科學教育中的能量大概念:內容釋義、哲學內涵與課程設計

李 剛 呂立杰 楊 曼

能量是維系經濟社會長足進步與全面革新的核心驅動,能量教育一直是國際科學教育中的重要內容。科學教育旨在通過系統連貫一致的課程設計提高學生能量素養,然而單純追求能量內容的廣度以及深度會使學習者完成學業時僅留下剝離的知識碎片和毫無意義的教學成就,缺乏對于真實能量世界的整體觀念。當前,越來越多的科學教育者開始聚焦于發展學生對于科學大概念的深入理解,著力于形成學生對于世界認識的宏大圖景。科學大概念提供了全面審視能量教育的新視角,基于此建立能量大概念的科學大概念系統具有一定的理論價值與實踐依據,能夠進一步推進與深化我國的基礎教育科學課程改革。

一、科學教育的大概念潮流:來自時代的需求

大概念研究早已有之,科學大概念(big ideas of science)則于2010年由英國教育家溫·哈倫(Harlen)在《科學教育的原則和大概念》一書中正式提出,受到科學教育領域廣泛關注,美國、日本、韓國等國家紛紛以大概念建構本國的科學教育課程。2017年2月,我國教育部頒布的《小學科學課程標準》突出了科學大概念對于教學內容的統領和安排。①劉恩山:《〈義務教育小學科學課程標準〉的變化及其影響》,《人民教育》2017年第7期。基于科學大概念引領課程與教學的科學教育浪潮已經拉開序幕。

(一)科學教育的自省

作為科學發展基石的科學教育已經延續數百年,百年間科學教育范式的變革讓科學教育不斷煥發新的生機并日益成為全球化時代背景下各國提升綜合國力的戰略共識。與此同時,為了實現更加公平、更有質量的新時期科學教育,響應時代需求,順應學生發展,科學教育工作者仍在不斷地追問和反思當前科學教育所陷入的迷途及所面臨的困境。

1.科學教育的破碎迷途

科學教育應是完整的,而非破碎的,這種完整性強調科學教育的結構完整性與功能完整性,對于科學教育完整性認識不足是其陷入破碎迷途的主要原因。首先,結構完整性是指科學教育內容是完整的與系統的。不少國家和地區的科學教育缺乏嚴密的科學內容邏輯體系支撐,科學內容呈現出學科間割裂化與學科內碎片化的狀態。學科間割裂化主要是指傳統分科教學使科學內容分科化編排傾向明顯,物理、化學等各個科學學科間沒有清晰的聯絡節點,科學教育的邏輯框架比較混亂。學科內碎片化主要是指為了減輕學生學習負擔而對科學內容采取的刪減策略與選擇自由,使得科學內容出現彼此間的聯系不暢,學生難以理解,教師難以教授。其次,功能完整性是指科學教育不僅僅傳授知識,其價值功能是完整的,應包含知識、思維、方法、原則和精神五個方面的內容,知識是基礎,思維、方法、原則是框架,精神則是核心。②楊叔子:《科學教育:整體把握,突出核心》,《科學與社會》2015年第3期。僅僅局限于知識的科學教育是教條的科學教育,失去了科學原則與精神的科學教育,會使科學教育偏離方向,甚至走向反科學之路。科學教育并不簡單是作為一門學科教育而存在,更是作為形成學生認知模式與思維模式的一個過程而存在。

2.科學教育的落地困境

科學教育一直在探索如何在教學實踐中更加有效,這種有效能夠讓學生具備其適應自身終身發展與社會發展的關鍵能力與必備品格。科學教育的最終目的是促進學生理解科學本質,提升學生科學素養。2011年,美國國家研究理事會(NRC)發布《K-12年級科學教育框架》,著重倡導科學探究轉向科學實踐。一直以來,科學探究被視為科學教育落實的核心,是在所有學科內通用的獲取和理解知識的手段,但來自情境學習、科學家職業的社會學與人類學研究的證據顯示,特定的科學內容是在特定的科學實踐中生成和發展的,實踐是先于知識而存在的。③肖思漢、William A.Sandoval:《科學課堂上的“探究”與“實踐”有何不同》,《課程·教材·教法》2017年第12期。科學教育的實踐轉向使得科學教育工作者必須再次思考其所帶來的諸多變化并為其做好準備。這主要包括四個方面:一是科學教育的重心將不再是科學事實,二是單一學科已經無法滿足解決問題的需要,三是任何學科知識都需要在具體的實踐活動中得以呈現、學習與理解,四是科學教育必須要指向所有人的終身學習實踐。全新的科學教育觀念要求教師必須面對如何更好地解釋科學知識的本質,如何更好地建立生活情境與科學問題、方法等之間的聯系,如何更好地打通不同領域之間的關系等諸多挑戰,探索與討論科學教育的新方法、新途徑變得極其艱難但又異常重要。①肖思漢:《論科學素養的“日常實踐”轉向》,《全球教育展望》2017年第11期。

(二)大概念的引入

大概念,英文big idea(concept),也有學者將其譯為大觀念。在教育領域,有關大概念的研究至少可以追溯到布魯納(Bruner.J.S)對于教育過程的研究。布魯納強調,無論教師教授哪類學科,一定要使學生理解該學科的基本結構,有助于學生解決課堂內外所遇到的各類問題。掌握事物的基本結構,就是以允許許多別的東西與它有意義地聯系起來的方式去理解它,學習這種基本結構就是學習事物之間是怎樣相互關聯起來的。教師若掌握學科的基本概念架構,有助于學生對學科知識的記憶保留,并促進學習的遷移。②布魯納:《教育過程》,邵瑞珍譯,文化教育出版社1982年版,第26-30頁。

有研究者從認知發展的角度闡述大概念,克拉克(Clark.E)基于布魯納等人的研究,在定義觀念(concept)時提到,觀念是理解和聯結小觀念的大概念(big idea),并將觀念與大概念等同起來,認為它們提供了構建自己理解的認知框架或結構。③Clark E.Designing and implementing an integrated curriculum:A student-centered approach.Brandon,Vermont:Holistic Education Press,1997,p.94.懷特利(Whiteley.M)強調大概念是理解的建筑材料,可以被認為是有意義的模式,用以使人們能夠聯結其他零散的知識點。④Whiteley M.Big ideas:“A close look at the Australian history curriculum from a primary teacher’s perspective,”Agora,vol.47,no.1,2012,pp.41-45.

有研究者從課程內容的角度界定大概念,埃里克森(H.L.Erickson)認為大概念是指向學科中的核心概念,是基于事實基礎上抽象出來的深層次的、可遷移的概念。⑤Erickson H L.Stirring the Head,Heart,and Soul:Redefining Curriculum and Instruction.California:Thousands Oaks,2000,p.33.威金斯和麥格泰(Wiggins&Mctighe)提到大概念是出于課程學習中心位置的觀念、主題、辯論、悖論、問題、理論或者是原則等,能夠將多種知識有意義地聯結起來,是不同環境中應用這些知識的關鍵。⑥Wiggins G,Mctighe J,and Alexandria V.Understanding by design(expanded 2nd ed).Association for Supervision&Curriculum Development:Alexandria,VA,2005,p.191.

也有研究者從學科教育的角度分析大概念。數學教育和科學教育研究尤其重視大概念的問題。查爾斯(Charles.R.I)將大概念定義為對數學學習至關重要的觀念的陳述,是數學學習的核心,能夠把各種數學理解聯系成一個連貫的整體,大概念使我們將數學看作一個連貫的大概念集合。⑦Charles R.“Big ideas and understandings as the foundation for early and middle school Mathematics,”NCSM Journal of Educational Leadership,vol.7,no.3,2005,pp.9-24.哈倫(W.Harlen)從科學教育角度提出了14項科學教育的大概念,其認為大概念是能夠用于解釋和預測較大范圍內物體和現象的概念,概念有大有小,大概念只是一個相對的概念。⑧Harlen W.Principles and big ideas of science education.Hatfield,UK:Association of Science Teachers,2010,p.6.查莫斯(C.Chalmers)在研究STEM的大概念時,認為其可以分為兩種類別:內容大概念和過程大概念。內容大概念主要是原理、理論或者模型,例如加減法、原子理論、概率模型等;過程大概念是與獲取和有效使用知識有關的技能,例如觀察、實驗、解釋等。⑨Chalmers C,Carter M,and Cooper T.“Implementing‘Big Ideas’to Advance the Teaching and Learning of Science,Technology,Engineering,and Mathematics (STEM),”International Journal of Science&Mathematics Education,vol.15,no.1,2017,pp.25-43.

大概念是一個具有復雜內涵的教育理念,無論是宏觀層面的認知框架,還是中觀層面的課程線索,以及微觀層面的教學設計,大概念都顯示出獨有的貢獻。一般情況下,大概念是基于學科的基本結構和方法,它們不是具有簡單的具體答案的事實問題,大概念指向的是具體知識背后的核心內容。深入把握大概念在教育領域中的價值,將有效推進我國的教育改革進程。

(三)科學大概念分析系統的建立

科學大概念是大概念在科學領域中的特定表現形式,是對科學領域的宏觀概括認識,它的提出源自于2009年10月在蘇格蘭羅蒙湖舉辦的一次針對中小學科學教育問題的小型國際研討會。會議由來自世界各地的科學家、工程師以及教育家等10位專家,通過會前收集資料、會上研究討論以及會后持續通信,最終形成了報告——《科學教育的原則和大概念》,提出了中小學科學教育中有關科學知識及科學本身的大概念。2014年,原來的專家組成員增加至11位,詳細探討了上述原則和大概念應用教學實踐的特征及其所產生的影響,形成了第一次研討會成果的后繼之作——《以大概念理念進行科學教育》,指出科學教育不是知識片段的堆積,而是有結構的、有聯系的模型。

圍繞科學大概念進行科學教育需要對科學大概念進行更為清晰和深入的認識,建立科學大概念分析系統實屬必要。事實上,科學大概念已經不單單是一個名詞或者符號,其背后隱藏著一個意義世界,已經遠遠超出普通概念的內涵與外延,負載著整個科學理論體系。科學大概念的分析與考察可以經由三種路徑。一是2013年美國頒布的《下一代科學教育標準》將科學大概念分為三種類型:第一種類型是統領各自領域內的大概念,也被稱作學科核心概念;第二種類型是在各個領域中更通用、更上位的大概念,也被稱作通用概念;第三種類型是對科學本質基本理解的大概念。這三類大概念并不是嚴格區分的,例如能量大概念既是學科核心概念又是通用概念。①郝興敏:《對圍繞大概念組織教學的思考》,《湖北教育》(科學課)2018年第1期。二是20世紀90年代HPS(科學史、科學哲學與科學社會學)開始進入科學教育,歷史語境使學生按照科學真正的發生方式去理解科學概念,哲學思辨具有使學生理性判斷科學的雙刃劍功能,社會學讓學生清晰認識到科學建構與社會形成之間的復雜關系。②張晶:《HPS(科學史、科學哲學與科學社會學):一種新的科學教育范式》,《自然辯證法研究》2008年第9期。三是科學大概念的發展進程可以理解為是從小概念向大概念的轉變,這個建構過程是復雜的,往往歷經基礎知識與技能、學科核心概念、跨學科主題以及哲學觀點等過程,向科學大概念趨向的建構模式需要引起教師的特別注意。③胡善義:《以大概念的理念建構科學概念的教學研究——以〈溶解〉單元為例》,《教育導刊》2018年第3期。

從認識論上來看,科學大概念是學生認識科學世界的思維方式;從學習論上來看,科學大概念是學生研究科學世界的組織工具;從價值論上來看,科學大概念承擔著引發學生思考、塑造學生科學素養的重要功能。通過以上討論,我們認為,建立科學大概念分析系統需要三個子系統,即內容系統、哲學系統與課程系統,三個子系統形成首尾相接的科學大概念分析系統,如圖1所示。其中,內容系統是指某一科學大概念的篩選策略及其基本內容,與課程系統形成一一對應;哲學系統是指某一科學大概念背后所隱匿的哲學觀點與啟示,由內容系統歸納遷移得出;課程系統是指某一科學大概念融入課程的原則與途徑,根據哲學系統進行演繹遷移獲得,并與內容系統融會貫通。

圖1 科學大概念分析系統

二、科學教育中的能量大概念

能量大概念是科學大概念中比較特殊的一類大概念,其既蘊含在各自學科中,又體現在各個學科間,這是源于能量本身的特殊性。近代科學的能量概念自1807年由英國物理學家托馬斯·楊正式提出之后廣泛用于解釋各類科學現象,例如機械運動、化學反應、火山噴發等,能量已然成為科學教育中不可缺少的重要組成。能量大概念是對于科學教育中能量部分的總括性審視與深度性架構,對能量大概念進行系統分析之前需要對其相關文獻進行有效遴選和梳理準備,分析能量大概念的特征屬性,為進一步研究提供支撐。

(一)能量大概念文獻遴選

能量大概念文獻遴選是對能量大概念進行系統分析的前提性工作,其主要來源包括三個方面:一是世界各國(地區)課程標準中對于能量大概念的直接關注,即國際標準中的能量大概念表述(詳見表1);二是有關科學大概念及能量概念(觀念)的相關研究中對能量大概念的討論,即科學研究中的能量大概念(詳見表2);三是能量教育或能源教育課程中對于能量大概念的模糊論述,即能量教育中的能量大概念(詳見表3);四是能量素養或能源素養研究中對于能量大概念的相關闡述,即能量素養中的能量大概念(詳見表4)。

表1 國際標準中的能量大概念表述

表2 科學研究中的能量大概念表述

續表

表3 能量教育中的能量大概念表述

表4 能量素養中的能量大概念表述

(二)能量大概念基本特征

能量大概念是基于能量的基本結構和方法,它們不是具有簡單的具體答案的事實問題,能量大概念指向的是具體能量知識背后的核心內容。對于能量大概念特征屬性的理解,我們可將其簡單概括為Energy Cent(能量幣)。

1.能量大概念呈現中心性(Centrality,C)

不是能量內容中所有的概念都能稱之為能量大概念,能量大概念不是基礎概念,而是聚合概念。能量大概念就如同一個文件夾,提供了歸檔無限能量小概念的有序結構或合理框架。有限的能量大概念之間相互聯結,共同構成了能量內容的連貫整體,使能量內容不再被視為一套斷斷續續的概念、原則、事實和方法。能量大概念居于能量內容的中心位置,集中體現了能量內容的結構和本質。

2.能量大概念呈現可持久性(Enduring,E)

能量大概念是對能量內容的深入理解,有的教師會在能量教學中思考,能量教育希望學生學到什么,在忘記了那些事實性的知識之后還剩下什么,這里的“什么”其實就是能量中的大概念。能量大概念不是暫時保存的記憶,而是具有可持久性,是經驗和事實消失之后還存留的核心概念。能量大概念能夠用于解釋學生學校學習和畢業以后生活中遇到的各類能量事件和現象,貫穿學生的一生。

3.能量大概念呈現網絡狀(Network,N)

能量大概念并不是無序游離在科學教育中,而是呈現出網絡狀結構。這種網絡狀結構包括了學科內網絡結構和學科間網絡結構(也可稱為跨學科網絡結構),每一個能量大概念則是完成網絡結構間通信的基站。學科內能量大概念網是指將某一學科進行縱向聯結,不同學段以能量大概念為中心進行課程內容的選取和組織,是課程設計的關鍵線索;學科間能量大概念網是指將某些學科進行橫向聯結,跨越兩個或者更多個知識領域,不同學科之間基于共同的能量大概念進行合理對接,有效地模糊了學科之間的邊界。

4.能量大概念呈現可遷移(Transferable,T)

在布魯納看來,遷移是教育過程的核心,應該使用基本的和一般的觀念不斷擴大和加深認識,這種遷移,從本質上說,一開始不是學習一種技能,而是學習一個一般觀念,然后這個一般觀念可以用作認識后繼問題的基礎,這些后繼問題是開始所掌握的觀念的特例。能量大概念有極大的遷移價值,隨著時間的推移能被應用于許多其他縱向的學科內情境和橫向的學科間情境,以及學校以外的新的情境。

三、科學教育中能量大概念的內容系統分析

對于科學教育應該教什么已經成為學界多年的爭論話題,這必須考慮社會、個人等多個主體的相互關系,使其達到平衡和共生。類似地,能量大概念具體內容的篩選和過濾除了需要上述文獻材料的結論支撐,同時更加需要一個科學合理的分析框架,這里我們使用課程重點理論(curriculum emphases)與課程平衡理論(curriculum balance)進行能量大概念內容的考察與確定。

課程重點理論由加拿大學者Roberts于20世紀80年代提出,認為理科課程往往包括七類課程重點,即日常應用,科學結構,科學、技術和決策,科學技能發展,正確的解釋,自我解釋者和牢固的基礎。①Roberts D A.“Developing the concept of ‘curriculum emphases’in science education,”Science Education,vol.66,no.1,1982,pp.243-260.為了更好地應用課程重點理論解釋理科課程,Vos等人在分析化學課程時將課程重點簡化為三類,即基礎化學(化學中知識、概念原理等的學習),化學、技術與社會(化學課程中技術與社會議題的學習)以及化學中的知識發展(化學史等方面的學習)。②Vos M A,Taconis R,and Jochems W M.“Teachers implementing context-based teaching materials:a framework for case-analysis in chemistry,”Chemistry Education Research&Practice,wol.11,no.3,2010,pp.193-206.課程平衡理論起源于美國20世紀80年代的科學素養運動,是指科學課程既要滿足從事科學研究的學生的需求,也要滿足成為普通公民的學生的需求。在課程內容上,平衡的課程應強調四個方面,即科學內容和科學概念,科學實驗和科學過程,科學、技術與社會的相互關系以及科學史和科學本質。③Wellington B J.Teaching and Learning Secondary Science:Contemporary Issues and Practical Approaches.New York:Routledge,2000,p.48.

基于對已有文獻的核查、課程重點與課程平衡理論的分析以及對能量大概念特征屬性的理解,我們認為能量大概念應包含四個方面的內容:能量本質內容,能量原理內容,能量實踐內容,能量責任內容。這四方面的內容由點及面,逐層擴展,形成典型的橢圓層結構,如圖2所示。

圖2 能量大概念內容系統

(一)能量本質內容

能量本質內容是對能量的定義及其本質的理解,用以回答能量概念從何而來以及能量是什么的問題。人類對于能量的認識是有一個漫長的歷史過程的,是在不斷地實踐、認識、再實踐與再認識的多次反復中逐漸形成的。能量概念是在物理學探求物質的不同運動形式之間的聯系當中制定的,是伴隨著能量守恒定律和能量轉化定律的發現而揭示的。在自然界中,不同的運動形式盡管各有特點,但都是物質的運動,物質的每一種運動都具有運動的量度,或做功的本領,這個物理量就叫作能量。它是物質運動的一般量度,不同的運動形式以不同形式的能量來量度,例如機械能、電能等。雖然能量研究主要在物理學中,但每門科學幾乎都涉及能量問題,例如天文學的行星運動時所具有的能量,生物學中螳螂捕蟬時前肢釋放的能量,化學中物質變化產生的能量等等。

除了科學領域對能量概念的探討,哲學領域對能量的研究更揭示了能量的內在意義。在19世紀末20世紀初,唯心論的哲學家否定了物質的客觀存在,認為物質轉化為能量后,物質的概念已經被消滅了,產生了以德國化學家Ostwald為代表的唯能論。唯能論是唯心論的變種,這一理論受到了唯物論學者的粉碎性批判。恩格斯指出,能量是物質運動的量度,其最本質的方面是反映了各種運動形態之間的轉化關系。①吳延涪:《恩格斯論能量守恒與轉化定律及其哲學意義》,《教學與研究》1962年第3期,第11-14頁。物理學中度量運動的物理量有很多,例如動量、角動量、自旋等,但是能量是一切運動中最為普遍和最為基本的量度,它仍然是物質的最重要的屬性,也統一于物質,能量不能脫離物質而存在,但能量也和物質一樣是客觀的,既不能被創造也不能被消滅。

(二)能量原理內容

能量原理是用以體現能量本質的具有普遍意義的基本規律,是在觀察實踐的基礎上獲得的用以指導實踐同時接受實踐檢驗的能量命題或者定律,主要包括能量形式、能量轉化、能量守恒、能量流動和能量耗散五方面的內容。

能量形式是指能量存在的形式種類,人類目前所認識的能量形式有六種,分別是機械能、熱能、電能、輻射能、化學能以及核能。機械能是指物體宏觀機械運動或空間狀態相關的能量,包括動能和勢能兩種;熱能也稱內能,是構成物質微觀分子做熱運動的動能和勢能的綜合,宏觀表現是溫度的高低;電能是和電子流動與積累有關的一種能量;輻射能是物體以電磁波形式發射的能量;化學能是儲存在化學鍵中的能量,在發生化學變化時釋放;核能是儲存在原子核內部的能量。②周乃君:《能源與環境》(第2版),中南大學出版社2013年版,第77頁。

能量轉化是指雖然能量不能被創造也不能被毀滅,但是各種能量形式之間相互轉化以及不同物體之間的能量轉移。能量可以從一種形式轉化成另一種形式,也可以從一個物體轉移到另一個物體。例如摩擦生熱是機械能轉化為內能,水輪機發電是機械能轉化為電能,熱能可以從溫度高的物體轉移到溫度低的物體。

能量守恒是指能量不會憑空消失也不會憑空產生,在一個封閉的系統中,能量在轉化或轉移過程中總量是保持不變的。能量守恒定律是自然界最普遍的基本定律之一,例如在只有重力做功的系統中,系統內的機械能在動能和重力勢能之間相互轉化,但其總量保持不變。

能量耗散是指雖然能量是守恒的,但是能量的轉化和轉移是有方向性的,也就是說能量只能從有效能量轉化為無效能量,從可利用能量轉化為不可利用能量,并且這個過程是不可逆的。例如燃燒過程是化學能轉化為內能的過程,但是再將內能轉化為化學能是十分困難的。能量耗散說明了能量的利用會受到方向性的制約。

(三)能量實踐內容

近年來,實踐優位的科學觀逐漸替代表現主義的理論優位的科學觀。在美國科學哲學家勞斯看來,科學實踐是充滿社會意義和歷史意義的活動,其不僅僅是行動模式,同時也是對世界進行有意義的塑造。③Rouse J.How Scientific Practices Matter:Reclaiming Philosophical Naturalism.Chicago:University of Chicago Press.2002,p.25.加拿大科學哲學家哈金指出,科學實踐不再是理論的附庸,僅僅為理論提供支持與論證,而是具有獨立的、多樣化的內涵。④Hacking I.Representing and Intervening.Cambridge:Cambridge University Press.1983,pp.220-225.科學觀的轉向對科學教育的影響巨大,科學教育的漫長發展經歷了把科學作為知識到把科學作為研究,再到把科學作為實踐的轉變。作為實踐的科學要求科學教育關注實踐情境的創設及其運用,這與科學實踐的情境化特征是分不開的。任何科學知識的獲得都離不開科學實踐,科學實踐是在一定情境中進行的科學活動,難以完全重復實踐。去情境化的科學知識只能是冷冰冰的、孤零零的、沒有活力的知識,同樣地,科學技能的培養也需要情境關涉加以領會。

能量本質與能量原理的揭示是人類在科學實踐過程中不斷積累的成果。科學實踐作為人類認識自然、改造自然的基本方式已經成為當前科學教育中不可或缺的重要內容。同樣地,學生認識、學習與理解能量本質與能量原理也離不開能量實踐過程。能量廣泛存在于學生的生活世界,如何在現有科學教育框架內挖掘并拓展能量實踐情境活動是十分重要的。按照勞斯的科學實踐觀,能量實踐是面向情境的,這種情景是主體介入的,也是機會主義的,①孫自揮:《教師教學研究情境性、介入性與機會性——基于科學實踐哲學的解讀》,《中國教育學刊》2013年第2期。據此,能量實踐可分為能量規范情境實踐與能量機會情境實踐兩個方面。能量規范情境實踐是指學生在儀器設備可知、實踐境況熟悉、人員訓練有素等實驗室或研究所中進行的能量學習與理解。能量規范情境實踐為學生提供了可見的物質性場所,能夠讓學習順利發生,但也限制住了學生思維的發展。能量機會情境實踐是指學生在隨機選擇的、資源未知的、需要探索的環境中進行能量的認識與解釋。能量機會情境實踐需要學生自主調整實踐策略,主觀發散研究方式,找到能量相關問題并進行解決,這為培養學生創造性思維提供了有利條件,但也往往會拖慢正常的學習進程。

(四)能量責任內容

在科學技術迅猛發展的當今時代,科學為人類社會帶來眾多福祉的同時卻也給人類帶來了諸多問題,例如石油、煤炭等諸多能量資源的過度開采和使用極大地促進了經濟發展卻也已經導致了環境污染等諸多問題。從科學研究到社會應用是一個關涉復雜機制的漫長過程,是科學轉化也是科學普及的連續過程。不僅僅是科學家,普通公眾也有責任及義務對科學之于人類的影響進行關注并采取適當行動,共同為人類發展命運負責。根據已有分析,能量責任主要包括能量責任意識和能量責任行動兩個方面。

能量責任意識是指學生能夠認識并認同自己在能量學習過程中所肩負的職責范圍并自覺承擔和認真履行的心理特征。能量責任意識具體是指學生能夠認識到能量不應該被隨意浪費,認識到必須提高能量使用效率,節約能量應從自身做起,能夠認識到綠色消費行為可以降低能量消耗,愿意使用各類節能產品,能夠透過各類能量事件認識到能量安全以及能量對環境的影響和沖擊,能夠主動思考能量管理的方案策略并且認識到能量可持續發展的重要意義等等。

能量責任行動是指學生對于能量責任意識的擔當與踐行,做出負責任的具體行動。能量責任行動具體是指學生能夠主動與他人分享日常生活中節能減排的方法,能夠主動鼓勵家人及朋友調整生活方式以達到節約能量,能夠積極參與學校、社會等組織的能量問題調查與研究,并為之設計可行的節能減排計劃方案等等。

四、科學教育中能量大概念的哲學系統分析

愛因斯坦指出,“科學研究的結果,往往使離開科學領域很遠的問題的哲學觀點發生變化。……哲學的推廣必須以科學成果為基礎。可是哲學一經建立并廣泛地被人們接受以后,它們又常常促使科學思想的進一步發展,指示科學如何從許多可能的道路中選擇一條路”。②愛因斯坦、英費爾德:《物理學的進化》,上海科學技術出版社1962年版,第39頁。科學與哲學相互作用,科學在哲學的規范方式之中,同時又可以確認或否認哲學體系,任何一種科學都包含著普遍理性的原理,這些原理背后都滲透著某種哲學觀念,體現著某種哲學思維。基于此,我們以馬克思主義哲學原理中的自然辯證法為依托,像棱鏡一樣從辯證唯物主義自然觀、科學技術的認識論與方法論、科學技術觀三個方面審視能量大概念背后的哲學觀念,如圖3所示。

(一)辯證唯物主義自然觀中的能量

辯證唯物主義自然觀是對自然界的辯證法的研究,旨在說明與探討自然界的存在方式、演化發展等關系。一直以來,形而上學者認為宇宙之間各種不同的事物都是彼此孤立、毫不相關的,唯心主義自然觀認為物質運動可以隨意創造和消滅。能量轉化與守恒定律的揭示給予其沉重的打擊,用科學成果證明了物質運動的客觀性,即物質運動既不能創造也不能消滅,也表明了物質運動形式是多樣性的又是統一的,原來被認為自然界中孤立的運動形式可以在一定條件下相互聯系、相互轉化,構成了整個自然界運動的統一過程,例如機械運動、熱、光等都是可以相互轉化的。①吳延涪:《恩格斯論能量守恒與轉化定律及其哲學意義》,《教學與研究》1962年第3期。正如列寧所說,“辯證唯物主義堅持任何關于物質構造及其特性的科學命題的近似的、相對的性質,堅持自然界中沒有絕對的界限,堅持運動著的物質之從一種狀態轉化為另一種從我們的觀點看來仿佛是與它不可調和的狀態、諸如此類”。②列寧:《唯物主義與經驗批判主義》,人民出版社1956年版,第266頁。

圖3 能量大概念哲學系統

(二)科學技術的認識論與方法論中的能量

科學技術的認識論與方法論是科學技術研究中所使用的認識與實踐方法的哲學概括,是人類認識自然和改造自然的一般方法的理論。認識能量是一個漫長而又復雜的過程,是人類在生產實踐與科學實驗的基礎上對自然界長期認識的結果。能量概念起源于對力學的研究,伽利略于1638年在討論自由落體運動時為在重力場中考察物體的機械能提供了鋪墊,萊布尼茨于1686年在對動量的研究中提出了“活力”概念及“活力”守恒原理,并與笛卡爾進行了一場有關“活力”的曠日持久的世界性論戰,隨后,托馬斯·楊于1801年在一次演講中使用“能”代替了“活力”,湯姆遜于1853年提出了現代意義上的能量概念。③許定安、史新奎:《能》,科學出版社1956年版,第266頁。在對能量進行認識的過程中,能量概念的提出是科學抽象的過程,認識從感性階段過渡到理性階段,從基本概念反映到本質屬性,從個別經驗發展到普遍原理,最終形成對于能量的全面認識。

(三)科學技術觀中的能量

科學技術觀是對科學技術本質及其發展規律的總體看法,是從哲學高度審視科學技術系統自身及其與社會系統等之間的關系。科學技術具有生產力功能,科學技術革命影響著人類發展及未來走向,同時也受經濟、政治、文化、教育等因素的影響。能量是人類賴以生存的基礎,是推動科學技術發展的基石,在工業革命時期,蒸汽機的發明,石油、煤炭等能量的大規模使用迅速促進了人類社會的極大發展,但隨之引發的環境污染以及能量不可逆性特征使人們開始降低不可再生能源的使用,轉而研發清潔能源技術。1973年、1979年和1990年三次石油危機的爆發給予人類深痛的認識,僅是關注科學進步、忽略社會影響是萬萬不可的,推進全民能量教育、增強公民能量責任意識勢在必行。

五、科學教育中能量大概念的課程系統分析

圖4 能量大概念課程系統

傳統的課程與教學通常花費大量時間教授給學生不連貫的事實、術語以及公式等細節內容,錯過了重要的概念,然而這些細節很快就被遺忘或者可能不需要知道,不少學生在離開學校之后仍然不了解一些基本的概念。我們很多人都學習了這些具體細節,但卻錯過了最主要的信息——大概念。能量大概念代表了科學教育中能量本質,具有超越課堂的可持續價值,圍繞能量大概念進行的課程設計能夠使學生的學習更加深入貫通,幫助學生形成能量觀念,讓學生像專家一樣看待和思考能量知識,便于知識的提取和遷移,最終使學生形成帶得走的能力,而不是背不動的書包。

(一)能量大概念的課程價值

能量大概念可以幫助學生綜合地理解能量內容,可以作為課程單元設計的基礎。依據能量大概念設計的課程與學生逐一學習的小概念形成一定的相關性,同時能夠從整體上把握能量課程結構。比爾和古斯(Bill&Goos)在研究澳大利亞數學課程時指出,雖然知識內容按照傳統課程安排在教學大綱中是非常方便的,但不適用于處理經常需要運用跨學科方法的現實世界,使用大概念進行概念聯結是有效解決問題的關鍵。①Atweh B,Goos M.“The Australian Mathematics Curriculum:A Move Forward or Back to the Future?”Australian Journal of Education,vol.55,no.3,2011,pp.214-228.沃克(Wlker.S)參與美國五年實驗計劃“透過藝術改造教育”(Transforming Education Through the Arts Challenge)的研究中深刻體會到大概念在課程設計中的重要角色,并提出了圍繞大概念進行課程建構的要領和基本步驟;②Walker R S.“Designing Art Curriculum with Big Ideas,”Journal of Arts Education,vol.2,no.139,2004,pp.52-55.韓國天主教大學的邦(Bang,D)則利用知識金字塔整合大概念的內容進行STEM課程單元設計。

能量大概念為學生提供了一個組織信息的藍圖,減少了必須記住的能量內容數量,強化了學生的遷移能力。希伯特(Hiebert)指出,如果學生能夠了解所學的內容同已知的其他內容的關聯,學生就能很好地理解,并且這種關聯的數量和強度越大,學生理解得越透徹。③Hiebert J.&Carpenter T P.“Learning and Teaching with Understanding”.In Handbook of Research on Mathematics Teaching and Learning,Edited by Douglas A.Grouws.New York:Macmillan.1992,pp.65-97.學生依據能量大概念可以有序組織其在學習期間遇到的能量事實、概念、過程和方法,建立學習單元之間以及與其他學習領域的聯系,使學生感覺到自己所做的一切都與能量大概念這個中心有關。能量大概念為教師提供了一個有效的方式來組織教學單元的內容。教師圍繞能量大概念組織教學時,可以更容易地從必要的內容中分離出不必要的細節,選擇合適有趣的活動,并將其組織成一個整體。美國數學教師理事會(NCTM)在其支持“共同核心國家標準”的學校數學原則和標準中指出,教師需要了解數學的大概念,能夠將數學視為一個連貫的整體。④National Council of Teachers of Mathematics.Principles and standards for school mathematics.Reston,VA:NCTM.2000,p.17.

(二)圍繞能量大概念進行課程設計的原則

設計圍繞能量大概念的課程架構沒有一蹴而就的方法,也沒有固定不變的法則,中心都是為了學生的全面發展,在具體實踐操作中,不必拘泥于任何一種,而應根據具體問題進行適宜調整,但是在具體落實過程中,應注意以下三點原則。

一是要重視觀念培養,創設思維情境。觀念是對現象的整體認識,是對于現象本體的、方法的以及價值的綜觀。學生在離開學校之后可能不從事相關行業,其所獲得的具體知識是十分容易遺忘的,而其所形成的觀念則不然,學生仍然能夠針對復雜的問題聯結相關零散的知識,即使無法準確回憶起具體的內容,但是能夠根據線索正確找到解決途徑。關照學生觀念培養的能量大概念課程設計應充分挖掘學生思維潛力,通過創設思維發展情境,培養學生的學科思維。課程設計如若讓學生產生思維活動,就要創設學生的經驗情境,讓學生的思維從情境中來,到情境中去,將可疑的、矛盾的、失調的情境變為清楚的、調理的、和諧的情境,真正的思維活動也就發生了,而這個過程以認識到新的價值、建立起新的觀念而告終。

二是要重視問題引領,激發探究興趣。波普爾認為,“知識的增長永遠始于問題,終于問題——越來越深化的問題,愈來愈能啟發大量新問題的問題”。⑤波普爾:《猜想與反駁——科學知識的增長》,傅季重譯,上海譯文出版社2001年版,第318頁。學習的過程本質上是解決問題的過程,同時也是學習如何解決問題的過程。無論是教師提出問題還是學生發現問題,問題都是促使學生學習進程發生和發展的不竭動力。問題具有啟發性,學生能夠在解決問題的過程中不斷理解知識的本質,明確思考的邏輯;問題還具有導向性,問題可以引導學生有目的地組織有效的方法策略,利于其建構學習內容之間的聯結。能量大概念本身具有抽象性及模糊性,學生不能簡單地通過被講授灌輸而習得,而是要通過問題探究獲得新知。因而,在課程設計中,注重激發學生的探究興趣,引導學生在不斷地求索與修正中完成對大概念的組織建構。

三是要重視持續影響,提供遷移機會。學生在接受學校教育后所獲得的帶得走的能力貫穿學生的一生,為學生的幸福奠定基礎,具有動態性長效的特點。學生帶得走的能力并不是完整無缺的能力,而是逐步發展的能力;不是短暫瞬間的能力,而是持續有效的能力。這種長效性能夠保證學生在后續發展中獲得穩定的幫助,關注能力在學生發展歷史過程中的重要角色。立足學習持續影響的能量大概念課程設計應意識到能量大概念的習得是一個緩慢的過程,提供給學生從課堂內走向課堂外、從學校內走向學校外的遷移機會是非常有幫助的。這種遷移不僅僅包括舉一反三并具有特定知識與技能指向的特殊遷移,同時包括原理和態度的遷移,也就是學科觀念的遷移,這種遷移帶有持續性和適應性,是對新問題的審視和改造,學生在這種遷移交互中逐漸習得能量大概念。

(三)圍繞能量大概念進行課程設計的途徑

眾所周知,課程理念落實向來是課程改革的重點也是難點,這主要是因為課程理念在落實過程中存在著不同程度的曲解和落差。圍繞能量大概念進行課程設計同樣是對國家課程標準核心思想的深度落實,其難度可想而知。逐漸興起的課程轉化理論(curriculum transformation)及追求理解的教學設計(understanding by design)能夠在宏觀模式上給予方向性的把握,同時在微觀實踐中給予方法性的指導。

課程轉化是當前國際范圍內課程改革研究的熱點內容,課程改革中的課程轉化指向的是課程改革理想在各個課程決定層級設計實施的承轉過程、異同變化與落實程度。在課程轉化過程中,正式課程會被刪減、排除、扭曲、遺失、疏忽、誤解,也有可能增加、加廣、加深,使得教師運作的課程及學生經驗的課程,偏離正式課程,或與正式課程大相徑庭,因此,關注各層級課程轉化的一致性,才能有效完成課程改革使命。①黃政杰:《課程轉化整合探究之概念架構研析》,《課程與教學季刊》2013年第6期。班克斯(James A.Banks)從多元文化教育的視角提出了四種課程轉化策略,分別是貢獻取向、附加取向、轉化取向與社會行動取向,簡明扼要,影響深遠,為能量大概念融入課程提供了整體思路上的導引。②Banks J.A.“Approach to Multicultural Curriculum Reform,”In:Banks J.A.and Banks C.M.,Eds.,Multicultural Education:Issues and Perspectives,2nd Edition,Allyn&Bacon,Boston,1993,pp.195-214.能量大概念是一個立體的概念,包含知識、技能、態度、觀念等多個層面的內容,不同層面的內容在選擇課程轉化策略時有所側重,但是這四種課程轉化策略并不是嚴格區分的,而是相互融合的,共同為能量大概念在課程中的滲透發揮作用。

追求理解的教學設計簡稱為UbD模式,強調通過教學設計促進學生的深層次理解,進而提升學生的理解能力,重點聚焦什么是理解以及如何促進理解兩方面內容,從預期的學習結果出發進行教學活動的安排,因而也被稱為逆向性設計(backward design)。UbD模式將什么是理解劃分為六個維度,即解釋、釋義、應用、洞察、移情與自知,六個維度從認識世界到認識自己逐級上升。在如何促進理解方面,UbD模式主張課程內容選擇的層級性、問題引導作用的關鍵性與探究發現機會的多向性。③嵇丹丹:《基于促進理解模式的“長方體和正方體表面積”教學設計研究》,揚州大學碩士學位論文,2017年。事實上,UbD模式十分重視學習內容的概念結構,鼓勵學生在大概念上深入持久透徹地理解,有效地融合并且順利地遷移,注重圍繞大概念進行教學活動的安排、評價任務的設計等等,這為能量大概念教學設計提供了完整的設計構架。