科學(xué)概念的教與學(xué)

知識的教與學(xué)，于廣大教師而言，恐怕是老生常談之事了。小學(xué)科學(xué)的每一堂課，都會涉及知識的教與學(xué)。若視科學(xué)知識為一堆科學(xué)概念與一些科學(xué)事實(shí)，則教學(xué)內(nèi)容龐雜無邊，教師教得累，學(xué)生也學(xué)得苦。若視知識為一座有結(jié)構(gòu)的“金字塔”，以知識的教與學(xué)為載體教會學(xué)生搭建知識金字塔的本領(lǐng)，從而使學(xué)生將來能自主擴(kuò)建和發(fā)展自己的知識金字塔，教師就會關(guān)注概念的教與學(xué)，會設(shè)定每堂課知識教學(xué)的目標(biāo)為構(gòu)建某一概念的意義，在每學(xué)期、每學(xué)年的課堂教學(xué)中會注重概念的發(fā)展并搭建概念與概念之間的聯(lián)系。因此，以科學(xué)概念的教與學(xué)指導(dǎo)科學(xué)知識的教與學(xué)，意在突出有系統(tǒng)、有結(jié)構(gòu)地處理科學(xué)知識，教授學(xué)生掌握最重要的知識節(jié)點(diǎn)，并以此為載體發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)探究，以及科學(xué)情感、態(tài)度與價(jià)值觀。

何謂科學(xué)概念

人類對自然與人文的任何認(rèn)識成果，都是通過形成各種概念總結(jié)和概括的，進(jìn)而形成知識體系。科學(xué)概念專指科學(xué)知識體系中的概念，是人類認(rèn)知、交流、發(fā)展對客觀世界和人類自身的認(rèn)識的思維形式。與其他領(lǐng)域的概念，尤其是文學(xué)領(lǐng)域的概念不同，作為一類科學(xué)知識，科學(xué)概念必須是基于實(shí)證研究的，且必須是經(jīng)過系列規(guī)范的程序而被科學(xué)共同體所認(rèn)可的。所以，每一個(gè)科學(xué)概念，都有其特定的、公認(rèn)的術(shù)語或名詞，都有其約定的、可檢驗(yàn)的內(nèi)涵和外延，代表公眾的共識而非個(gè)體私有之見。

科學(xué)概念亦有層次之分。概括程度高的大概念，即上位概念，包含概括程度低的小概念，即下位概念。器官是花的一個(gè)上位概念，指由多種細(xì)胞和組織構(gòu)成的、行使一定功能的結(jié)構(gòu)單位。器官的概念外延包括心臟、肺、腎臟等動(dòng)物器官，以及根、莖、葉、花、果實(shí)、種子這植物6大器官。桃花是花的一個(gè)下位概念。與器官、花這類需要通過下定義概括其特有屬性的定義性概念或抽象概念不同，桃花屬于具體概念，通過正例、反例的觀察與辨別可獲得其涵義，其概念外延包括桃花的各個(gè)品種及變種。

科學(xué)概念與科學(xué)概念之間的邏輯聯(lián)系，構(gòu)成了科學(xué)模型、原理與定律等科學(xué)知識，由此形成以科學(xué)概念為單元的、有結(jié)構(gòu)的科學(xué)知識體系。例如：根、莖、葉、花、果實(shí)、種子之間的結(jié)構(gòu)與功能的協(xié)同作用，構(gòu)成了植物體；電阻、電壓、電流等在電路中的關(guān)系形成了歐姆定律。因此，學(xué)生掌握科學(xué)概念是形成和表達(dá)科學(xué)知識體系的基礎(chǔ)。

為何要重視科學(xué)概念的教學(xué)

自國際公眾科學(xué)素養(yǎng)促進(jìn)中心主任米勒（Miller，1983）在前人的研究基礎(chǔ)上，提出了影響至今的科學(xué)素養(yǎng)三維模型以來，科學(xué)概念就一直是科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分。我國中小學(xué)的綜合科學(xué)課程（包括初中科學(xué)、小學(xué)科學(xué)等學(xué)科）與各分科科學(xué)課程（包括物理、化學(xué)、生物、地理等學(xué)科）借鑒米勒的三維模型，從知識、能力和態(tài)度這3個(gè)維度提出各自學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)教育目標(biāo)與內(nèi)容（教育部，2011，2017）。概括中小學(xué)科學(xué)教育各類課程標(biāo)準(zhǔn)，可提煉出我國中小學(xué)科學(xué)教育在培養(yǎng)中小學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)方面的共性目標(biāo)，分別是：獲得科學(xué)事實(shí)、概念、原理和規(guī)律等基礎(chǔ)知識，理解科學(xué)知識在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用，以及對社會發(fā)展的影響；掌握科學(xué)思維和科學(xué)探究的方法，并能在科學(xué)實(shí)踐中應(yīng)用這些方法解決真實(shí)世界中的實(shí)際問題；養(yǎng)成對科學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，具備實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神，形成運(yùn)用科學(xué)知識和技能參與社會決策的意識和責(zé)任感。

隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，以及知識經(jīng)濟(jì)的到來對21世紀(jì)人才的綜合能力與核心素養(yǎng)的需求，國際科學(xué)教育與教育測評項(xiàng)目對科學(xué)素養(yǎng)的界定又有所發(fā)展，進(jìn)一步增強(qiáng)對科學(xué)應(yīng)用，以及科學(xué)、技術(shù)、工程、社會之間的關(guān)系理解的要求。例如，美國于2013年頒布的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》要求美國科學(xué)教育通過以圍繞科學(xué)大概念而組織的科學(xué)實(shí)踐提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)。

從美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》的實(shí)踐內(nèi)涵看，除了強(qiáng)調(diào)對問題基于證據(jù)的解釋，即探究，還重視社會與文化在科學(xué)探究中的權(quán)重，從而將科學(xué)回歸到人類的實(shí)踐本質(zhì)特征上，脫離了“科學(xué)研究就是實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)與理論研究”的單一圖景（林靜，2014）。由此，美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》從以下3個(gè)維度組織科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)與內(nèi)容：科學(xué)知識維度——科學(xué)與工程的跨學(xué)科概念和學(xué)科核心概念；能力與過程維度——科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)的實(shí)踐；科學(xué)社會學(xué)維度——科學(xué)、工程與社會之間的關(guān)系。

由以上所述可見，科學(xué)概念一直是科學(xué)素養(yǎng)的重要維度。而學(xué)習(xí)科學(xué)在專家與新手方面的比較研究結(jié)果，佐證了科學(xué)概念在科學(xué)素養(yǎng)發(fā)展中的重要性。研究表明，專家與新手的差異不僅僅表現(xiàn)在能力方面（如記憶力、推理與建模能力），還在于專家具有寬厚且結(jié)構(gòu)良好的知識。概念是專家組織和呈現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)良好的知識的基本單元。這些結(jié)構(gòu)良好的知識能使專家識別新手注意不到的信息特征和有意義的信息模式，從而影響專家對信息的組織、再現(xiàn)和理解，進(jìn)而影響專家的記憶、推理和問題解決能力。

物理、數(shù)學(xué)和歷史等學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)習(xí)科學(xué)研究結(jié)果進(jìn)一步表明，專家擁有的結(jié)構(gòu)良好的知識不是一些孤立的事實(shí)或命題，而是以大概念或核心概念組織的專業(yè)知識體系，即有層級的概念體系。在問題解決中，專家的大概念或核心概念的思維方式有利于專家提高對問題的理解力。而新手的知識極少是以大概念或核心概念組織的，他們往往通過自己的日常直覺尋找解決問題的答案。

由此，國際科學(xué)教育界進(jìn)一步深化“少而精”的科學(xué)教育理念，提議科學(xué)教育應(yīng)致力于讓學(xué)生理解科學(xué)大概念的科學(xué)教育原則，并提出14個(gè)科學(xué)大概念，包括科學(xué)概念，以及關(guān)于科學(xué)本身和科學(xué)在社會中所起作用的概念（Harlen等，2010）。我國科學(xué)教育的各類課程標(biāo)準(zhǔn)也都提出要圍繞科學(xué)重要概念組織科學(xué)課堂教學(xué)以提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的教學(xué)建議，強(qiáng)調(diào)發(fā)揮重要概念或核心概念在課程內(nèi)容組織與學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)發(fā)展方面的重要價(jià)值。

如何評價(jià)學(xué)生的概念學(xué)習(xí)

目前有一糟糕的現(xiàn)象，是教師以為學(xué)生都理解了所學(xué)內(nèi)容，學(xué)生自己也以為自己理解了所學(xué)內(nèi)容，但其實(shí)未必，因?yàn)閷W(xué)生一遇到新情境或?qū)嶋H問題，就不能遷移應(yīng)用這些新學(xué)的內(nèi)容。這一糟糕現(xiàn)象是與教師的教學(xué)評價(jià)理念及其掌握的評價(jià)技術(shù)有關(guān)的。若科學(xué)課程的學(xué)習(xí)被作為知識的掌握而不是素養(yǎng)的提升，那么教學(xué)評價(jià)的出發(fā)點(diǎn)就會在于檢查學(xué)生掌握的知識，而學(xué)生只用記憶知識的文本涵義就可應(yīng)對這樣的教學(xué)評價(jià)。

從學(xué)生概念學(xué)習(xí)的角度看，當(dāng)處于以下4種狀況時(shí)，可以說學(xué)生理解了或者有了理解：當(dāng)學(xué)生建構(gòu)的意義能獲得他人的共鳴或分享時(shí)；當(dāng)學(xué)生觀點(diǎn)中的內(nèi)在矛盾獲得調(diào)和時(shí)；當(dāng)學(xué)生的解釋沒有多余或者不必要的命題時(shí)；當(dāng)學(xué)生能夠以科學(xué)范式的概念和方法確證他們的觀點(diǎn)時(shí)。

評價(jià)學(xué)生對科學(xué)概念的理解，不僅僅是在學(xué)習(xí)結(jié)束之時(shí)，更應(yīng)該在學(xué)習(xí)過程中以評價(jià)促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)與理解。已有研究顯示，最佳的評價(jià)反饋模式是及時(shí)對錯(cuò)反饋與詳細(xì)報(bào)告反饋的組合運(yùn)用，最有利于促進(jìn)學(xué)生投入與表現(xiàn)（van der Kleij等，2012；Hattie和Timperley，2007）。為此，科學(xué)教師不僅要掌握教學(xué)測評的一些基本技術(shù)，如命題規(guī)劃、信效度與難度的把握等，更要掌握多種測評方式，將評價(jià)嵌入學(xué)習(xí)活動(dòng)之中，全程監(jiān)控與評價(jià)反饋學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。

在測評方式上，除了紙筆測評，還有觀察與訪談、作圖與寫作、概念圖與V形圖、表現(xiàn)性評價(jià)，以及計(jì)算機(jī)交互式測評等多種方式可運(yùn)用于測評學(xué)生的概念理解。

紙筆測評，是指以文字、圖表等書面方式表征的測驗(yàn)。選擇題、填空題、簡答題、計(jì)算題等題型，是常見的紙筆測評試題類型。通過這些題型，可以測試被試者對知識的識記、理解和運(yùn)用，也能測試被試者的邏輯推理和分析判斷能力、探究過程的心智技能，以及書面表達(dá)和交流能力等。

觀察評價(jià)是完全不同于紙筆測評的一種評價(jià)方式。沒有試題或問卷，在自然的現(xiàn)場狀態(tài)下進(jìn)行，被觀察者一般不知自己正在被觀察評價(jià)，評價(jià)完全是由觀察者一方發(fā)起和進(jìn)行的。觀察收集什么信息、對觀察所見給以怎樣的評判，都由觀察者單方把握。因此，一個(gè)客觀的觀察標(biāo)準(zhǔn)，對于提高觀察評價(jià)的信效度起著非常重要的作用。制訂觀察標(biāo)準(zhǔn)，包括細(xì)化觀察評價(jià)的目標(biāo)、基于目標(biāo)預(yù)期可觀察到的被試行為并確定評價(jià)行為的準(zhǔn)則，最后可以表征為一份觀察記錄單或者一份觀察評價(jià)表。

當(dāng)概念學(xué)習(xí)者年幼，或者學(xué)習(xí)者初步學(xué)習(xí)某一重要科學(xué)概念時(shí)，由于尚未了解相關(guān)的許多術(shù)語，就會難以用言語表達(dá)對科學(xué)概念的理解或應(yīng)用。在這種情況下，科學(xué)教師宜采用作圖的方式進(jìn)行評價(jià)。另外，學(xué)生在科學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)中，會有一些寫作方面的任務(wù)，例如，撰寫實(shí)驗(yàn)計(jì)劃、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)記錄、調(diào)查報(bào)告、論文等。這些科學(xué)寫作與文學(xué)創(chuàng)作不同，強(qiáng)調(diào)正確運(yùn)用科學(xué)術(shù)語及其證據(jù)對問題進(jìn)行合理的解釋或解答。將科學(xué)寫作作為評價(jià)學(xué)生科學(xué)概念理解的一種方式，不僅可以細(xì)致診斷學(xué)生科學(xué)概念理解情況，也可發(fā)展學(xué)生科學(xué)術(shù)語運(yùn)用，以及科學(xué)解釋、科學(xué)論證等科學(xué)探究能力，所以科學(xué)寫作還被作為促進(jìn)學(xué)生探究性學(xué)習(xí)的一種方式（Champagne，1996）。

概念圖是將概念以整合、層級方式表現(xiàn)其相互之間關(guān)系的工具，既可以作為學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)概念的認(rèn)知工具，也可以作為科學(xué)教師評價(jià)學(xué)生概念學(xué)習(xí)的評價(jià)工具。V形圖（Gowin，1981）既是學(xué)習(xí)者建構(gòu)意義的認(rèn)知工具，也是深度檢測學(xué)習(xí)者概念理解的評價(jià)工具。V形圖要求學(xué)習(xí)者或者被試對某一焦點(diǎn)問題能從具體事件或物體出發(fā)，剖析關(guān)鍵概念與方法論兩方面的要點(diǎn)，從而整合理論與實(shí)踐兩個(gè)方面對問題進(jìn)行深入思考與有效解決。

表現(xiàn)性測評是評價(jià)學(xué)生運(yùn)用已有知識解決真實(shí)的、具體的任務(wù)的一系列“表現(xiàn)”（Stiggins，2001；Baron，1991）。這一系列表現(xiàn)，是指學(xué)生以特定的方式執(zhí)行任務(wù)的所說、所做及所創(chuàng)造（Fitzpatrick和Morrison，1971）。在科學(xué)教育評價(jià)中，表現(xiàn)性測評就是讓學(xué)生面對富有挑戰(zhàn)性的真實(shí)問題，運(yùn)用所學(xué)的科學(xué)概念和能力，使用相關(guān)材料和儀器等實(shí)物，通過合理的過程解決問題。在測評指標(biāo)上，表現(xiàn)性測評指向于重要科學(xué)概念的理解，以及高階思維能力的運(yùn)用（Emiliannur等，2017；Shavelson等，1991），任務(wù)可以是在30～60分鐘的時(shí)間內(nèi)限時(shí)完成，也可以是經(jīng)過幾個(gè)月或1個(gè)學(xué)期這樣一段時(shí)間完成。

近20年來，國際教育評價(jià)改革聚焦于如何凸顯計(jì)算機(jī)人工智能與人腦在測評任務(wù)中的互動(dòng)（Booth，1991，1998），即人機(jī)交互（HCI），從而更智能地測評學(xué)生的綜合素養(yǎng)，以引領(lǐng)教育培養(yǎng)21世紀(jì)人才。例如，美國國家教育進(jìn)步評價(jià)項(xiàng)目（NAEP）于本世紀(jì)初就聚焦于交互式任務(wù)的探索，開展計(jì)算機(jī)交互式測評（ICA）試點(diǎn)研究，并在每輪學(xué)科測評中都加入交互式任務(wù)。2014年的首輪技術(shù)和工程素養(yǎng)測評則全部采用ICA，其交互式任務(wù)例如要求學(xué)生為一座城市設(shè)計(jì)可供人們將自行車作為主要交通工具的自行車道，為此學(xué)生不僅要考慮可滿足人們出行需求的工程設(shè)計(jì)問題，還要權(quán)衡成本與安全等問題（NAEP，2016）。這樣的任務(wù)，不僅評價(jià)學(xué)生對技術(shù)和社會、設(shè)計(jì)和系統(tǒng)，以及信息技術(shù)的認(rèn)知和理解，還評價(jià)融入學(xué)生情感態(tài)度的理解技術(shù)原理、制訂方案實(shí)現(xiàn)目標(biāo)、交流與合作等實(shí)踐能力（NAEP，2014，2016），從而真正有效測評與21世紀(jì)人才更匹配的素養(yǎng)。我國基礎(chǔ)教育也應(yīng)探尋適合我國基礎(chǔ)教育測評需求與應(yīng)用的科學(xué)素養(yǎng)計(jì)算機(jī)交互式測評理論與技術(shù)、測評工具與實(shí)施模式，發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢變革教育評價(jià)，以推進(jìn)我國基礎(chǔ)教育立德樹人根本目標(biāo)的落實(shí)、學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升，以及教育信息化的進(jìn)程。