大概念的特征及其对科学教学的启示

郑青岳

(浙江省玉环市教育教学研究中心，浙江 台州 317600)

大概念是近年来逐渐走进基础教育界,并逐渐被教育科学研究者和广大教师关注的一个重要课题．英国学者温·哈伦在《科学教育的原则和大概念》一书中指出:所谓“大概念是指可以适用于一定范围内物体和现象的概念”;[1]而小概念是指“只运用于特定观察和实验的概念”.[1]对于大概念的作用,美国学者格兰特·威金斯和杰伊·麦克泰格在《追求理解的教学设计》一书中指出:“大概念可以帮助学生将各个知识联系起来．大概念作为教师教学的得力助手,发挥着‘概念魔术贴’的作用,它有助于知识和技能的整合,并使之在大脑里得以巩固．”[2]大概念具有哪些典型的特征,这些特征对于科学教学能够提供哪些有益的启示?

1 抽象性

大概念并非由小概念堆积而成,而是由小概念抽象概括出来的,它反映的是事物更为隐蔽、更为本质的东西．当概念逐渐变大时,建构概念的事实的外壳就被逐渐剥掉,它离实际事物的距离也就更远,呈现的形式就更为抽象．例如,功能与结构相适应是一个大概念,它不像耳廓的喇叭形结构能够使声波得以放大这个小概念那么具体地反映事物之间的关系．但正是大概念的这种抽象性,使它成为具有广泛应用的概念．这也启示我们,科学知识的建构虽然需要大量事实材料的支撑,但科学并不是事实材料的简单堆积．科学教育应当让学生趋向这样的目标——“逐步提高阐明物体特性的能力,能考虑到用不直接观察到的特征来阐明物体的特性”．[1]以大概念理念进行科学教育,要求我们不能满足于让学生去记住一个个孤立的事实,而应当引导学生透过事实理解其深刻的本质．

但是,大概念的抽象性并不是对具体事物(小概念)的离弃,而是它拥抱了更为丰富多样的具体事物．大概念的建立使我们的思维摆脱了具体事物的束缚,从而使自己的视线得以放高、视野得以放大,它既为已知的具体事物建立了理解的框架,又将更多相关的具体事物纳入这个框架之中．在这里,抽象的大概念为具体的事物起到统辖的作用,而具体的事物则对大概念建立起到奠基的作用．如果没有大量具体事物的支持,抽象的大概念就容易变成空中楼阁,成为“没有被充分理解的惰性知识,而支撑大概念的具体案例越丰富越多样,它的可迁移性就越强”．[3]事实上,人们头脑里的抽象概念也正是在不断返回新的具体事物的过程中,才得以逐渐变大的．专家的思维虽然是以大概念来组织的,但专家的知识常常镶嵌在应用的情境之中．专家的思维总是自由地行走在抽象和具体之间,他们既能善于从具体的事物中抽象出大概念,使自己能够从高位俯瞰具体的事物,又能将抽象的大概念应用于具体的事物之中,用大量鲜活的具体事物去丰富、检验、修正大概念,赋予大概念成长的活力,拓展大概念驰骋的疆域．所以,专家在解决问题中能够做到既总揽全局,抓住事物的本质,又不放过影响全局的关键细节,表现出极高的思维力．

大概念的抽象性以及抽象和具体的协同性启示我们,在科学教学中,我们不能停留在具体知识的教学,而应及时将具体的知识抽象化,当引出更为抽象的高位概念后,又要及时将它返回到对更多具体事物的认识上．例如,当学生得出力的平行四边形定则后,我们应当将它进展到所有矢量的合成都遵守平行四边形定则这一大概念．然后让学生利用这一大概念进行位移、速度和加速度的合成,从而使矢量合成的大概念得到广泛的迁移．

2 统整性

大概念又称为核心概念或框架概念,它是一个学科中最精华、最有价值的内容．说大概念为核心概念,是因为大概念处于学科的中心,反映的是一个学科最有价值的内容．说大概念是框架概念,是因为大概念能够帮助学习者对自然现象和实验现象,以及相关的小概念建立起理解的框架．

大概念联系着许多小概念,是众多小概念的上位概念,具有更大的统领性和适用面．大概念使许多下位知识有了固着点,它将许多看似杂乱的经验和孤立的事实组织起来,从而使知识系统化、连贯化、结构化,而“相互有联系的知识要比分离的知识碎片更容易用于新遇到的情况”．[4]威金斯、麦克泰格把大概念比作一个车辖(如图1箭头所指)．车辖能够将车轮固定在车轴上,而大概念可以将众多的知识建立起有层次结构的整体．温·哈伦还用拼图来类比大概念对知识的统整作用．如图2是一个大象的树叶拼图,如果没有拼成大象,这些形状各异的树叶是彼此孤立的,正是大象的图像把这些树叶组织成一个有机的整体．大概念就类似于大象的图像,而与大概念相关联的各个下位的小概念就类似于构成大象拼图的各片树叶．正是大概念把众多的知识组织成一个存在内在关联的整体,否则,这些知识就会成为彼此孤立的碎片化的知识．

图1

图2

大概念的统整性启示我们,科学教学要防止知识的碎片化,要积极引导学生寻找各个相关知识的上位概念,用处于上位的大概念把相关知识统整起来．

案例1.功与能的关系

功是能量转化的量度(即W=ΔE),这是科学中的一个大概念．这个大概念与其众多的下位概念构成一个逻辑结构严密的整体(如图3)．

图3

在这里,“功是能量转化的量度”这一大概念将各种不同类型的功与相应的能量变化关系统整在一起,形成富有逻辑层次的结构．各个下位知识使抽象的大概念具体化,从而使我们丰富对大概念的理解;大概念则是各个小概念的上位知识,它使学习者理解各个小概念有了一个坚固的锚点．

3 迁移性

知识的迁移是以理解为基础的．迁移有低通路的迁移和高通路的迁移,低通路的迁移是在新事物与原事物相似的情况下发生的,其迁移模式是“具体→具体”．例如,液体和气体都具有流动性,将液体对流的知识迁移到气体的对流上;将液体压强与流速的关系迁移到气体压强与流速的关系上,都属于低通路的迁移．高通路的迁移是在新事物与原事物不相似的情况下发生的,其迁移模式是“具体→抽象→具体”,在这一过程中,前一阶段是由特殊到一般的过程,运用的是归纳思维;后一阶段是由一般到特殊的过程,运用的是演绎思维．可见,高通路的迁移需要以概括为中介,而大概念是概括的成果,它为高通路迁移奠定了基础．

大概念的可迁移性启示我们,在科学教学中,在善于引导学生异中比同,发现貌似不同的事物深处的共同原理,以及解决不同问题的共同策略,以促进知识在广泛的范围内发生有效的迁移,从而极大地提高学习的效率和思维的经济性．

案例2.功的原理

学生在学习简单机械知识时,对杠杆和滑轮有一定的认识，如图4(a)、(b)．从功的角度考虑,我们还可以得出(推导过程从略):不计摩擦和杠杆自重时,利用杠杆将重物举到相同高度所做的功,等于直接将重物举到同样高度所做的功;不计摩擦和动滑轮自重时,利用动滑轮将重物举高所做的功,等于直接将重物举到相同高度所做的功．由此可以概括出:如果不考虑机械自重和机械的摩擦,利用机械对物体做的功,等于直接对物体做的功．如果考虑机械自重和机械的摩擦,利用机械对物体做的功,要大于直接对物体做的功,即利用机械不省功．这就是功的原理．

(a)

功的原理是一个大概念,它普遍适用于一切机械．我们可以将这一大概念迁移到轮轴、斜面、螺旋、液压机等各类机械上,推导出利用这些机械工作时用力的表达式．

大概念涉及的是更为基础性、一般性的知识,因而具有更为广泛的迁移效应．正如布兰思福特在《人是如何学习的》一书所说的:“在学习特定主题或技能之前,没能在一个更大的基础性框架背景下认清这些主题或技能所处的情境,这样的教学是不经济的……对基础性原则和观点的理解是培养迁移能力的主要途径．将事物作为一般性事例(意味着更具基础性的框架)的一个特例来理解,就是不仅仅要学习该特例,还要将其作为其他可能遇到的类似事物的模型来理解．”这里所说的“更大的基础性框架”“基础性原则和观点”“一般性事例”“其他可能遇到的类似事物的模型”,实际上就是指大概念．

4 相对性

在谈论大概念这一话题时,人们很自然会问:多大的概念才称得上大概念?事实上,概念的大小是相对的．正如温·哈伦所说的:“任何对较少现象适用的概念,都会联系到一个适用于数量更多现象的较大概念,以此类推,较大的概念又可以归入一个更大的、更广泛的概念．”《追求理解的教学设计》一书也表达了类似的观点,该书指出:“多‘大’才算是‘大概念’?如果抛开课程和学科目标,这个问题是没有答案的．有些概念确实明显比其他概念大,即概念的内涵更广泛,有更强的可迁移性和影响力．”

大概念的相对性启示我们,在科学的每一个方面,都存在由不同层级的概念构成的概念序列．层级越高的概念,反映的是事物更为本质的属性或特点．在物理教学中,我们不但要关注处于顶极位置的大概念,同时也要关注众多处于中间位置的大概念,要引导学生寻找每一个概念的上位概念,并将较低层级的大概念向较高层级的大概念推进,从而对物理知识的理解逐渐深化和扩大,使知识发生更为广泛的迁移效应．

5 多样性

大概念中的“概念”与我们平常所说的力、速度、电流、电压等科学概念不同,其意义是非常宽泛的．对于大概念的内容,温·哈伦在《科学教育的原则和大概念》一书中提出了如下14个科学大概念.

科学概念

(1) 宇宙中所有的物质都是由很小的微粒构成的．

(2) 物体可以对一定距离以外的其他物体产生作用．

(3) 改变一个物体的运动状态需要有净力作用于其上．

(4) 当事物发生变化或被改变时,会发生能量的转化,但是在宇宙中能量的总量总是不变的．

(5) 地球的构成和它的大气圈以及在其中发生的过程,影响着地球表面的状况和气候．

(6) 宇宙中存在着数量极大的星系,太阳系只是其中一个星系——银河系中很小的一部分．

(7) 生物体是由细胞组成的．

(8) 生物需要能量和营养物质,为此它们经常依赖其他生物或与其他生物竞争．

(9) 生物体的遗传信息会一代代传递下去．

(10) 生物的多样性、存活和灭绝都是进化的结果．

关于科学的概念

(11) 科学认为每一种现象都具有一个或多个原因．

(12) 科学上给出的解释、理论和模型都是在特定的时期内与事实最为吻合的．

(13) 科学发现的知识可以用于开发技术和产品,为人类服务．

(14) 科学的应用经常会对伦理、社会、经济和政治产生影响．

需要指出的是,以上这14个大概念是从大的视角提出的,它对科学课程的设计具有指导性的作用．但是,对科学教学来说,大概念的内容是非常丰富的,我们不能囿于这14个大概念．实际上,只要从某些下位知识抽象概括出来的上位知识,都具有大概念的意义和功能,因此也都可以看作大概念．从形式上看,大概念是多样的,它可以是一个核心概念、一个正式理论、一个观念,也可以是一条原则、一个思想方法、一个基本问题,等等．

大概念的多样性启示我们,在物理教学时,不但要重视物理知识的教学,也要重视物理观念、物理的思想方法,以及物理信念的教学;注意发挥物理观念、物理思想方法以及科学信念的大概念在问题解决中的作用．

案例3.有相同的结果,也许有相同的原因

在教学杠杆知识时,为了帮助学生建立力臂概念,有的教师用如图5所示的圆形转盘做实验．实验时,在转盘上A点挂1个钩码,然后再用弹簧测力计先后竖直向下拉B、C、D点,使圆盘在A、C两点处于同一水平线的位置平衡．结果发现:虽然拉力的作用点改变了,但弹簧测力计的读数却相等．教师指出:使圆盘在同一位置保持平衡,虽然拉力的作用点不同,但拉力的大小却相同．有相同的结果,也许有共同的原因．三种情形中,究竟存在什么共同的因素呢?在教师的引导下,学生发现:在三个位置,拉力的作用线相同．用一个量去描述,即支点(圆盘转轴)到力的作用线的距离相同．由此建立起力臂概念,并认识到力和力臂是影响杠杆转动效果的两个因素． “有相同的结果,也许有相同的原因．”是一个观念,也是一种思想方法,属于大概念的范畴,因为这种思想方法可以在广泛的场合得到迁移．例如,在高中物理学习产生感应电流的条件时,学生通过实验观察到,在图6a所示的电路中,当导体AB做切割磁感线运动时,电路中会产生感应电流;在图6b所示的电路中,当改变变阻器的电阻,使通过线圈A的电流发生改变,通过线圈B的磁场的磁感应强度变化时,线圈B中也会产生感应电流．为了寻找产生感应电路的条件,教师指出:有相同的结果,也许有相同的原因．两个情境中产生感应电流的共同原因究竟是什么?由此引导学生透过表面上的差异,揭示两者的相同点:通过闭合回路的磁通量发生改变,由此揭示出产生感应电流的条件．

图5

图6