實施大概念學習 提升科學思維品質

陳宗榮

（廈門市教育科學研究院，福建 廈門 361001）

新一輪義務教育課標的修訂，最大的突破就是強調課程核心素養。新修訂的義務教育課程方案也將進一步深化教學改革，要求新教學應該堅持素養導向，強化學科實踐，推進綜合學習，落實因材施教。堅持素養導向，教學上就不只是關注具體的知識點小目標，還要關注更大更長遠的素養目標。實施大概念教學，可以加強學科內知識模塊的統整，推進跨學科實踐，建設具有高度關聯的綜合課程。堅持大概念視角，通過提取學科大觀念、強化知識之間的聯系，重視解決一般性的基本問題、提煉具有普適性的大觀點和通法，促進提升學生的科學思維品質。

一、學科大概念的內涵剖析

大概念可以是一個概念、主題或問題，它能夠使離散的事實和技能相互聯系并具有一定的意義。大概念是學科的“核心”，它們需要被揭示，因此我們必須深入探究，直到抓住這個核心。［1］只有揭示大概念，才能抓住關鍵思想并把相關內容知識聯系起來。不關注具有持久價值的大概念，學生所學習的知識則很容易成為被遺忘的知識碎片。大概念可以以各種不同的形式呈現，一個重要理論、一個核心概念或一個基本問題都可以是大概念。大概念與一般的定義不同：定義可以學習記憶并直接應用于解決具體問題；而大概念更多的是在問題解決過程中起指導性猜想作用，可以優化問題解決過程的科學思維的品質。

比如“勻速直線運動”是一個基礎概念，其相關特征規律可以直接應用在具體的問題解決中。而“理想化模型”是一個大概念，它可以指導我們的研究工作忽略次要因素，突出主要因素，從而建立指向事物本質特征的物理規律，優化建構物理模型的抽象概括過程，提高學生的建模能力。

義務教育階段，學科大概念在目標上指向課程核心素養——思維的敏捷性，內容上體現學科本質——思維的深刻性，過程中強調進階建構——思維的建構性，結果上注重理解遷移——思維的遷移性。從課程標準來看，學科大概念就是從學科視角形成的關于自然、社會和自我的基本認知，與學科觀念對等，包括物質觀、運動與相互作用觀、能量觀等。［2］從學習內容來看，學科大概念是反映學科本質、居于學科中心位置，且具有廣泛解釋力和預測性的少數思想和觀念，學科大概念具有相對性。［3］如“能量的轉化與守恒”“力的作用是相互的”是在中學物理學科中具有統攝功能的學科大概念。從建構過程來看，學科大概念從外圍的事實、關系、結論、概念、規律漸次進入學科知識內核，具有較高的抽象程度，屬于高階或高位的高級概念。如“運動是絕對的”是具有哲理性的指向本質的概念，是哲學大概念，而“參照物”是一個具體的學科定義，是表層概念。“等效替代”揭示一種學科思想方法，也是一個學科大概念。而“串并聯電路的總電阻”“力的合成分解”是具體的學科知識，屬于“等效替代”思想統攝下的學科概念。

二、學科大概念在提升科學思維品質上的作用

“雙減”背景下，學科教學要求實現知識“量”的減少和“質”的提升，實施指向大概念的教學，有利于充分提升科學思維的品質，有利于實現“減量提質”的目標。科學思維品質反映了每個個體科學思維水平的差異，主要包括科學思維的系統性、普適性、深刻性、遷移性和敏捷性五個方面。

系統性是指科學思維活動的有序程度，以及整合各類信息的能力。利用大概念可以提高物理知識的結構化程度，提升物理模型的建構能力，提升科學思維的系統性。如“力可以改變物體的運動狀態”是科學大概念，在內容上可以把下位的“力與運動”的知識統整起來，甚至可以下轄“運動學”“靜力學”“動力學”。而其他類型的力如電磁力、分子力等在改變物體的運動狀態方面本質上也是相同的。

普適性是指科學思維活動的適用程度，普遍地適用于同類對象或事物的性質。利用學科大概念可以形成解決問題的大觀點，形成具有普適性的解決問題的通法，提升科學思維的普適性。“力可以改變物體的運動狀態”不僅可以用來解釋運動狀態改變的原因，即通過物體運動狀態的變化分析其受力情況，還可以根據改變受力情況促使物體的運動狀態發生變化，大概念本身就含有分析問題解決問題的思想方法。如以“二力平衡”條件為原理可以設計測力計測量重力、摩擦力、浮力的大小，分析物體的浮沉條件。

深刻性是指科學思維活動的抽象程度和邏輯水平，涉及思維活動的廣度、深度和難度。學科大概念可以促進學生把物理知識與生產生活社會實踐活動相結合，培養學生正確的世界觀和方法論，提升科學思維的深刻性。正是在“力可以改變物體的運動狀態”這一大概念的指引，我國在航天事業、深潛事業實現了重大突破。所有航天器的升空、加速、變軌、懸停、降落、回收和深潛器的沉浮，都體現了“力可以改變物體的運動狀態”的大概念。相關事例可以讓學生為祖國科技發展的偉大成就自豪的同時，了解高科技背后最本質的物理原理，感受物理學在推動科技社會進步方面的巨大作用。

遷移性是指科學思維活動的可遷移程度，體現思維的靈活性和創造性。學科大概念不僅有利于知識間的聯系整合，也有利于思想方法的歸類整合，從而形成遷移性更強方法，提升科學思維的遷移性。比如在分析密度計算問題時，經常要抓住密度是物質的屬性這一概念，分析問題時經常要考慮同種物質的密度保持不變這一隱形條件。而在歐姆定律的計算中，電阻是導體導電性能的一種屬性，計算中也經常要用到電阻不變這一條件。兩者在知識模塊中分屬力學和電學，但是在分析問題時的方法具有可遷移性。

敏捷性是指科學思維活動的速度，它反映了智力的敏銳程度。從學科大概念角度審視問題，可以敏銳捕捉問題的本質特征，避免具體問題情境的干擾，又快又準地解決問題。

因此，學科大概念具有整合知識促進建構、提供方法解決問題、價值引領立德樹人的教育功能。從學科大概念視角發展學生的科學思維，有利于促進思維更具系統性、普適性、深刻性、遷移性和敏捷性。

三、基于學科大概念提升科學思維品質的策略

培養學生的學科大概念思維，就要引導他們尋找學科知識間的內在聯系，指導他們對學科知識不斷進行更高層次的概括，指導他們學會提出一般性的大問題；指導他們學會用大觀點思考具體問題，指導他們努力形成解決問題的思想和通法。［4］

（一）尋找聯系促進結構化，提高科學思維的系統性

大概念的建構需要較長時間的學習，對前后學習的學科知識，學生往往關注其表面差異，忽略其內在聯系。大概念思維要求學生學會透過不同知識的表面差異，發現其內在的一致性，學會用學科大概念去統整表面上無直接關聯的零碎的龐雜的知識，形成統一的整體。

如瞬時速度、平均速度、勻速直線運動的速度、變速直線運動的速度看起來各不相同，學生容易混淆。從大概念的思維看，這些概念都是描述物體運動快慢的，即“物體在單位時間內通過的路程的多少”來表示物體運動的快慢。無論物體做什么運動，這些速度本質上都是平均速度，只不過用于計算的時間長短不同而已。平均速度所對應的時間根據需要計算的過程確定，瞬時速度所對應的時間是所在位置前后極短的一段時間。

如重力、彈力、摩擦力是三個不同的概念，其產生條件各不相同。從大概念的角度分析，三者具有內在的一致性。要分析三個力的產生原因的本質特征，可以先提取出統攝這三個概念的大概念“力是一個物體對另一個物體的作用”，可見這三種力的產生都要有另一個對其產生作用的物體，即施力物體，而施力物體還要對研究對象產生一定形式的作用，是否真正產生作用，則可以用“力可以改變物體的運動狀態”這一學科大概念進行辨析。通過這種思路，可以把不同形式的力歸整到同一結構中。

（二）化特殊問題為一般問題，提高科學思維的普適性

一般性的大問題即基本問題，是比具體的特殊問題更大的問題，基本問題是指向大概念的航標。在面對具體的小問題，學生往往只關注具體問題的特殊細節，而不同的具體問題其細節各不相同，如果不能轉化為用大問題視角重新審視每一個新的具體問題，就容易陷入題海，收獲一些零零碎碎的特殊技巧。大概念思維提倡將特殊問題推進轉化為一般的狀態，即提出一個更為基本更具普遍意義的問題，將一般性問題的求解結果，應用到解決特殊條件的具體問題中。物理學中經常應用一些二級結論解決具體的特殊問題就屬于這種思維。

例如，有三個分別豎放在水平面上材料相同的均勻圓柱體A、B、C，底面積均為S=25 cm2，三個圓柱體的高度分別為hA=20 cm、hB=15 cm、hC=10 cm，質量分別為mA=4kg、mB=3kg、mC=2kg。求三個圓柱體對水平面的壓強之比。

上述問題所提供的已知條件中有冗余信息，學生容易根據壓強的定義式分別計算每個圓柱體對水平面的壓強，然后計算三個壓強的比值。顯然這種解法非常繁瑣，效率低，需要不斷重復應用壓強的計算式求解。大概念思維要求將問題推進到一般情形，轉化為一般性的問題，即轉化為推導均勻直柱體對水平面的壓強與哪些因素有關，具體有什么關系。

一個豎放在水平面上的圓柱體，其對水平面的壓力F=G，圓柱體重G=mg=ρgSh，圓柱體對水平面的壓強

結果表明，圓柱體對水平面的壓強僅與其密度、高度有關，與質量、底面積等其他因素無關。所以三個圓柱體對水平面的壓強之比為pA∶pB∶pC=hA∶hB∶hC=4∶3∶2。

上述結論同樣適用于正方體、立方體等其他直柱體。

（三）指向本質的上位化概括，提高科學思維的深刻性

概括是由特殊到一般的思維過程，通過剖析不同案例或概念的共同特征，通過自下而上的路徑提取大概念，對學科知識進行上位化概括。大概念思維應該突破具體情境或具體概念的束縛，不斷往上概括，概括的層次越高，所得知識越剝離具體情境，結論越抽象，也越接近事物的本質。

如物體的浮沉條件是在通過探究浸在水中的玻璃瓶的浮沉情況后再去除具體情境概括得出的結論：浸在液體中的物體，其浮沉主要取決于它所受到的浮力和重力的大小。當浮力大于重力時，物體上浮；當浮力小于重力時，物體下沉；當浮力等于重力時，物體處于懸浮或漂浮狀態。

本條件也適用于空氣中的懸浮物運動狀態改變的判斷，還可以進一步推廣到豎直方向或其他任何方向物體運動狀態與受力情況的關系判斷，提煉出力與運動的一般關系。比如在判斷航天器升空、變軌、減速、懸停、降落過程的受力分析，水平方向動車的啟動、加速、勻速、減速、進站過程的受力分析，均與此道理相同。去除具體情境的支撐，使結論更加抽象，更具有普遍意義，有利于學生理解力與運動關系的本質。

（四）構建學科模型，提高科學思維的遷移性

學生通常會被教育要“具體問題具體分析”。如果只關注問題的外在條件，幾乎所有的具體問題都是新問題。即使被指導要對問題進行分類，如果分類的依據是問題的外在特征，就會獲得各類有細微差異的針對不同試題類型的具體解法，獲得很窄的解題特殊技巧。大概念思維則會從更高視角歸納出具有不同表面特征問題的共同內核，在表面上看起來十分繁雜的眾多問題的基礎上建立簡單的學科模型。從更高的視角開始審視問題的本質，從而更快獲取解決問題的正確方向。從更大的類別上分析各類問題共同的思想方法，以此統攝解決各類問題的具體方法。由于是在更高的視角建立的學科模型和思想方法，可以涵蓋的問題類別更多了，可以遷移應用的范圍自然也就更廣了。

例如中考復習時，許多老師熱衷于給學生歸納各種解決具體問題的方法。如測量電阻時，除了教材里的“伏安法”外，還會大量操練由于提供的器材不同而面對的其他方法，如“雙安法”“雙伏法”“安阻法”“伏阻法”……各種方法因具體連接方式不同又會衍生出多種變式。由于“電阻的測量”是中考高頻考點，許多學生不惜花費大量時間推演各種解法并試圖加以記憶，這些方法來自教師的贈予，其實卻成了學生的負擔。

大概念思維會幫助學生建立一種思想，俯瞰這些所謂的題型和變式。任何涉及電阻測量的問題，都需要與電阻有關的物理知識為測量原理。任何與電阻有關的物理知識結合具體電路的連接方式，都可以為電阻的測量提供一種新方法。初中物理涉及電阻的有歐姆定律、串聯電路中電壓的分配、并聯電路中的電流分配等知識，這些知識都可以為測量電阻提供理論依據。

測量電阻、測量電功率、測量密度等測定性實驗，試題情境經常出現缺少某一測量工具，或所提供的器材無法滿足直接測量的條件，需要根據試題的具體情況，用“等效替代”的思想或“轉化”的思想進行實驗方案設計，或用“等效替代”或“轉化”的思想理解試題給出的實驗方案，進而解決相關問題。這里的“等效替代”“轉化”的思想既是通法，也是大概念。

相似的“具體與具體”之間的簡單關聯只是低層次的遷移，比如通過大量的練習，讓學生熟悉各種題型，也就是俗稱的“刷題”。這種低層次的遷移是無意識的、自動的遷移。而促進學生不斷形成“具體與抽象”以及“抽象與抽象”交錯的復雜認知結構，從而能聯結不相似的“具體與具體”，這才是高層次的遷移，這種遷移是有意識的、深思熟慮的遷移。［5］

（五）以大觀點解小問題，提高科學思維的敏捷性

面對一個新的具體問題，學生往往容易從具體的情境出發，根據提供的具體信息一步步從正向出發，根據自己的日常直覺尋找與題設條件相近的相關知識，嘗試解決具體問題。大概念思維提倡透過表面具體瑣碎的現象，運用大觀點思維，直指問題的本質，快速準確地作出正確的判斷并解決問題。

例如：小華在操場的豎直桿上攀爬，向上勻速運動時受到的摩擦力大小為f1，向下勻速運動時受到的摩擦力大小為f2。若小華的自重為G，則（ ）

A.f1=f2＜GB.f1=f2=GC.f1=f2＞GD.f1＞G＞f2

解決上述問題時，學生容易受題目信息引導，在向上運動和向下運動時摩擦力的分析上感到困惑，根據自己日常生活的直覺經驗，認為下滑時一定較為省力，上滑時一定較費力，從而選擇D 答案。本題屬于力和運動的關系問題，大概念思維不會受到小華上滑還是下滑這一表面現象的干擾，而是運用力和運動關系的大觀點進行分析，分別分析小華的運動狀態和受力情況，由二力平衡條件直接得出選項B的正確結論。

從大觀點的視角看，還應該學會跳出“豎直”方向的具體情境，在任何方向都可以用力和運動的關系分析相關問題。如分析斜向上勻速運動的氣球的受力情況時，或者分析斜向上勻速運動的電梯上客人的受力情況時，就不會受到“斜向上”這一表面現象的干擾，直接根據二力平衡條件作答。以大觀點解小問題，可以做到又快又準。

心懷大概念，可以使人登高望遠，思路廣闊。基于大概念的學習，可以提高知識的結構化程度，促進形成科學觀念。以大概念指導問題解決，可以習得普適性的方法論，獲得高遷移性的科學思維，實現減負提質增效。