核心的科学教育内容体系后，应对每一个科学大概念开展进阶路径的研究——先根据多种与学前儿童认知相关的理论确定进阶变量，提出每一个科学大概念在3-4 岁、4-5 岁、5-6 岁以及幼儿园到小学低年段完整的进阶层级假设，接着在真实的教学实践中展开行动、收集数据、模型验证、修正完整，这样才能真正构建起幼小科学认知发展遵循的纵向进阶路径（见图5）。

图5 学前科学大概念进阶路径研究的过程构想

美国一直以来都将科学教育的发展置于国家战略高度，不断以新的科学教育研究与实践成果为依据变革国家的科学教育。时值中美博弈愈演愈烈的今天，我们必须认识到，中美博弈的实质其实是中美科技力量的博弈，从教育角度来看，就是中美科学教育的博弈。学前科学教育作为科学教育的起点，其质量为整个基础教育学段的科学教育奠基。当前我国学前科学教育应该重视和把握美国学习进阶的研究成果，构建适宜我国幼儿学习的科学“大概念”内容体系以及每一个大概念之下中国幼儿的学习进阶路径，以此促进我国幼儿园科学教育内容和师资水平的高质量发展，努力将幼儿园科学教育推向世界一流水平。