科学教育中科学内容知识的结构，本文主要内容关键词为：科学论文,结构论文,知识论文,内容论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
科学内容知识（scientific content knowledge）由人类建构起来，已经积累了数个世纪，可用于描述、解释和预测各种自然现象。[1]在课堂教学中，科学内容知识一直处于非常重要的地位，因为学生对科学内容知识的理解是个人科学素养构成中不可或缺的组成部分，也是科学思维能力持续发展的基础与载体。值得关注的是，科学内容知识绝不是科学结论杂乱无章的堆积，而是通过一定的逻辑相互关联、具有一定结构的巨大系统。
一、科学教育中科学内容知识的结构图
为了便于科学教育工作者的应用，美国教育专家肖瓦尔特（Showalter）建立了一种用于科学教育中的科学内容知识的结构图[2]，这个结构图避免了以哲学方式进行表达，没有许多高深莫测的专有名词，较易为科学家、课程专家所接受。[3]该结构示意图如下图所示，由七个层级组成，几乎囊括了所有的科学知识，呈现了从知觉感受开始，逐步演进，直至理论的过程，层次越高，概括性越强。
1.知觉感受是人类经由知觉获取的现象经验，是个人心智活动与外界接触的反应结果，也是人类对外界认识的最基本起点。知觉感受可由简单的观察测量感知获取，由于存在一定误差，所以人们设计了许多工具，如显微镜，来延伸感官、拓展知觉领域，使观察测量更加精确、客观。
2.知觉感受概括出直接概念，其表达方式往往为一个简单的名词，具有真实的特性，能够对应到具体真实的知觉或事物上，例如：狗、树、天空。
3.两种或两种以上的直接概念连接在一起，对可观察到的物体和事件进行客观、确定的陈述，这样便构成了事实，如，旭日东升，金质材料的硬度比铁质材料要小。在科学研究中，可靠的实验数据和结果是重要的科学事实。在理论上，确定科学事实有以下两条标准：（1）可被直接观测到；（2）任何时候都可被证明。当然，这只是理论上的，实际中常常受到突发事件、测量工具、手段以及误差等因素的影响。[4]
4.定律比事实更具有概括性，它可涵盖许多个事实。在通常情况下，定律是一段说明，也常用数学方程式来表达，比如牛顿运动定律涵盖了无穷的事实。定律往往是在理想化的要求下设定的，因此在现实生活中往往难以观察到定律所表述的理想情况。人们必须对很多事实加以观察后，经由事实转化到理想的环境里再了解这个定律。也正因如此，定律的存在单纯和持久。
5.创设概念与直接概念不同之处在于：创设概念没有特定实物可以对应，它无法对应到实质的知觉上，必须经过想象后才能得到，如基因、能量、原子、场、氧化。创设概念类似一个假设的模型，可连接许多非相关的现象，并用以解释种种现象。由于创设概念的生命建立在假设的基础上，所以会因新发现而被否定或得到不断的修正，使得内在的涵义也会发生变化。
6.两个或两个以上的概念连接在一起组成原理，对概念之间的关系进行概括，但是必须包含至少一个创设概念。科学家常用以下五个步骤来形成原理：（1）选出可能相关的概念；（2）在达到一定的概括性要求下，当现有概念不足以连贯在一起时，科学家设法建立创设概念；（3）将此时的概念，包括直接概念与创设概念看成元素，暂时以某种关系连接在一起；（4）设计实验，验证第三点内所设定的关系；（5）判定不同概括程度上这一关系的有效性。在科学中，原理和定律有时候会出现混用的情况，比如，有的人称“阿基米德原理”，实际上应为“阿基米德定律”。
7.理论是由一系列相互关联的叙述文字所表述的系统化陈述，通则化的程度是科学内容知识结构中最高阶的。有时候也冠以一个名词来代替，如进化论等。理论的用途是用以解释和预测自然现象。一个好的理论有两个重要的功能：（1）它能总结大量的知识成为少量的通则原理；（2）能导致个别化、可验证的预测。[5]
二、用科学内容知识结构图来分析科学主题
以下笔者以“生物适应它们生存的环境”这一科学主题为例，尝试用科学内容知识结构图来分析科学主题。
有关这个主题的科学事实有很多，比如：长满地衣的树干上的桦尺蠖几乎都是浅色型的，而黑褐色树干上的桦尺蠖几乎都是黑色型的；枯叶蝶的形态像一片干枯的叶子；雷鸟的体色随季节发生变化；抗生素的杀菌效果越来越差；真菌马勃可释放出大量孢子，借助风力孢子被吹散到很远的地方；研究美国不同地区的蜥蜴种类数量后发现，越往北方，种类的数量越少；天冷时猫会把毛竖立起来。
定律是在理想化的条件下，对许多事实的一个概括性描述，因此具有客观性。它与理论不同，不具备解释的功用。例如哈迪—温伯格的遗传平衡定律：在一个不发生突变、迁移和选择的无限大的随机交配的群体中（注：理想化条件），基因频率和基因型频率在一代一代的繁殖传代中保持不变（注：客观规律）。
现代科学知识体系包含许多的创设概念，在“生物适应它们生存的环境”这一科学主题中，种群、基因、基因库、突变、进化、适应、遗传漂变等都属于创设概念，它们没有直接对应的具体实物和感官，类似一种假想的模型。
原理是对概念之间的关系进行概括，其中至少包含一个创设概念。比如：
a.自然选择导致适应。
b.种群是进化的单位。
c.突变和有性重组可以产生遗传变异。
d.地球现存的物种由早期明显不同的物种进化而来。
理论一方面表现在“通则化”程度很高，另外是具有解释力和预测力。自然选择学说是很典型的理论，即：那些具有有利于适应环境条件的遗传特性的个体具有较大的生存和繁殖机会。自然选择为生物进化提供了以下机理：在每个物种内，存在某些可遗传的变异，这些特性赋予了一些个体生物在生存和繁殖方面的优势是其他个体没有的；这些具有优势的后代将会更容易生存和繁殖；具有优势特性的个体所占的比例将会增加。我们可以清楚地看到，自然选择理论为地球上的生命史提供了科学的解释，这部历史写在化石记录上，并且由现存生物体的多样性提供了相似的证据。
为了便于进一步理解，下表总结了科学内容知识结构图的各层级要点。
三、概念性知识和事实性知识
由以上分析可以看出，对科学内容知识结构的深入理解有助于教师理清知识逻辑、明确教学重点、编排教学序列，然而在实际课堂教学中，我们无需将课程所涉及的所有科学内容知识一一对应于结构图的各个层级。一个可以接受的笼统分类是按照层级序列将科学内容知识分为两类：一类是事实性知识（factual knowledge）；另一类是概念性知识（conceptual knowledge）。事实性知识简称为“事实”，它包括大量的具体客观事件，作为直接概念的实物名称，也包括可信的实验数据结果；概念性知识则包括定律、创设概念、原理、理论的基本观念（basic ideas），这些内容归并入“科学概念”范畴中，简称为“概念”。在科学领域中，概念常与观念混用。其实，概念当然可以说是观念[6]，不过在科学上形成概念的方法和我们在日常生活中用来形成一些观念的方法是不同的[7]。科学领域的概念需要更加周密的定义和得出结论，更加费尽心思和系统的选择实验材料，并且还特别重视逻辑推理。因此，只有在符合逻辑推理下纳入个人概念系统中的那些观念才能与我们所说科学领域的概念相提并论。
事实性知识与概念性知识在科学发展中的地位是不同的。亨利·庞加莱曾说：事实构筑科学的方式就像用砖块建造房子一样，但是事实的积累并不等于科学，正如一堆砖不等于房子一样。诚然，科学事实是科学发展的基础，但孤立零散的科学事实在科学发展中作用很小。事实只有在科学知识结构中与其他要素相互联系，作为可靠概念中的一部分，用于进行科学解释、阐释假设和理论时才有意义。[8]因此，科学研究者从不满足于发现事实，而是运用思维和推理等找到事实（数据）之间的模式和联系，力图将事实由细碎的信息形成相互联系的整体（relationship），形成更具有意义的逻辑结构，即概念。
同样的道理，在科学教育中，教育者若流于关注事实性知识的细节，则必然会缺失对科学的整体把握，比如，让学生记住“植物的主要组织和名称”绝对不等于学生会理解“生命体结构与功能相联系”这一重要的概念性知识。为了帮助学生构建科学概念框架，教师在进行这部分的教学时，必须明确此项事实（植物的组织和名称）所依附的概念框架，并引导学生去关注事实背后的内容，在这里即表现为引导学生观察植物各组织的形态结构，尝试分析各组织的功能作用。
四、启示和建议
以上述科学内容知识结构的视角来重新审视科学教育中的内容知识，我们会发现传统教学中较为强调孤立零散的知识要点，由于这些知识点尚未形成相互联系的概念结构框架，所以学生学习的主要形式常常为背诵和记忆，这使得许多学生虽然暂时能顺利通过学业考试，但是在随后的生活中会将这些知识迅速遗忘。这提示课程研发者和实践者要特别关注学生头脑中科学概念的体系构建和深层理解。
（一）课堂教学需要关注概念性知识的理解
教育研究者认为，之所以概念性知识（不是事实性知识）是学习最有意义的单元，是因为它们能将许多事实与不同的经验整合起来。[8]事实在教学中的作用体现在它将为概念理解提供丰富的素材，帮助学生建立合理的概念框架。[9]因此，在科学教育的课堂中，教师应该筛选有代表性的事实，将事实性知识置于概念框架中来学习。此处，重要的事实为那些能够从多个角度反映和体现概念性知识的信息。然而教学活动也不应仅仅停留在让学生记住这些事实，而是要致力于通过对事实的抽象和概括，建立概念，并以此来建构合理的知识框架，进而为学生能够在新情境下解决相关问题奠定基础。如此一来，学生将能够尝试解释一些课堂未接触过的现象或事实，能够将概念作为一种假设运用在问题解决中，能够作出更为合理有效的推论，能够知道如何将新的相关信息编入概念框架中，这一切都将使得学生在相关领域内的学习更为轻松、更有信心。[8]而这些，也恰恰是科学思维能力的体现。
（二）课程及课程资源的研发需要关注概念体系的构建
概念体系的构建包括两个方面：第一个是不同概念性知识之间的关联；第二个是核心概念随着年级段递增的不断深入和发展。
在我国，中小学课程的主要文件是教育部颁布的课程标准。其中，具体内容标准是对学生学习相应课程内容结果的描述，一般以行为动词+名词短语的方式表述。这样的表达方式依旧限于知识要点的罗列，较少呈现知识之间的关系和整个概念体系框架。如“描述生态系统中的食物链和食物网”。在这里，“食物链”和“食物网”作为单个要点出现，与生态学整个概念框架的关系尚未明示。若陈述为“生产者通过光合作用把太阳能（光能）转化为化学能，然后通过食物网（链）传给消费者和分解者，在这个过程中进行着物质循环和能量流动”，则将“食物链”和“食物网”置于大的概念框架中，建立起知识之间的关系，用于概括和解释。同样，课程资源的开发也需要关注概念之间的联系。美国“2061计划”研究人员总结一本优秀教材所具有的要素，其中就包括要“明晰概念之间、概念与原有概念之间以及概念与其他相关概念之间的联系”。[10]
不仅如此，一个合理发展的课程序列构建了科学领域内核心概念日臻精致成熟、逐步进阶发展的过程。这里的核心概念是指，位于学科中心的概念性知识，包括了重要概念、原理、理论等的基本理解和解释。这些内容能够展现当代学科图景，是学科结构的主干部分。[11]这意味着好的课程及课程资源研发需要自下而上统整中小学各个年级段的概念性知识，形成整体一致、前后连贯、逐渐深入的内容序列，便于学生经过多年的在校学习，持续加深和不断精致对同核心概念的理解，通过由浅入深地探索、实践和应用，在头脑中逐渐构建出概念体系的整体框架。