圍繞科學教育中的大概念開展工作

今天的學生將成長為未來的社會公民，他們需要理解科學的核心概念以適應21世紀科技發展的需求。當他們面臨相關問題時，科學核心概念能夠指導其作出正確的決策，這些決策將直接影響個人的工作效率、整個科技社會的進步，以及諸如環境保護、能源利用等全球性問題的順利解決。科學教育研究與實踐的成果表明：基于探究的科學學習是理解科學核心概念最為有效的方法。然而，實行有效的科學探究必然需要花費大量的時間。因此，選擇最關鍵、最有價值的科學概念進行學習顯得極為重要。目前，全球性探究式科學教育的實踐與研究工作都開始圍繞加強科學大概念的學習而展開。

2009年10月，來自墨西哥、智利、中國、加拿大、美國、法國、英國的10位專家聚集在蘇格蘭的羅斯湖畔，召開了一次有關探究式科學教育的國際研討會。這10位專家都是各國科學教育改革的領導者，包括國際科學教育計劃的負責者、國家科學教育標準的制定者、著名的科技專家。中國工程院韋鈺院士是這個專家組成員。作為這次具有廣泛代表性的高水平會議的成果，溫·哈倫女士（ WynneHarlen）執筆、經與會專家參與討論和修改，寫成了《科學教育的原則和大概念》 （Principles and Big Ideas ofScience Education）一書。此書由韋鈺院士譯成中文，中國科協主席周光召先生親自為該書中文版撰寫了導言。當時韋鈺院士擔任組長的義務教育小學科學教育國家標準修訂專家組，已經將此書的主要理念貫穿于修訂過程和送教育部審核的標準之中，可惜未被認可。

該書明確了科學教育的10項原則和14個科學大概念，包括10個科學大概念和4個關于科學的大概念。這些科學大概念解釋了一系列相關現象，不管學生將來是否進一步學習科學，這些大概念對于他們理解所觀察到的自然界，以及依據科學知識參與那些影響自己和他人生活質量的決策都是必要的。該書還指出了發展每個科學大概念的學習進程，闡述了學生如何通過科學探究從小的科學概念逐漸建構出科學大概念，并對圍繞科學大概念進行探究的教學法進行了討論。

自《科學教育的原則和大概念》出版以來，該書已經被譯成包括法文、中文、西班牙文（南美和西班牙本土2種版本）、塞爾維亞文、希臘文在內的多個版本，在國際科學教育界受到了廣泛的重視和歡迎。書中所論及的科學教育的原則和大概念，得到了不同國家科學教育研究者和標準制定者的認同。在該書出版以后的5年里，社會經濟發展對科學教育又提出了新的要求，在科學教育研究和實踐方面也有了新的進展。在這樣的背景下，2014年9月由哈倫女士召集，之前的與會專家重新聚集在蘇格蘭羅斯湖畔召開會議，討論該書再版時應該補充和修改的內容。作為第2次研討會的成果，新版書《圍繞科學教育中的大概念開展工作》（Workingwith Big Ideas of Science Education）形成并正式出版。

《圍繞科學教育中的大概念開展工作》以第1版為基礎，根據目前新的情況進行了一定的補充和深化，這些新的情況主要來自以下5個方面。

①根據新的經濟與技術發展的需要，強調在教育中整合科學、技術、工程和數學，即強調STEM教育整合的要求。②關注神經科學研究對學習過程的理解，對神經科學研究成果的考慮變得越來越重要。③基于探究的教學法得到越來越廣泛的運用，在科學教育實踐與研究兩方面都有了新的進展。④評測對教學過程產生了正面和負面的影響。⑤2012年美國《K-12科學教育框架：實踐、跨領域概念和核心概念》（A framework for K-12 ScienceEducation： Practice， Crosscutting Concepts， and CoreIdeas）正式出版；2013年美國發表《新一代科學教育標準》（Next Generation Science Standards）。

基于上述5個方面新的情況，圍繞大概念進行科學教育也需要進行相應的發展。因此，《圍繞科學教育中的大概念開展工作》書中加入了對整合STEM教育，神經科學研究對科學教育的意義，課程內容、教學法、評測應為存在相互作用的有機整體等問題的深入討論。

由于科學技術發展和日益激烈的國際競爭的要求，基礎教育需要整合STEM教育。科學涉及自然界客觀規律的發現，技術用以制造滿足人類需求的東西，工程涉及社會經濟文化背景，是一個包含了多學科整合的系統工程。數學則涉及數量、數字、空間之間的模式與關系。在教育中整合STEM能為學生提供機會，學習如何將這些知識有機結合以解決新的問題，這種能力也正是他們今后走向工作崗位或者進行科學研究時所需要的。同時，在教育中整合STEM也有利于激發學生的學習興趣和探究的參與度，有利于促進學生的創造性與創新性。在《新一代科學教育標準》中也強調了需要在科學教育中拓展工程領域知識的學習，以此幫助學生了解在日常生活中科學、技術、工程和數學方面的聯系。

在教育中需要考慮神經教育學的研究成果，已成為國際教育界公認的發展趨勢。美國在2010年前后就已經在國家層面明確了這一觀點。英國在2008年發表了基于腦的教育發展框架，今年又正式成立了研究和推廣網絡。神經教育學的研究成果揭示了學習過程的腦基礎，為解決科學教育實踐中的一些關鍵性問題，例如，如何在科學教育中全面提升學生的能力，如何確定個性化教育的內涵，如何將神經教育學的研究技術與成果運用于學生學習水平的評測等提供了重要啟示。書中還提出，在科學教育中應該注重培養學生的社會認知能力，這些都是對科學教育目標進一步的深入理解。2002年東南大學成了學習科學研究中心，神經教育學方面的研究與實踐工作也由此起步。“做中學”科學教育實驗項目一直強調用神經教育學的研究結果支持探究式科學教育的發展，這在國際科學教育界是很有特色的。目前，基于神經教育學的社會情緒能力研究、運用腦科學技術進行學生科學核心概念水平的評測研究也取得了階段性的成果。

目前，基于科學大概念的探究式教學法得到了越來越廣泛的運用，在研究和實踐兩方面都有了新的進展。《K12科學教育框架：實踐、跨領域概念和核心概念》和《新一代科學教育標準》也強調了科學教育應該更聚焦于少數的核心概念，更關注對學習內容的深入理解和運用。圍繞大概念開展科學教育也意味著教學過程中課程內容、教學法、評測3個要素必將是一個存在相互作用的有機整體，其中任何一個要素的變化將對其他要素產生直接的影響（見圖1）。不難理解，假如科學教育評測僅考查學生對科學事實和片斷性知識的記憶，或者在教學中教師忽視引導學生建立新舊觀點間的關聯，那么課程內容必然不可能真正做到聚焦于科學大概念。同樣，如果教學過程中僅開展注重分數的總結性評測，或者課程內容包含了過多的科學知識，也就不可能實施真正有效的探究式教學法。

《圍繞科學教育中的大概念開展工作））書中描述了趨于大概念的科學教育過程中課程內容、教學法、評測所具有的特征。就課程內容而言，教師應該基于14個科學大概念設定具體的教學目標和特定的探究活動，并對學生趨于大概念的學習進程具有很好的了解。學生對與大概念密切相關的問題展開探究，收集數據、進行討論，根據現有的證據逐漸建構大概念。就教學法而言，圍繞大概念進行科學探究的價值已經超越了解答某個特定的問題。教師應該幫助學生深入理解所學內容，發展學生的探究技能，引導學生建立新舊經驗、新舊觀點之間的聯系，從而促進他們不斷向科學大概念進展的過程。學生應有足夠多的機會對周圍的事物或現象進行觀察、調查，提出問題并通過探究解決問題，不斷反思、總結自己如何在探究過程中逐漸建構出能在更大范圍內解釋自然界事物與現象的科學大概念。在進行科學教育評測時，教師一方面需要開展連續的形成性評測獲得學生目前學習水平的客觀數據，給予學生反饋，確保他們理解學習的目標和趨于大概念進程中下一步需進行的工作，從而促進學生進行探究的積極性和有效性。另一方面，教師也需要開展適當的總結性評測來了解學生對科學大概念理解水平的總體情況。

《圍繞科學教育中的大概念開展工作》凝集了來自不同國家的科學家、教育家對于科學教育的認識和思考，反映了全球性探究式科學教育研究與實踐的最新進展與發展預期。此書作為5年前工作的發展和提升，一經發表，已經收到了國際教育界和科學界的廣泛關注和支持。例如，全球科學院網絡（the Global Network of Science Academies， IAP）在第一時間將該書發布于其官方網站，并將發行1000冊紙質書提供各國的科學教育者閱讀。美國科學教育學會（theAssociation for Science，ASE）也在其官方網站發布了該書。對于該書內容和意義的深入討論也將成為將于今年6月在法國巴黎召開的LAMAP探究式科學教育國際會議的一項重要議題。目前，該書的西班牙文版本已經準備就緒等待出版，另外，該書的法文、瑞典文、德文、希臘文、意大利文、塞爾維亞文、伊朗文等版本翻譯與出版的相關工作也已經展開。中國科協已經決定在今年6月于南京召開國際科學教育論壇，討論相關議題。在中國科協支持下，東南大學學習科學研究中心已經受托開始中文譯本的翻譯工作。相信此書的出版和傳播將成為全球科學教育的熱點，也必將給我國的科學教育改革帶來有益的啟示與指導。