大概念深度学习视角下的中学3.0科学教育

［摘要］ 分析大概念深度学习和21世纪能力的内涵，剖析基于科学研究和工程设计的教与学框架，提出科学教育的“体验—实践—抽象”三环节，阐述中学3.0科学教育的特征，让学生在科学与工程实践活动中掌握科学学科的核心概念，抽象形成大概念。

［关键词］ 大概念深度学习；21世纪能力；基于研究和设计的学习；3.0科学教育

人类社会从狩猎社会、农耕社会、工业社会、信息社会到智能社会，工业文明发展了四代：工业1.0的动力机械化（热机）时代；工业2.0的生产流程化（电气）时代；工业3.0的信息化（数据）时代；工业4.0的智能化（人工智能）时代。人工智能全面挑战人类智能，什么样的科学教育能够保持学生探究世界天生的好奇和想象，让他们创造性解决真实世界的挑战性问题，应对机器人的挑战？

一、大概念深度学习与21世纪能力

（一）大概念

大概念是对世界探索和问题解决有生活价值可迁移的理解，反映专家的思维方式。从新手到行家，再到专家，思维方式的改变导致人对世界理解的不同。格兰特·威金斯和杰伊·麦克泰格梳理了理解的六个维度，即解释、释疑、应用、洞察、移情、自我认识。温哈伦提出“学生所接受的科学教育应该能够帮助他们形成一些数量相对较少的科学和关于科学本身的大概念”，并列出了K12教育阶段关于科学知识和科学本身的14个大概念。大概念是科学教育的指导性原则，用以解释科学现象的多样性，帮助学生理解科学的内在结构，同时构建对科学本质的深入理解。通过科学教育，学生应该发展对自然世界中物体、现象和材料之间，以及科学、技术、社会、社区和环境之间关系，对科学探究、推理和工作方法的大概念。

（二）深度学习

深度学习是个体在多种关联现实世界的情境中，基于问题、主题和项目，从挑战性实践活动中，批判、探究、协作和自我导向，重构核心学术内容并迁移到新的情境，创造产品和形成解决问题的方案。在全球兴起构建以批判性思维和创造性思维为核心的21世纪技能或核心素养框架的运动中，多个机构整合深度学习项目，研究深度学习策略，发展学生是否能集智慧和情感、技能和心理、个人和社会经验为一体，将知识应用到真实世界，利用先前学习的能力转移和分享到与文化相关的背景下支持新的学习或解决问题的能力。深度学习策略包括复杂学习、整体学习、多维表征学习、隐性学习、做中学、真实性学习等。深度学习在教法上要为学生创造更丰富、更具实操性、更接近真实世界的体验，让学生从新接触的信息中形成自己的观点，开发原创思想，提高信息保留和建立高阶思维技能并影响周围的世界。基于研究和设计的项目式学习/STEAM教育、PDC教育等是深度学习的具体教学形式。

（三）21世纪能力

知识和技能都是具体的教学内容，而能力是教育所要达到的目的。核心素养是学生通过课程学习逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的正确价值观、必备品格和关键能力，这是面向未来的生活、工作和终身学习的21世纪能力。批判性思维的着眼点和关键点在于“论辩”，有三个特征：一是自我导向性（反思性），强调首先对自己思维过程的批判，对自己思考问题的过程进行内省反思、自我调控；二是目标导向性（逻辑性），强调基于证据和现有事实，从问题的正反两面综合的理性分析、逻辑推理，评价观点、推论结论和解决问题；三是气质修炼性（建设性），思想公正开放，实事求是，理性灵活，求知博识，尊重他人及其观点，非傲慢偏见。科学思维本质上是逻辑思维、批判性思维和创新思维綜合应用到科学技术上的思维。创造性思维取决于想象力和可迁移的知识。设计思维通过形象直觉、灵感顿悟、发散联想、可逆迂回这样的思维方法，理解问题产生的背景，催生洞察力，理性分析，找出最合适的解决方案。

（四）大概念深度学习

大概念深度学习基于社会、自然和人工智能世界的现象，突破学科限制，以大概念理念和深度学习策略不断拓展，实现人与社会的共同发展。2012年NRC提出“K-12科学教育框架：实践、跨领域概念和核心概念”，并于2013年制定了美国“新一代科学教育标准”，把科学教育分为三个相融合的模块：学科核心概念、跨领域共同概念、科学与工程实践；把K-12阶段的科学内容以大概念理念整合到“物质科学”“生命科学”“地球和空间科学”“工程、科技和科学的应用”这四个领域共14个学科的核心概念序列。以“科学与工程实践”代替“科学探究”，因为实践包含探究，包含科学过程，实践还以充分认识科学知识本身的本质和创造性解决复杂问题为目的，更能体现科学与工程的生活本质。

本文界定中学科学教育的大概念深度学习：整合中学物理、化学、生物、地理、信息科技等科学教育学科的学科内容，应用深度学习策略，通过强调跨领域共同概念，依托关联现实世界的主题和项目，促进学生参与基于研究和设计的科学与工程实践活动，建构学科核心概念，将经验抽象概念化，以形成对科学的大概念。这种学习获得的是可以迁移的知识，即整体性的事实，结构性的模式、模型、原理等概念，自动化的程序，特定的认知与元认知策略，对学习有益的信念，包括学科领域中的核心概念与如何、为何及何时应用这些概念来回答问题、解决问题的程序与策略。

二、基于科学研究和工程设计的教与学框架

（一）大单元结构化关联现实世界的学习情境

1.学习情境要关联现实世界

知识依存于背景和经验。学习的最终目的在于应用，把概念迁移到新情境，并在迁移过程中不断通过认知冲突转变前概念中的相异构想，阻碍迷思概念的形成，重构科学概念。在这个过程中如果没有一个良好的迁移情境，学生学到的知识仅够其通过考试，而在课堂之外持有的是迷思概念。学校情境中的良构问题求解和日常生活中的劣构问题解决是两回事，其间的关联性和迁移性相当有限。

大概念深度学习要给学习者构建一个良好的迁移情境。这个情境就是关联现实世界的真实情境。真实情境来源于现实生活，充斥着真实性、开放性、驱动性、挑战性的问题，这些劣构性问题充满了歧义、挑战、两难、矛盾、怀疑、混淆、迷惑、阻碍、悖论、棘手、疑问和不确定性。学生面对这些问题，要运用13种高阶思维技能：分析、创造性思考、批判性思考、决策、评价、逻辑思考、元认知思考、问题解决、反省思考、科学实验、科学探究、综合和系统分析，来创造性得出各种结果，而不是生搬硬套过往的处理方式。这种真实情境是非预知的学习区，会让学习者产生一定的挫折感和饥饿感，使其思维驻留在学习区自我提升和改变，能保持学习者的好奇和想象，主动借助已应用的工具，将课程学习与真实的生活应用相结合，创造性解决真实世界里发生的问题并积极实施解决方案；通过论证或应用而激活已知知识、并将其作为理解新知识的基础，把新知识迁移、整合到学习者的世界当中。

2.学习情境要大单元结构化

生活情境纷繁复杂，干扰教学的因素很多。整体学习策略要求学习的内容不能碎片化，必须是结构化的整体性知识网络。整体学习强调在整体视野下的分步走和细节学习，过程中的分步骤学习和细节学习必须回归到融合、综合的整体网络之中。实际教学要对真实生活情境进行加工，要从生活情境中筛选出与教学任务有关的典型情境、普遍情境，即结构化处理真实的社会生活和自然情境，系统统筹课程活动，实现课堂真实化、情境结构化、课程活动化、活动内容化。

大概念深度学习要求教师依据预期的培养目标，将教学设计从设计一个知识点或课时转变为设计一个大单元，引导学生从整体入手，整体把握，由碎片化的知识状态转向清晰的大概念框架，即通过大单元创设一个结构化的学习情境。大单元具有结构性、整体性、系统性。大单元教学要跳出学科限制，以挑战性的核心任务或项目、驱动性问题或大概念为线索，依据学习逻辑，围绕单元主题开发和重组教学内容，设计学习目标。整体规划指导学生开展连续课时的关于科学与工程实践的活动，注重单元教学的整体性，以及各课时教学的逻辑性和关联性。比如，以“考察长沙近代民国公馆建筑”项目为学习单元，以“如何保护长沙城内的民国公馆建筑”为驱动问题，以长沙市周南实验中学校园内的李觉公馆为触点，创设了一个“长沙城内的民国公馆建筑”这样一个学习情境，跨学科重构了初中地理、历史、生物、物理、化学、数学多个章节的学习内容，设计了科学与工程实践的一系列活动。

（二）大概念深度学习的活动环节

学习动机来源于兴趣、需求和价值，大概念深度学习教与学活动的三个环节“体验—实践—抽象”都能激发学习动机。

1.体验

新概念来源于新经验，形成于经验的转化。新知识的创造源于协作性和社会性的实践活动。好奇心是学习兴趣的源泉。教师依据大单元教学的安排，服务于主题单元内容，自主开发一系列系统化、整体性的主题式创新实验或整体设计阶段式、结构化的主题趣味活动。这些沉浸式活动保持了学生的好奇心，使他们经历递进式的体验，获得新的具体经验。学生联系自身的兴趣和经历，新旧经验对比，内省反思，能够感知疑问或问题。一是发现疑问（主要针对科学），准确地描述问题，在教师的引导下逻辑化、结构化这个问题；二是定义问题（主要针对工程），弄清问题中的不确定性因素，确定需求和限制。体验环节主要关注学生发觉了什么，学生在这个启发理想的“感知”过程中遇见美、感受美，比如科学的和谐、简洁和对称之美。

2.实践

学生在体验环节中发觉的疑问具有劣构性、开放性、复杂性、挑战性，定义的问题同样具有现实性、开放性、复杂性、挑战性。学生基于疑问，提炼主题，确定研究选题，经历科学研究的实践，进行研究性学习。学生基于问题，驱动一个工程项目，经历工程设计的实践，进行设计性学习。疑问也可以识别成问题，或者通过主题生成项目。研究性学习是学生通过自己亲身参与的实践活动（如观察、调查、访谈、试验、设计、制作、评估等，还包括选题，制订研究计划，请教专家学者，撰写研究报告等一系列的过程）建构模型、得出结论、获取知识的学习方式，具体以项目式学习为主。设计性学习让学生在真实、开放的学习情境中，基于挑战从人的需求出发，通过项目驱动工程实践，设计制作原型并測试改进形成产品。在解决真实复杂性问题的过程中使新经验转化为新概念，获得或创造可迁移的知识，保持持续探究世界的好奇和想象，发展创造创新能力，具体以STEAM教育为主。研究性学习和设计性学习让学生能够监控自己的学习和学习的经验，理解迁移的意蕴，激励内在进取心和成功的渴望，从而满足学习的需求。

科学研究包括四个过程。（1）观察假设：观察现象、自主思考，尝试根据经验和已有知识对问题的可能解释提出猜想，对探究的方向和可能出现的探究结果进行推测与假设，提出解决问题的方案和实验设计。（2）辩论批判：自主思考，参与合作、沟通、批判的思辨，与他人分享想法、实验设计和解决方案，分享推理过程；与自己对话，内省反思，吸纳反馈。（3）实验调查：通过实验探究和公共信息资源获得、记录数据，正确公正收集信息。（4）洞察解释：归类、比较、分析证据（数据）和现有事实（信息），逻辑推理，论证评估，构建解释现象的模型，发现规律，归纳结论，并准确表达自己的观点。

工程设计也包括四个过程。（1）想象计划：通过头脑风暴想象多个可能解决驱动问题的方案，计划选择一个有前途的解决方案。（2）创建测试：运用技术、创建一个原型并测试这个原型。（3）交流评估：把这个原型面向公众，在交流中做出评估。（4）迭代推广：吸取反馈意见并反思，重新设计，优化技术，迭代创造一个产品，推广并产生效益。

实践环节主要关注学生理解了什么，学生在进行科学与工程实践的过程中领会或领悟的是可迁移的知识，并能塑造意志，是一个创造美、感受美的“感悟”过程，产品的精致设计、迭代完美和方案的精美无不是创造美。

3.抽象

教师要引导学生整合在实践环节中获得的可迁移的知识，进一步抽象概念化，炼制形成科学学科的大概念。基于项目的学习在内容上就要注重学科核心概念及学科间的大概念。抽象环节使得学生启发了专家思维，提升了学习价值，获得成功的体验感，不但成为某个方面的行家，能够在概念性框架理解事实、观点，而且能够进一步提升为专家。通过迁移来适应概念性框架，甚至成为一个能够创造新知识或概念性框架的创新者，促进职业生涯的规划。

抽象环节主要关注学生参透了什么，是一个整合学科可迁移知识的“感道”过程。学生经历一个升华美、享受美的过程。简明的公式无疑是洞察了宇宙奥秘的美的表达，化学分子式也是对万物之美的抽象概括，它们与文学、音乐和绘画一样，都指向美。科学学科大概念的形成是螺旋式上升的，取决于学生的理解。像“世界是物质的，物质是运动的”就是中学阶段对物质世界的大概念（科学观念），但像“实物和场是物质存在的两种形式；实物粒子由具有内部结构的原子构成，场充满整个宇宙；物质的本质是能量，具有波粒二象性；物质世界存在四种基本相互作用；时间和空间是物质运动存在的两种形式；物体的运动的量不变，除非有作用量使其发生变化；封闭系统的总能量和总动量保持不变，总熵不减少；每一种守恒定律，必定有其伴随的物理对称性”既是物质科学的核心概念，也可认为是大概念。

4.大概念深度学习的活动结构框架

梳理上面三个环节，形成一个基于研究和设计的学习框架（如下图）。

三、中学3.0科学教育

学校的科学教育随着人类社会的进化和工业文明的发展，也呈现出三代特征（如下页表）。大概念深度学习属于3.0科学教育。

四、结束语

大概念深度学习的3.0科学教育突破了学科限制，为科学研究与工程设计的实践营造激情。通过基于现象的课程活动让学生在沉浸式体验活动中保持好奇心和想象力，在科学与工程实践活动中以敏锐的洞察力观察现象，主动参与社会、社区和数字资源的获取，参与辩论分析、交流评估、批判解釋，获得对世界的理解。培养高阶思维技能，增强协作和沟通能力，发展终身学习能力；养成优良品性，形成正确价值观，具有理想信念和社会责任感；文化自信，对国家有担当，拥有全球化公民意识，能够自主发展，迎接人工智能时代的挑战。

[本文系长沙市教育科学“十三五”规划2020年度立项课题“初中大概念科学教育深度学习实践研究”（项目编号：CJK2020027）研究成果]

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