也談科學觀念的形成

邢曉

摘? 要：

科學觀念是在建構科學概念的基礎上形成的。科學觀念的形成取決于建構的科學概念促使客觀事物對人產生的積極的事實意義與作用，它主要包含三個要素：具有事實意義、基于真實問題解決、借助科學概念的遷移。這也指明了促進科學概念形成的一種教學框架：解構核心概念，形成遷移通路；設計基本問題，聚焦事實意義；開展項目化探究實踐，促進科學理解。

關鍵詞：小學科學；科學觀念；科學概念；理解；能量

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本文系江蘇省蘇州市陶行知研究會“十四五”規劃教育科研課題“生活教育視域下的大概念單元整體教學實踐研究”（編號：SZTY210062）的階段性研究成果。

科學觀念是義務教育科學課程要培養的學生核心素養的一個方面，形成初步的科學觀念是義務教育科學課程的總目標之一。那么，形成科學觀念與建構科學概念是一回事嗎？引導學生建構科學概念的教學策略對幫助學生形成科學觀念仍然有效嗎？我們是否需要新的教學策略？怎樣的教學策略才能有效幫助學生形成科學觀念？厘清這些問題，能幫助我們明晰如何形成科學觀念，有效落實新課標理念。

一、科學觀念建構在科學概念的基礎上

《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）明確界定：科學觀念是在理解科學概念、規律、原理的基礎上形成的對客觀事物的總體認識。［1］從表述的語法上不難看出，“科學觀念是……的總體認識”，也就是說，科學觀念是一種認識，而不是具體的科學概念、規律與原理。再從定語上看，科學觀念是對“客觀事物”的認識，而非對具體科學概念、規律與原理的認識。同時，從新課標對科學觀念在各學段具體目標的表述中，我們可以發現，新課標仍然沿用了科學概念的廣義定義（包含科學規律與原理）。那么，我們至少可以判定：科學觀念是一種認識，認識的對象是客觀事物而非科學概念，理解科學概念是服務于對客觀事物的認識的。比如，“同一個擺在相同時間內擺動的次數相同”是科學概念，“擺因為具有等時性，所以能用來計量時間”是科學觀念。前者是通過對擺的科學探究建構的一個擺的科學概念，后者是應用該科學概念形成的關于擺和計量時間的一個科學觀念。

但很多時候，科學觀念和科學概念在語言表述上是相同的。這容易造成“科學觀念等同于科學概念”的認識誤區。比如，“合理的飲食習慣有利于身體健康”。如果學生只知道“合理的飲食習慣有利于身體健康”，即使同時還知道具體的合理飲食習慣，它也只是一個科學概念。而如果學生能通過對合理飲食習慣與身體健康之間關系的認識，開始理解“合理的飲食習慣有利于身體健康”，并用這種理解來指導自己的飲食，那它就是針對飲食習慣和身體健康的科學觀念了。可以看到，科學概念和科學觀念雖然表述相同，但卻有著本質的區別。而后者才是我們要著力培養的。

二、科學觀念的形成基于人對客觀事物科學本質的理解

如前所述，科學觀念是一種認識。認識是人腦反映客觀事物的特性與聯系并揭露事物對人的意義與作用的思維活動。人們對客觀事物的認識主要取決于該客觀事物對人產生的意義與作用。觀念是人對客觀事物認識的另一種表述。觀念的形成意味著客觀事物對人已經產生了意義與作用。同時，形成的觀念又并不一定是科學的。決定觀念是否科學的關鍵是我們通過什么樣的方式讓客觀事物對人產生意義與作用。如果是通過客觀事物背后的科學概念使客觀事物對人產生意義與作用，那么將會形成一個科學的觀念；如果是通過與客觀事物相關的經驗、感受等心理體驗對人產生意義與作用，則形成的觀念可能是科學的，也可能是不科學的。由此，可以對科學概念的建構與科學觀念的形成得出兩個重要判斷：一是客觀事物背后科學概念的建構對于科學觀念的形成是一個必要條件；二是能否形成科學觀念，并不取決于客觀事物背后科學概念的建構，而是取決于建構的科學概念能否促使客觀事物產生積極的事實意義與作用。

可見，科學觀念的形成過程是人對客觀事物科學本質的理解過程。杜威認為，理解是學習者探求事實意義的結果［2］；布魯姆的教育目標分類法指出，理解意味著能夠智慧地和有效地應用與遷移，它能超越信息本身［3］；珀金斯將“理解”定義為能夠靈活利用所學知識進行思考和行動的能力［4］；威金斯等在《追求理解的教學設計》一書中指出，理解是對知識、技能等的遷移，并在遷移的過程中產生（對學習者的）意義［5］。盡管他們對理解的觀點或定義不盡相同，但都指向了意義與遷移，即理解能通過遷移幫助學習者產生客觀事物對自身的事實意義。因此，科學觀念的形成至少包含三個要素：具有事實意義，基于真實問題解決，借助科學概念的遷移。

三、促進科學觀念形成的教學框架

基于科學觀念的形成要素，我們可以得到這樣一種教學框架：首先，對新課標明確提出的學科核心概念進行解構，依托核心概念的聯結性形成具有解釋性和遷移性的基礎概念群，并通過基礎概念群再次聯結具體科學概念或知識，形成教學內容；其次，設計具有真實意義的、指向核心概念的基本問題（真實問題），并在解決問題的邏輯框架下，結合基礎概念群，形成基于問題解決的問題群；最后，設計指向問題解決的項目任務，開展項目化探究實踐。下面，以教科版小學科學六年級上冊《能量》單元為例，分享促進“能量守恒和轉換”科學觀念形成的教學框架。

（一）解構核心概念，形成遷移通路

通過對核心概念的解構，為科學觀念的形成與發展搭建遷移通路。首先是科學概念遷移、進階的通路，這是顯性的通路。一方面，核心概念是基于新課標提煉出的處于單元學習中心位置的概念，它聯結著單元內眾多的具體概念，是科學概念建構與進階的方向與目標。另一方面，在學科邏輯下，通過對核心概念的解構，形成聯結核心概念與具體概念的基礎概念群，呈現科學概念的進階樣態。其次是科學觀念遷移、發展的通路，這是隱性的通路。一方面，建構的科學概念在解決真實問題的過程中形成對應的科學觀念。另一方面，在建構的科學概念與形成的科學觀念的相互作用下，隨著科學概念的遷移與進階，不斷帶動相應科學觀念的遷移與發展。

《能量》單元教學，通過發現身邊的能量表現形式、奧斯特實驗、電磁鐵、小電動機等探究活動，幫助學生初步形成能量、能源等科學概念，并借助學生熟悉的電和磁開展對能量的進一步認識和探討，促進學生初步形成“能量守恒和轉換”科學觀念。通過對“能量守恒和轉換”這一核心概念的解構，可以形成如下基礎概念群：能量的形式是多樣的，能量存在于一切物質中，在一定條件下能量可以轉移，在一定條件下能量之間可以相互轉換，能量在轉移和轉換過程中總量不變。每一個基礎概念又都聯結著相關的具體概念與知識，如聲光電磁、能源（可再生能源、不可再生能源）、電可以轉換為磁、電磁鐵、小電動機、發電機等。可以看到，聲光電磁、能源等相關具體概念的建構與遷移形成了對應基礎概念的建構與遷移，基礎概念的建構與遷移又最終指向了“能量守恒和轉換”這一概念的建構與遷移。由此，形成了科學概念的遷移與進階通路。

（二）設計基本問題，聚焦事實意義

教育唯一“合法”的目的就是解決問題，這里的問題不是指局限在學校范圍之內的問題，而是指向真實世界的問題。［6］基本問題（真實問題）作為核心概念的航標，不僅是指向和突出核心概念的問題，還是指向真實世界，對學生具有事實意義的問題。基本問題又通過

與核心概念的聯結，在解決問題的邏輯框架下，以問題解構的方式形成基于解決真實問題的問題群。如果說核心概念是學生理解科學概念、形成與遷移科學觀念的“暗線”，那么，基本問題及其問題群就是學生理解科學概念、形成與遷移科學觀念的“明線”。它通過對核心概念、教學內容與真實世界的聯結，在實現教學連貫性的同時，為學生理解科學概念、形成與遷移科學觀念提供具有事實意義的探究實踐過程和對象。

《能量》單元教學呈現的基本問題是“如何解決‘我們的天峻縣科考站所需要的能量？”。“建設我們的天峻縣科考站”是基于創設的真實情境提出的項目任務。“如何解決‘我們的天峻縣科考站所需要的能量？”這一基本問題，不僅指向“能量守恒和轉換”這一核心概念，更是“建設”我們自己的天峻縣科考站需要解決的實際問題。在解決問題的邏輯框架下，對應基礎概念群，可以將基本問題解構為：科考站需要哪些能量？能量從哪里來？電能是如何滿足科考站其他能量的需求的？電能從哪里來？怎么設計風力發電機？怎樣減少電能在轉移和轉換中的損耗？科考站能量是如何滿足需求的？在“天峻縣科考站”與每個問題所聯結的學生真實生活的交互作用下，建構的科學概念在解決實際問題的過程中不斷觸發事實意義，形成相應的科學觀念，并向著“能量守恒與轉換”的核心觀念遷移與發展。同時，學生也將圍繞“建設自己的天峻縣科考站”這一真實任務，經歷一個完整、持續的科學探究實踐過程：明確科考站需要的能量—認識所需要能量的來源（能源）—規劃、制作科考站模型—理解電能是科考站需要的主要能量—確定用風力發電—設計、制作風力發電機—完善模型—模擬科考站運行。

（三）開展項目化探究實踐，促進科學理解

陶行知先生認為，教育是“教學做合一”；教、學、做不是三件事，而是一件事；教與學都要統一在實踐上，要與實踐相結合。［7］新課標為了突出科學課程的實踐性，將原來的“科學探究”修改為“探究實踐”。項目化探究實踐是依據新課標、借鑒項目化學習方式開展的探究性實踐教學。它與傳統科學探究的本質區別在于對學生理解科學學科本質的設計邏輯的不同：項目化探究實踐是在解決真實問題的持續性實踐過程中建構、理解、遷移、進階科學概念，并借助“做項目”同步形成科學觀念，同時發展學生的探究實踐技能、科學思維、責任態度等核心素養；傳統科學探究是在對真實生活中科學現象的探究過程中建構科學概念、發展探究技能后，再去解釋相關科學現象。項目化探究實踐把科學探究融于解決真實問題的項目實踐中，通過“做項目”，不僅能激活科學概念于學生的事實意義，使學生形成科學觀念，更使學生在不斷解決問題的項目實踐中遷移、發展科學觀念，促進對客觀事物的科學本質理解。

《能量》單元教學，在創設的我國天峻縣可燃冰開采、地理氣候等真實情境中形成探究實踐項目：為研發可燃冰開采與使用技術，我們需要在天峻縣建設一個科考站。“我們的天峻縣科考站”項目要求學生能自己制作“天峻縣科考站”模型，并通過闡述科考站能量運行的方式模擬科考站的運行。在項目的驅動下，學生需要先規劃、制作科考站模型，然后設計、制作風力發電機，再完善科考站模型，最后模擬、闡述科考站的運行。在規劃與制作階段，學生通過對科考站生活區、科研區、種植區、開采區、交通運輸工具等的設計與制作，促進了自身對“能量的形式是多樣的，能量存在于一切物質中”的科學理解；在設計與制作風力發電機階段，學生通過對奧斯特實驗與電動機工作原理的逆向思維，在風力發電機與減少科考站能量運行損耗的設計與制作中，進一步理解“在一定條件下，能量可以轉移和相互轉換”；在模擬、闡述科考站的運行階段，學生基于科考站能量運行的綜合理解與展示，深化了“能量守恒和轉換”科學觀念。

綜上所述，科學觀念的形成不僅需要建構科學概念，更需要在解決真實問題的過程中遷移、應用科學概念，并產生對客觀事物科學本質的理解。核心概念、基本問題（真實問題）、項目化探究實踐三位一體的教學設計，在事實意義與遷移上，為學生科學觀念的形成提供了切實有效的路徑。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部.義務教育科學課程標準（2022年版）［S］.北京：北京師范大學出版社，2022：4.

［2］［3］［4］［5］ 格蘭特· 威金斯，杰伊·麥克泰格.追求理解的教學設計（第二版）［M］.閆寒冰，宋雪蓮，賴平，譯.上海：華東師范大學出版社，2017：39，42，51，7.

［6］ 戴維·喬納森，簡·豪蘭，喬伊·摩爾，等.學會用技術解決問題：一個建構主義者的視角（第2版）［M］.任友群，李妍，施彬飛，譯.北京：教育科學出版社，2007：22.

［7］ 周洪宇.陶行知教育思想教師簡讀［M］.武漢：華中師范大學出版社，2021：236.