例說基于大概念的小學科學教學

萬嵩海

一、科學大概念及其三個層次

科學大概念，就諸如“一片完整的葉具有共同的構造，包括葉片和葉柄兩部分”等反映自然界特定事件和事實的具體科學概念而言，是在具體科學概念的基礎上形成的對科學事實和科學事業更為宏觀而概括性的認識和觀念。

2009年10月，來自歐亞拉美七國的學者齊聚蘇格蘭羅蒙湖畔，共商國際科學教育的改革大計，他們對科學大概念做了如此解釋—將能夠用于解釋和預測較大范圍自然界現象的概念定義為大概念，并認為大概念不但包括生物、物理、化學等不同科學學科領域中具有核心意義的學科專屬的核心概念，還包括數量較少的更為抽象的、跨學科的上位概念。這些上位概念可以分為兩類：一類是關于我們周圍世界的，例如尺度、對稱性、因果關系、結構與功能;另一類是關于方法的，即科學概念如何通過人類活動而產生 [1]。

2013年4月，《美國新一代科學教育標準》正式頒布，其一大亮點是提出了通過圍繞科學大概念來組織科學教育內容、實現中小學科學教育的橫向整合，并將科學大概念分為以下三個層次：第一層次是在物質科學、生命科學、地球與空間科學、工程設計等領域中具有統領各自學科的核心概念。學科核心概念，至少要滿足以下

4個條件中的兩條，最好是都滿足：（1）在科學學科中各自具有統領性的明顯重要的概念，或是在具體學科知識中起到組織作用的關鍵概念;（2）幫助理解和研究更復雜概念和解決問題的關鍵知識;（3）與學生的興趣和生活經驗相關，或與需要科學和技術知識的社會或個人問題相關;（4）通過增加深度和復雜性，能在多個年級中進行持續的教和學。

第二層次是在科學各大學科中更通用、更上位的通用概念。通用概念，就像科學學科之間的紐帶，幫助學生將不同科學領域中相互關聯的知識組織成連貫而條理清晰的基于科學的對客觀世界的認識，涉及形式，因果關系，尺度、比例和數量，系統和系統模型，能量和物質，結構和功能，穩定與變化七大方面。

第三層次是對科學本質的基本理解，期望學生能在以下方面得到深化：科學探究利用多種方法，科學知識基于實證證據，科學知識隨著新證據出現而不斷修正，科學模型、定律、原理和理論用以解釋自然現象，科學是認識的一種方式，科學知識通常假設自然系統具有秩序性和穩定性，科學是一種人類活動，科學致力于解決關于自然和物質世界的問題。

由三個層次共同構成的科學大概念，借助于適當的科學內容，通過有目的的科學探究活動，可以幫助學生獲取科學知識并加以理解，將單獨的科學知識用具有普遍意義的科學大概念加以聯系。

二、基于大概念的小學科學教學

1.設定一種表現期待

基于大概念的小學科學教學，要求教師在分析教材邏輯結構和活動內涵以及學生學習水平和需要的基礎上，對學生的課堂學習表現設定一個合適的期待。比如，“地球的運動”單元期待學生“能借助模型來分析地球運動中產生的晝夜交替現象和四季交替現象，以解釋這些自然現象的產生原因”。

為了實現單元學習的表現期待，教師應為每節課的教學提出相應的課時學習表現期待，如“晝夜交替現象”一課期待學生“能從不同的視角開發一些可以表現‘地球與太陽的位置和運動關系的模型，來初步解釋晝夜交替現象的成因”“‘證明地球在自轉一課期待學生能從不同的視角來分析傅科擺模型（即單擺模擬實驗）的運動現象，以解釋‘傅科擺偏轉現象可能是由于地球自轉造成的……”

學生學習表現期待，通常采用包含“為什么學”“學什么”“怎樣學”等簡明的陳述性語言來描述。它實際上是教師對課堂教學的價值判斷，是對學生在有限的課堂學習時間中從事怎樣的學習活動所進行的深度思考，是包括學習目標及其達成過程在內的教學設計的高度濃縮。

因此，學習表現期待有助于教師從宏觀上理解教材內涵，把握教學深度，從而使教師明確“在有限的時間中，哪個才是最重要的”，避免產生舍本逐末式的教學。同時，學習表現期待也有助于執教者或觀課者評判學生的學習是否達成了預期要求。可見，在學習目標和過程設計之前，給出學生的學習表現期待是重要的。

2.制訂一個目標框架

基于大概念的小學科學教學，要求教師關注學生對科學各領域中的核心概念以及橫跨學科界限的通用概念的理解，并在此基礎上加深對科學本質的理解，從而對學習目標及其達成過程進行頂層設計、宏觀調控。

教師應圍繞所設定的學生學習表現期待，設計一個基于大概念的學習目標框架。與慣常的學習目標設計相比，基于大概念的學習目標設計主要是將科學概念目標中的具體概念、核心概念、通用概念以及對科學本質的理解加以區分，保持諸層次概念間的一致性。值得一提的是，對科學本質的理解是一種結構化知識，是一種內在的科學價值觀，因此，也可將“對科學本質的理解”納入“情感態度價值觀”目標中。

例如，“地球的運動”單元中的“證明地球在自轉”一課，教師可以基于通用概念中的“尺度、比例與數量”對學習目標框架加以設計。其科學概念維度分為具體概念（知道擺具有保持擺動方向不變的特點，知道傅科擺偏轉現象可以用地球自轉來解釋）、核心概念（不同的角度看地球的運動變化，會產生不同的觀察結果;對地球運動時所呈現的各種現象的解釋，隨著新證據的出現而不斷修正）、通用概念（同一種現象或結果，往往有不同的解釋，并受到觀察角度或尺度、人類認識的影響）及科學本質（人類對世界的解釋隨著新證據的出現而不斷修正）。將過程方法維度設計為：通過不同視角觀察火車前行獲得“不同視角觀察同一種運動會產生不同的觀察結果”的概念，用模型（單擺模擬實驗）及上述概念解釋傅科擺偏轉現象的成因。并將激發研究地球運動及其現象的興趣、體會證據對科學解釋的影響作為情感態度價值觀維度的教學目標。

基于科學大概念的學習目標框架設計中，具體概念通常會明確無誤地出現在教材或教學用書中，而學科的核心概念則隱含在單元的整體結構中，成為單元教學的主要線索和隱性目標。通用概念以及對科學本質的理解，容易受到教師對教材內涵的理解以及對教學的價值取向的影響。如“運動和力”單元中的“測量力的大小”一課，有的教師比較注重引導學生“通過研發測力工具來測量力的大小，從而認識測量工具的演變過程”，有的教師則注重引導學生“通過正確使用測力計來初步測量不同力的大小”。前一種教學抉擇所要達成的目標是對科學本質的理解─“人類發明和改進測量工具以精確地獲取數據”，后一種教學抉擇所要達成的目標是“結構與功能”方面的通用概念─“為了實現某種工具的既定功能，需要正確地使用該工具的各種結構”。

3.實施一種更佳流程

將科學大概念運用于學生課堂學習中，可以幫助他們獲得對自然科學與工程的更科學、更基礎、更一致的認識，幫助他們掌握學習科學、應用科學的方法與途徑，從而提升他們的科學素養。因此，基于大概念的小學科學教學，要求教師根據不同的學習主題和內容，結合學生的學習基礎和發展需要，選取并圍繞適當的科學大概念展開教學。同時，在教學過程中適時地通過活動環節的小結和整體教學的總結，幫助學生發展科學大概念。

“證明地球在自轉”一課旨在引導學生運用關鍵證據來證明地球在自轉，教師圍繞“尺度、比例與數量”的大概念可以進行如下的教學設計。

◆從不同視角觀察火車行進等現象，并加以分析。

◆通過交流，得到“汽車前進，車廂視角─車不動，樹后移;路邊視

角─車前進，樹不動”的事實，形成“同一種運動可以從不同的視角來觀察，并根據不同的觀察結果提出不同的解釋”的一致認識。

◆觀看“傅科擺”視頻資料及閱讀“傅科擺”史實資料，交流傅科擺的擺動特點。

◆以地面為視角來分析傅科擺的偏轉，通過交流，得到“傅科擺，地面視角─物不動，擺偏轉”的事實。

◆傅科擺的模擬實驗，通過改變單擺底座的方向來觀察單擺在擺動方向上的特點，知道“擺具有保持擺動方向不變的特點”。

◆從單擺的外部視角交流結果，得出“單擺，外部視角─盤轉動，擺不轉”的事實。

◆借助手機攝像功能來獲取底座視角的擺動方向偏轉的事實，引導學生從單擺底座視角交流觀察結果，得出“單擺，底座視角─盤不動，擺轉動”的事實。

◆將傅科擺實驗中的擺、地面及其觀察結果與模擬實驗中的擺、底盤及其觀察結果建立聯系，得到“傅科擺，外部視角─地不動，擺轉動”的解釋。

◆用地球自轉來解釋傅科擺偏轉現象的成因，知道“傅科擺偏轉現象可以用地球自轉來解釋”，深化“同一種運動可以從不同的視角來觀察，并做出不同的解釋”的一致認識。

◆交流其他能夠證明地球自轉的實證案例。

若以學生視角來分析他們的學習過程，那么這一活動始終圍繞著“同一種運動可以從不同的視角來觀察，并做出不同的解釋”這一科學大概念而不斷前進。借助火車前行的事實得到的科學大概念容易被學生接受，然后在這一科學大概念的支持下，嘗試解釋傅科擺偏轉現象的產生原因。再由單擺保持擺動方向不變的模擬實驗進一步檢驗他們的解釋，最終知道“傅科擺偏轉現象可以用地球自轉來解釋”。這一在科學大概念引領下通過實證證據來支持解釋的探究活動，遠比先前的學習更接近科學的本質。

又如，“認識幾種常見的巖石”一課旨在引導學生通過觀察來獲取幾種常見巖石的特征，教師可以圍繞“形式”這一大概念展開教學，讓學生觀察記錄巖石的五條特征，辨別哪條特征能將其從其他更多的巖石中區別出來，并將不同巖石的主要特征匯總，利用巖石資料表辨別巖石的種類和名稱，繼而通過討論“為什么我們所做的觀察不能將有些巖石辨別出來”，形成“獲取巖石主要特征對識別巖石的重要性”的初步認識……

若以學生視角來分析他們的學習過程，那么這一活動始終圍繞“特征有助于將一種事物從其他事物中區別出來”這一科學大概念不斷前進。與慣常教學中的活動任務由學習單驅動、記錄內容源自教材、知識指向具體事實的狀況相比，學生的探究活動是由“這到底是一塊什么巖石”這一問題驅動的，循著“獲取特征→利用資料→辨別巖石→獲取特征→利用資料→辨別巖石”的過程不斷螺旋遞進。這種在科學大概念引領下通過識別事物關鍵特征來了解事物存在方式的探究活動，遠比先前的學習更具有開放性、指向性和內驅力。

科學大概念是對科學事實和科學探究更為宏觀而概括性的認識，正確理解科學大概念，掌握學科核心概念、通用概念，理解科學本質，對科學教師進行有效教學提供較大幫助，也能有效地指導教師進行合理教學設計。

參考文獻：

[1]溫·哈倫編著. 韋鈺譯. 科學教育的原則和大概念[M]. 北京： 科學普及出版社， 2011：18-19.

（作者單位：浙江省杭州市拱墅區教育局教研室）

（責任編輯：孫建輝）