论中小学科学教育的内容选择与表达方式——兼谈科学教育需要什么样的大概念

何善亮

随着《科学教育的原则和大概念》《以大概念理念进行科学教育》等有关科学大概念著作的翻译出版，以及《义务教育小学科学课程标准》《普通高中物理课程标准（2017年版）》等课程文件的颁布，科学大概念（科学观念）①我们通常所说的科学大概念（Big Idea），本质上属于科学观念范畴，或者是译者简单翻译的原因。其实，英语单词Idea本身就具有“思想”和“观念”的意义。因此，下文中不再区分科学大概念和科学观念这两个术语，一律写为科学大概念。特此说明。业已成为科学教育研究者及实践者的日常话语，并对我国科学教育改革产生了重要影响。然而，科学大概念究竟意味着什么？我们究竟需要什么样的科学大概念？换言之，如何选择科学教育大概念的内容主题与表达方式？这些都是开展科学大概念教育必须直面与回答的问题。

一、科学大概念是科学教育改革的一种历史选择

科学技术的迅速发展，特别是互联网技术和人工智能的广泛应用，使人类正式进入了知识爆炸和知识经济的新时代。时代巨变同样也影响着科学教育领域的变革，并对科学教育内容的选择与表达提出了新的要求。可以说，大概念科学教育就是对于这一广泛社会变革的积极应对。

（一）科学教育内容选择的指导思想

旨在提升学生科学素养的科学教育，必须借助于一定的科学教育内容才能完成。在知识更新周期越来越短的背景下，中小学科学教育究竟选择什么内容和多少内容，是我们不得不面对的问题。

科学教育必须选择具有普遍适用性的内容。科学教育内容的普遍适用性指的是所选的内容能够解释在自然与社会中较大范围内的物体、现象和事件。这些物体、现象和事件在学生的人生旅途中可能会遇见或经常出现，甚至可能会贯穿于人的一生。科学教育内容可以涉及不同的科学领域，展现出不同维度的侧重，并根据与物体、现象和事件的关联程度进行内容组织，帮助学生理解在校期间或学业结束后生活中遇到的各种现象与问题，为学生科学认识和欣赏自然奠定基础。总之，普遍适用的科学教育内容，一方面能够帮助学生理解与认识这个广阔而复杂的世界，帮助学生树立正确的世界观，另一方面为学生步入社会做好充分的科学知识储备。

科学教育必须选择具有文化意义的内容。科学是人类文化的重要体现，当然也可以说科学实质上也是一种文化。当我们从认识论、科学技术应用及文化层面来看，科学还表现出相应的人文性特征。然而，如今的科学教育往往只注重科学的科学性，却忽视其人文性，为做到科学性与人文性的相对均衡，能够将真正完备的科学知识传授给学生，科学教育需要选择具有一定文化意义的教育内容。科学教育内容的文化意义具体可以体现为促进学生对科学本质的理解、对人类自身的认识及促进学生的全面发展，例如有科学内容提到关于对人类存在所造成影响的看法，通过回顾人类科学发展成就的历程，了解人类在利用自然、改造自然过程中对环境的影响，以揭示背后所蕴含的文化内涵，培养学生保护环境的意识。

科学教育必须选择有助于学生决策能力培养的内容。培养具有理性的人是科学教育目标的重要体现，面对复杂问题能够做出明智的决策判断，是衡量学生是否具有理性的重要标志。一般而言，理性是指人在正常思维状态下为获得预期结果，能够冷静面对现状，全面分析各种可行性方案，筛选出最佳方案，并对其有效执行的能力。因此，学生理性的形成离不开科学教育对学生决策能力的培养。为了有效地培养学生的决策能力，科学教育的内容选择需要考虑内容的广度、深度与综合程度。选择的内容涉及领域要广，解释的范围要够大（但并不意味着内容要多）；要有一定的深度，能够深入地阐释科学概念及科学事实。除了突出具体学科科学专业知识外，也要有不同科学领域知识的有机综合，当学生面对复杂问题时，内容的广度为学生提供了充分的知识储备，知识深度则让学生分析问题更加透彻，而内容的综合性能够培养学生的跨学科思维，这些都是学生做出正确决策的重要基石。

科学教育必须选择有助于学生积极情感态度培养的内容。积极情感态度包括学生悦纳自己、包容他人的人生态度，接受、热爱自然的正确自然观，乐观向上、充满自信、意志坚定、勇于挑战的积极心态等。在确保科学性的同时，科学教育内容还应具有深层次的思想文化内涵，确保对学生正确思想观念的形成有一定促进作用。在科学教育中培养学生的积极情感态度，不仅是对学生科学学习的一种促进，更是学生形成正确的世界观、人生观与价值观的重要途径。此外，科学教育内容还需要密切联系生活，能为学生解决有关自身、自然与社会方面的问题提供帮助，学生通过经历这些问题的探索与思考过程，逐渐增强自信，收获问题解决所带来的满足感和成就感，进一步促进积极情感态度的形成。

（二）科学教育内容表达的理想方式

科学教育内容不仅涉及物理、化学、生物、地质等多个学科领域，而且还涉及科学事实、科学概念、科学大概念、科学主题等多个认识层次和水平。其中，科学大概念包括科学规律、定律、法则及原理等具体表述形式。与科学主题相比，科学大概念显得更加具体，同时，又可以把科学事实和科学概念等内容进行有机的整合，不仅是构成科学教育的核心内容主题，而且还是科学知识内容最为集中也最为理想的表述方式。

倡导科学大概念的科学知识表征方式，首先源于科学大概念的教学有助于学生实现科学观念（前概念）的转变。在科学知识体系中，科学大概念具有最深层次的内涵，并对学生科学思想的塑造起到决定性作用。［1］实施科学大概念的科学教育不仅能进一步实现教学内容的结构化和知识的系统化，有助于学生树立正确的科学观念，并以此指导他们健康的生活与工作，而且还能够充分激发学生探索新知的欲望，引起学生更为强烈的认知冲突，促进学生主动建构知识，实现从“前概念”向科学观念的转变。我们知道，学生原有的“前概念”也多是以科学大概念的形态存在的，只有以科学大概念来表述科学教育内容，从科学教育内容中提炼出包括基本的科学观念、科学本质观、科学世界观等不同层次的科学大概念，为学生构建具有不同层次水平的科学大概念体系，才能帮助学生全面而深入地认识科学，促进对科学知识的掌握与思维品质的提升。

倡导科学大概念的科学知识表征方式，更源于脑神经科学对科学大概念促进有效学习因素的确认。［2］（P2）科学大概念不是零散的、片断化知识的简单堆积，而是有组织、有结构的科学知识与模型。这一结构化与模型化的科学知识有助于学生应用知识及快速准确地做出决策。日本科学家曾经做过一个有趣的实验，利用功能核磁共振成像研究在下棋过程中专业棋手与业余棋手做决策时的脑激活区域，结果显示出专业棋手的激活区域集中在基底核，该部位所保存的是非陈述性记忆，而业余棋手的激活区域表现得十分分散。非陈述性记忆的形成是棋手长期训练经验积累和学习模仿的结果，也就是说专业棋手经过长期结构化和模型化的棋谱知识的学习，能够帮助它们在遇到问题时迅速地运用知识做出恰当的决策，而业余棋手所得到的知识是零散的、碎片化的，在头脑中并未形成完整的知识体系，因此并不能有效地进行知识的运用。脑神经科学研究也表明，存在联系的概念是概念应用的重要基础，互相联系的概念在遇到新情况时要比独立的概念或知识点更容易被运用。

倡导科学大概念的科学知识表征方式，在根本上还是源于科学大概念在科学知识体系中的独特价值。科学大概念是在事实的基础上产生的用以表述概念间关系的深层次、可迁移的观念，埃里克森将其称之为“基本理解”或“抽象概括”。［3］（P93-102）科学大概念基于科学事实，又超越科学事实，是将蕴含在科学事实之中的科学思想、科学观点、科学方法等抽象概括出来，并用概括性语言表达出来的观念性认识。科学大概念不是单纯的科学概念知识，也不是科学概念知识的简单叠加，而是对科学概念知识关系的精确表述，可以揭示科学概念知识以及核心概念知识的内在本质。当然，为适应学生认知能力与思维水平的发展，教育内容中的科学大概念表述往往趋向层次化，随着层次逐渐递进，科学大概念会变得更加具体，所包含的概念会越来越多，对于学生来说也更具有挑战性。

二、国际科学教育研究报告和部分课程与教材中的科学大概念

科学大概念的教育价值已经受到国际社会的广泛认可，国际科学教育会议报告、美国和新加坡等国家课程文件及教材中均有科学大概念的身影。因此，学习国际科学教育会议报告的科学大概念研究成果，分析相关课程文件中关于科学大概念的具体描述，总结科学教材编写中科学大概念表述的优秀经验，无疑对科学大概念的内容选择与表达方式有着重要的借鉴意义。

（一）国际科学教育会议提出的科学大概念

2009年与2014年，在苏格兰相继召开了两次高水平的科学教育国际研讨会，明确提出了14个科学大概念，即“宇宙中的物质是由非常小的微粒组成的”、“物体在一定距离内会影响其他物体”等10个关于科学知识的大概念（idea of science）和“科学认为每种结果的产生都会有一种或多种原因”、“科学应用经常会对伦理、社会、经济与政治产生影响”等4个关于科学本身的大概念（idea about science）。［4］（P21-23）会议认为，学生通过对大概念的科学学习，除了能解释自然现象与事件外，还应该知道科学概念是如何产生的，了解科学与技术之间的相互联系，以及科学的应用也可能会对社会的政治、经济和伦理产生影响。在大概念的表达方式上，采用结合具体科学内容和科学本质的命题式表达，便于人们对于科学大概念的理解和把握。

与此同时，会议对趋向大概念的学习进程有详细的说明，认为从小概念一步一步发展到大概念是学生不断学习、接受科学概念的过程。因此，在每个大概念下，需要根据学生的年龄设置适用不同年龄阶段的概念解释，建立以阶段概念为基础的趋向于大概念的解释框架。每一阶段概念的掌握为下一阶段的概念学习打基础，在各阶段概念的紧密衔接下形成了趋向于大概念的学习进程。

（二）美国《下一代科学标准》中的科学大概念

美国在2013年颁布了《下一代科学标准》（Next Generation Science Standards，以下简称NGSS），将科学教育确定为物质科学（PS）、生命科学（LS）、地球与宇宙科学（ESS）及工程、技术与科学应用（ETS）等四大领域，提出了“物质及其相互作用”、“从分子到生物体：结构和过程”、“地球与人类活动”、“工程设计”等13个学科核心概念（disciplinary core idea）［5］（P25），形成了由学科领域到学科核心概念，再到子概念的层层深入、逐渐细化的概念层次体系。这里所说的学科核心概念主要涉及科学规律、法则、原理等层面的内容，本质上就是科学大概念，并借助于名词或短语以概念陈述的方式加以表述。此外，NGSS中的“模式、因果关系、系统和系统模型、结构和功能、系统的稳定性和变化”等跨科学概念，本质上也是科学大概念。

在纵向维度上，学科核心概念体现为学习进阶的方式，这种方式贯穿于K-12年级，并以螺旋递进的方式反复出现在各学习阶段中。这种基于学习进阶的趋向大概念的设计,有助于学生科学知识整体框架的搭建以及思维逻辑性的提升。

（三）新加坡科学教学大纲中的科学大概念

新加坡科学教学大纲是新加坡科学教育的指导性文件，以跨学科主题形式架构科学内容是其明显特色。在《小学科学教学大纲》（Science Syllabus Primary）中选择了五个跨学科概念，分别是多样性、循环、系统、能量与相互作用；在《初中科学教学大纲（快捷和普通学术课程）》（Science Syllabus Lower Secondary Express/Normal〈Academic〉Course）中则比小学少一个跨学科概念（大概念），分别是多样性、模型、系统与相互作用。［6］这些跨学科概念包含了生命科学领域和物质科学领域中的许多核心概念，而这些核心概念能够帮助学生理解世界或是进行更深入的学习。

依据学段（3-4年级学段，5-6年级学段）的不同，每个跨学科概念会进一步细分为多个次级核心概念（大概念），这种螺旋递进、层层深入的概念细分方式充分考虑到对学生认知发展的影响，能够帮助学生逐渐理解概念并掌握相关技能。比如，在“相互作用”跨学科概念下分为3个次级核心概念，即“力的相互作用（磁力）”、“力的相互作用（摩擦力、弹力、重力）”与“内环境的相互作用”，体现了概念划分的逻辑性与全面性。从内容上看，次级核心概念涉及跨学科维度，比如“能量守恒”、“植物的结构与功能”，是对大量普通概念的整合，因而对教学提出了更高的要求。

与新加坡科学教学大纲相一致，新加坡科学教材（My Pals are Here!Science）也特别关注科学大概念。教材选用了系统、多样性、能量等具有前瞻性的跨领域概念和学科核心概念为主题，应用螺旋型递进的课程架构方式，逐渐形成了一个彼此联系、相互连贯、反映科学本质的小学科学课程体系。［7］这些内容会延续到学习者以后的学习和生活中，并极有可能影响学习者对新知识的探索和获取以及未来的科学学习，也避免了教科书仅仅是提供大量浅显的主题,从而为教师和学生深入探索每一个概念提供更充裕的时间。

（四）美国Science Fusion教材中的科学大概念

相对于课程文件而言，科学教材中的大概念内容选择与表达方式对于教学的影响更为直接。就笔者研究所及，美国加州公办小学正在使用的一套科学教材Science Fusion（K-5）充分体现了通过科学大概念整合课程内容的编写特色。Science Fusion（K-5）科学教材共56单元，每一单元都围绕一个大概念展开，范围涉及物质科学、生命科学、地球和宇宙科学以及工程、技术与科学的应用诸领域。例如，Science Fusion科学教材G2年级所涉及的单元大概念有：“科学家提出关于自己周边世界的问题，他们使用各种研究方法寻求答案”；“工程师使用某种方法来创造新技术以满足人类需求，技术影响我们的日常生活以及周边环境”；“植物需要某些物质帮助它们生长发育，植物体中的某些部分能够帮助它们生长”；“地球表面会发生变化，人们需要岩石、植物和水等地球资源”；“地球是太阳系中的一颗行星，地球会有昼夜变化”；“物质会有不同的性质，物质可以是固体、液体或是气体，物质的性质会变化”等。［8］（P2）这些大概念非常具体，适合学生的认知发展水平。

Science Fusion科学教材在单元开头呈现科学大概念，并围绕科学大概念提出关键性问题，每个关键性问题就是一节课的标题，每节课内容就围绕关键性问题的解答具体展开。Science Fusion还将大概念学习加以结构化、模式化、进阶化处理，以引导学生通过对各单元的层次性学习，形成对大概念更深刻和清晰的认识。这不仅体现了对学生认知发展水平的适应，也为大概念理念指导下的科学教材编写或者说大概念与教材的融合提供了一种新的思路与经验。

三、中小学科学教育内容选择与表达方式的改进建议

基于上述分析可以发现，在中小学科学教育的内容选择与表达方式上，不同国家的科学教育文件及科学教材设计具有一些共同的特征，但同时也表现出各自的特点。综合这些研究成果并结合我国中小学科学教育实际状况，就内容选择和表达方式问题提出如下建议。

（一）要进一步明确科学大概念的具体内涵

应不断丰富和完善以科学大概念为核心的中小学科学教育内容。在知识经济社会，学生需要对科学有着全面而深入的认识，以帮助他们在社会上立足和更好地发展。因此，以科学大概念为核心的中小学科学教育的内容选择必须秉持“少就是多”、“科学知识与科学实践（包括工程实践）相统一”的基本原则，选择那些在多个领域具有广泛重要性或是一个学科的关键性内容、理解或研究更复杂内容和解决问题的基础内容、与学生兴趣和经验有关或与社会生活实践有关的内容、在各个年级都可以进行不同水平教学并且难度和深度随年级增加的内容。［9］（P25）中小学科学教育的内容选择不应只涉及科学知识单一维度，还需要进一步丰富和完善科学大概念的基本内涵理解。

中小学科学教育的内容选择必须关注学科核心概念（包括科学本质概念及科学社会概念）与跨学科概念。以科学大概念为核心的中小学科学教育内容应该包括两个层次：一个是学科（物质科学、生命科学、地球与空间科学等）核心概念——不同科学学科领域中与下位具体科学概念相联系的大概念，包括科学教育国际研讨会中明确提出的科学本质概念及科学社会概念，以及课程标准文件中提到的技术与工程概念；另一个是通用概念——与不同科学学科领域的核心概念相联系的更上位的跨学科概念，例如自然界或人工领域中的因果关系，常用于解释各种变化。如美国NGSS中提到学科核心概念以及跨学科概念，新加坡科学教学大纲中也提及跨学科概念，科学教育国际研讨会及相关课程文件中明确提出科学本质概念及科学社会概念等。而我国的《小学科学教育标准》及高中物理（化学、生物学）课程标准中则很少提及跨学科概念，对于科学知识是如何产生的等科学本质问题的关注也不够。因此，我国中小学科学教育的内容选择必须在跨学科概念、科学本质概念及科学社会概念等方面给予更多的重视和实践。

中小学科学教育的内容选择必须处理好学科核心概念与跨学科概念、科学知识与科学实践的关系。从概念分类的角度看，学科核心概念与跨学科概念是既对立又统一的。所谓对立是指学科核心概念与跨学科概念的侧重不同，所谓统一则是指它们存在着交集，跨学科概念也可以是学科核心概念（例如能量概念）。但是，无论这两种概念的划分是否恰当，它们都是大概念内涵的重要组成。此其一。其二，科学教育国际研讨会提到的科学本质概念和科学社会概念，涉及当今学生严重缺失的有关科学本质、科学概念产生机制、科学与社会间关系的知识内容，因此，科学教育也需要让学生知道科学概念是如何产生的、科学的本质特征是什么、科学与社会之间又存在怎样的联系，通过培养学生基本的判断概念对错的能力以及建立科学与社会的联系纽带，促进他们对周围世界的理解，这也是时代发展步入知识经济社会的必然要求。其三，科学的应用产生技术，应用各种技术对已有物质资料及环境加以系统开发、生产、加工、制造就产生了工程，因此科学、技术与工程三者是紧密联系的。通过技术与工程概念的学习，在理清科学、技术与工程三者关系的同时，也为学生提供综合应用各方面知识（科学知识）和动手“做科学”（科学实践）的机会，这也是技术与工程概念教育价值的重要体现。

（二）要充分考虑科学大概念的使用情境

要善于根据使用情境选择中小学科学教育内容的表达方式。我们知道，作为科学知识的一种重要表现形式，科学观念因其可以整合科学事实与科学概念等内容而成为科学教育内容最为理想的表述方式。但是，这一认识是基于学生学习视角而言的，它能否在所有的情境（例如课标、教材、学生学习内容等）下成立，依然是一个需要进一步思考的问题。

一是中小学科学教育内容的表达必须根据具体情境选择科学主题或科学大概念的形式。为了考察各种教育情境下科学教育内容的理想表达方式，回顾美国学者古德莱德提出的理想的课程、正式的课程、领悟的课程、实行的课程和经验的课程等五种不同课程形态具有一定的启发意义。在上述五种不同的课程形态中，经验的课程是学生在课堂学习中实实在在体验到的课程，它直接来源于课堂上实际实施的课程（实行的课程），并与教师所领悟的课程（领悟的课程）直接相关。在这三种课程形态中，科学知识的表征方式直接影响学生的学习，因而从有利于学生有效学习的角度考虑，科学知识的理想表征方式更应该是科学大概念。但是，能否从上述结论进一步推论出，由教育行政部门规定的课程计划、课程标准和教材（正式的课程），是否也应该是用科学大概念表征科学内容呢？答案似乎没有那么简单。一方面，科学大概念依然是科学知识的理想表征方式；但是另一方面，科学主题（在语言描述上表现为“科学术语”）则起着更为上位的指导作用以及组织作用。

事实上，相对于某一科学观念，科学主题可以包括更多的科学教育内容。例如，“力与运动”的科学主题，比起“力作用于物体，可以改变物体的形状和运动状态”的科学观念，则有更丰富的科学内容。美国及新加坡等国在国家课程文件（NGSS和《教学大纲》）中，均在某一科学主题领域（科学术语）之下，以科学大概念的方式表述科学教育内容，而比课程标准等文件更为具体的科学教材（例如美国Science Fusion），则可以直接围绕科学大概念提出关键性问题来组织和架构教材，充分体现了不同情境下中小学科学教育内容在表达方式上的差异性。例如，我国《义务教育小学课程标准》没有采用科学主题领域（科学术语）之下的科学大概念表征方式，而是直接以科学主要概念来表征科学教育内容（标准），能否在科学教育内容选择上具有更大的包摄性，能否与高中相关学科课程标准中的“科学主题”、“科学概念（观念）”的形式保持一致性并进而体现科学教育的进阶性［10］（P5）［11］（P4），这也是一个需要思考的问题。

二是中小学科学教育内容的表达必须注重跨学科概念与学科核心概念的关系。在论及中小学科学教育内容的表达方式问题时，还涉及到如何打通学科（物质科学、生命科学、地球与空间科学等）核心概念与通用概念（跨学科概念）二者的联系问题。对此，加拿大安大略省的课程标准架构以及新加坡的科学教材编制，分别从课程标准与教材建设层面为我们提供了经验。安大略省科学技术课程标准（1-8年级）围绕通用概念和核心概念整合的知识内容，同时核心概念作为内容框架的重要纽带，联接通用概念和课程总目标，进而与总体学习期望和具体学习期望形成联系，构成了具有高度整体性的课程标准基本内容框架。［12］新加坡现行初中科学教材精选物质科学与生命科学两大领域核心内容，以通用概念单元（包括多样性、模型、系统、交互作用等通用概念单元）形式构造教材主体并且每单元的内容编制紧密围绕承接通用概念的相关核心概念展开，以达到跨学科主题单元内容的有效整合，力求让学生从宏观到微观整体把握教材［13］（P24），进而让学生真正而全面地理解和把握科学大概念。

（三）要加强科学大概念的本土实证研究

应不断加强中小学科学教育内容选择和表达方式的实证研究。在知识经济社会，中小学科学教育内容究竟该如何选择，是一个并非靠过去经验及国际借鉴就能简单解决的问题。为了科学地回答这一问题，一种可取的途径是借助于德尔菲法开展实证研究。例如，毕华林等人通过来自全国高等院校和科研院所的33名专家共同体的多轮调查发现，基于我国社会发展背景和学生全面发展需求，主张中学理科课程应重点培养学生实事求是的科学态度、发现和提出问题的能力等13项科学能力和价值观念。［14］尽管这一研究在调查对象的选择上没有拓展到更为宽广的职业领域（局限于高等院校和科研院所的教学研究人员），但这一研究方法和研究发现，对于回应我国中小学科学教育内容的选择问题无疑有着重要的示范和引领价值。

在中小学科学教育内容的具体表达方式上，我们也需要根据使用情境适当选择合理的表达方式。为了提升科学教育内容的包摄度（涵盖度），我们也许要

从更上位的科学主题（科学术语）入手，并将其在横向和纵向两个维度上进一步加以分解与细化——在横向上进一步将科学主题（科学术语）分解为多个科学大概念，而在纵向上注重处理好每一科学大概念抽象性与具体性之间的平衡，以适应学生认知发展的真实水平。为此，我们既需要研究发达国家在围绕大概念组织知识内容和建构统一的概念体系的课程特色，明确我国与发达国家科学课程标准在课程的整合设计、研究基础等方面存在的差距，更需要借助于属性层级关系模型（一种认知诊断模型）、Rasch模型等数理统计分析方法探究以学生学习为中心的科学主题、科学大概念、科学概念之间的逻辑关系，以及在科学观念逐级分解的基础上，开展本土的科学观念（也会涉及科学概念内容）教学（学习）的进阶实证研究。我们已经看到了一些学者关注了这一问题，例如，北师大的刘恩山、王磊、郭玉英等教授团队，以及华东师大的王祖浩教授团队均已经在学习进阶的研究领域开展了各具特色的研究。［15］［16］［17］但是，从已有的研究成果看，可能还需要更多人并且更系统地关注这一问题，并在此基础上设计合理的学习进阶，以促进课程、教学和评价领域的整体变革以及学生科学素养的连贯发展。