美国科学课程发展的新趋向①
——基于共通概念的科学课程构建
高潇怡，孙慧芳
（北京师范大学教育学部课程与教学研究院，北京 100875）
［摘要］ 共通概念是当前国际科学教育研究中受到高度关注的内容。传统的科学课程主要以学科领域作为组织科学内容的出发点，当前科学课程发展的重要趋势之一表现为共通概念在科学课程中居于核心地位。共通概念的发展经历了从作为课程建构理念到以重要内容在课程中呈现进而统领科学课程内容的变化历程。美国当前基于共通概念架构科学内容的课程框架既体现了共通概念作为核心要素与其他内容维度之间的密切关系，也表现为共通概念具体内容的细化以及在不同年级之间的进阶要求。美国基于共通概念建构科学课程的发展对我国科学课程建设与发展具有重要借鉴价值。
［关键词］ 美国；共通概念；科学课程
美国的科学教育在世界范围内一直处于领先地位，而科学课程建设方面的表现尤为突出。在新近的美国科学课程改革与发展中，共通概念（crosscutting concepts） 在课程内容中的重要性与地位越来越突出。2011年，美国发布了《K-12年级科学教育框架：实践、共通概念和核心概念》（以下简称《框架》），明确将“共通概念”作为三大维度之一统整《下一代科学标准》（Next Generation Science Standards，NGSS，以下简称《标准》），这标志着美国在科学课程建构方面的关键性突破。本文试图以美国科学课程中共通概念发展演变的特点为基础，对当前以“共通概念”统领科学课程内容的形式以及具体内容架构关系进行分析，以期为我国科学课程建设以及科学课程内容框架的发展与完善提供参考。
取不同的烟草样品用本方法和GB/T 31758-2015 [9]报道的方法进行测定，比较2种方法的测定结果。
一、共通概念在科学课程中的体现：从理念到内容
在相当长的时间里，科学课程都是以学科领域作为组织科学内容的出发点，学科的基本结构是课程内容构建的基础。然而，近年来，有一些科学家和学者认为，共通概念是架构科学课程的有效方式。“有一些重要的主题遍布科学、数学和技术领域，并且一遍又一遍地出现，它们超越了学科边界，并在解释、观察和设计中富有成效”[1]，这样的主题被称为“共通概念”。共通概念这一术语，目前也有国内学者将其翻译为“交叉概念”“跨学科概念”“通用概念”等。共通概念的本质特点是跨学科性，在科学、数学、技术和工程等不同的领域都具有方法论和解释性价值。纵观美国科学课程的新近发展，体现了共通概念作为建构课程的理念到统领科学课程内容的发展变化过程。
1.共通概念作为构建科学课程的理念
“共通概念”这一理念最早出现在1964年美国NSTA课程委员会发表的《从理论到行动》（Theory into Action）。该文件指出：共通概念是组织科学成果的有效方式，它将有助于科学课程的内容架构。由科学家、杰出的科学教师、课程工作者等成员构成的NSTA课程委员会认为，重要的科学事实和原则可以组织为7个主要的概念主题，每个概念主题都代表了系统的事实、原则，可以按照从简单（能够教给非常小的孩子）到复杂（当前还在研究的问题）的原则组织成序列化概念（见表1）。例如，文件中提出的“所有物质都是由基本粒子构成的；在某些条件下，这些粒子可以转化为能量，反之亦然”[2]。这一概念主题所涉及到的“物质和能量”内容在物理、化学、生物、地理等各科学学科均适用，已经具有明显的跨学科属性。
目前CRP电子文件的归档管理在各高校尚处于初步探索阶段，因此还没有形成可以借鉴的成熟经验，特别是归档基础流程和归档模式尚不明晰，档案部门没有和其他业务部门形成联动，没有直接参与到业务系统建设数据库设计阶段，没有将电子文件全过程管理的各项规范前置到各业务环节，导致电子文件归档工作存在不确定性。电子审批文件事关广大师生员工的切身利益，具有长期保存价值，有利于推动档案部门民生档案库建设、创新工作方式和服务方式，提升档案部门的地位和价值。
表1.《从理论到行动》中的共通概念[3]
《从理论到行动》这一文件体现了以概念主题组织架构课程内容的理念，主张通过教学来发展学生对这些概念的理解，这是美国科学课程发展中明确提出要突破科学学科的界限、以跨越学科领域的概念主题来组织科学课程内容的开端。
20世纪70年代，加利福尼亚州开发了围绕系列共通概念的州科学内容框架，即《加利福尼亚州K-12年级公立学校科学框架》 （Science Framework for California Public Schools,Kindergarten—Grades One Through Twelve），该框架中提出了7个共通概念（见下页表2）。在这份框架中，有的共通概念系统下还设计了子概念。例如，概念“F.通过分类系统，科学家们给不相似和多样化的自然现象带来秩序和统一”，其下属的子概念包括“F-1.组成物质的单元可以划分为多种组织水平；F-2.生物是物质和能量的高度组织化系统；F-3.结构和功能常常相互依赖。（结构决定功能，依据功能可以推测结构）”等3个子概念。[4]以共通概念引领并细化为具体子概念的内容框架的发展，使得以共通概念架构课程内容的理念表现得更为具体。
2.2.1 播种期对红花株高、茎粗以及籽实产量的影响 从表3结果看出，播种期对红花的株高影响不大，各处理之间没有显著差异。播种期对茎粗有显著影响，4月5日播种的茎粗最粗，与5月5日播种的茎粗差异显著。
1996年，在美国发布的《国家科学教育标准》 （National Science Education Standards，NSES）的内容标准中，共通概念与“科学探究”、“物质科学”、“生命科学”及“地球与空间科学”并列，成为其科学内容要求的一部分。该标准包含了“系统、秩序和组织”等5个共通概念[8]，并强调这些概念对于其他分析性、学科性内容的补充作用。同时，该标准指出，从幼儿园至12年级的教学活动应该发展所有学生对共通概念的理解。
由此可见，自1964年首次提出到20世纪90年代初，以共通概念构建科学课程的理念零散出现在一些州和非官方组织（NSTA）的文件中，尽管并没有产生大范围的影响，但得到了美国科学教育者的日益关注。
2.共通概念作为科学课程呈现的内容
从20世纪90年代至21世纪初，美国开始从国家层面重视共通概念，将其纳入国家公众科学素养要求以及K-12学生科学教育标准中，并将其作为科学课程内容的一部分。
美国1993年发布的《科学素养的基准》（Benchmarks for Science Literacy） 提到了 “系统”、“恒定和变化”以及“规模”这些共通概念，并指出这些共通概念是每个成年人在科学、数学和技术方面都应该具备的知识[7]。
A：我跟很多国家的出版人做过交流，他们觉得中国的文化是十分惊艳的，他们会感叹于中国传统文化，认为其非常吸引人。当然，我们也要让其他国家知道，中国不仅仅传统文化很有看点，当下的新文化也是很有特色的。
表2.《加利福尼亚州K-12年级公立学校科学框架》中的共通概念[5]
以“共通概念应该成为科学教育内容的基础来组织科学课程”理念为引领，1992年，美国BSCS基于共通概念理念开发了K-6《生命和生活科学：科学、技术和健康的整合》课程项目。[6]
在杨宗祥的眼里，创业就是一条需要用汗水铺就的路。2010年，时年59岁的他“二次创业”成立金麦公司，筹建占地面积449亩的祥丰高浓度磷复肥生产基地，在工地一住就是两年，开会吃饭都在那里，有时太忙就在车里过夜。
澳大利亚的科学课程标准提出了“形式与功能”等6个共通概念，强调这些概念代表了科学观点的关键方面，并跨越了科学学科的知识和理解[13]；同时，将共通概念纳入了学生的学习结果要求，并以此为基础给出各年级的科学教学和学习重点。
我们发现，各种学科情境都在使用“模式”这一共通概念，比如记录天气，观察动物行为，记录物体运动数据，开发波的模型，分析地球表面特征以及元素周期等。除了学科情境之外，模式的本质还表现为语言描述、数字数据、模型的形状、地图和图形等。
3.以共通概念统领科学课程
2010年以来，鉴于共通概念在实践领域中差强人意的效果，美国官方进一步突出了对共通概念的强调，并致力于在教学实践中进行推进，《框架》的颁布就是这一时期的标志性成就。
2011年，美国国家研究委员会颁布了《框架》，将“共通概念”与“学科核心概念”和“科学实践”并列作为三大维度统领科学课程，并以此为基础颁布了新的《标准》。《框架》和《标准》的开发者充分意识到以往对共通概念的强调缺乏课堂实施跟进的弊端，因此在《标准》中将共通概念与实践、学科核心概念三者相互结合或融合，进一步以“表现期望”的形式对K-12年级学生的学习结果提出了明确要求，完成了基于共通概念的科学课程内容架构。
另外，以上问题的存在反映出博物馆的外宣资料译介翻译没有得到足够的重视和规范化。红色旅游文化的展示体现了我们国家的历史形象，而不标准和不规范的翻译不仅有损国家形象，还影响中国红色文化的传播，难以达到文化交流的目的性。所以，相关部门应采取相对措施，进一步改善和加强外宣资料的翻译，提升翻译质量，为传递中国优秀文化树立起好形象。
除美国外，加拿大安大略省于2008年发布的《安大略科学与技术课程标准》包含了“物质”等6个共通概念。[11]这些基本概念同样作为上位概念对各学科核心概念进行统领，在1-12年级科学课程中反复出现，学生随着从1年级到12年级课程的递进，他们将扩展和深化对这些基本概念的理解[12]，并在应用中掌握得更加熟练。
2009年，美国大学理事会发布《大学成功标准 ：科学》 （College Board Standards for College Success：Science），该文件选择了 “进化”等7个共通概念[9]。该文件认为学生对于共通概念的深刻理解，有助于他们在大学取得成功、获得工作机会，并为公民生活的有效参与做好准备。
新加坡《科学课程纲要》也精选“系统”等5个共通概念作为一级概念来完成科学课程内容的构建[14]，认为以共通概念为主题的跨学科学习有利于学生对概念的理解和知识的整合、构建有效的知识架构，以及有助于学生知识的迁移和实际问题的解决。[15]
可见，21世纪以来，除美国外，共通概念也受到很多其他发达国家的高度关注，其突出特征表现为重视共通概念在实践中的推进和在不同年级的内容进阶，这为共通概念真正落实到课程提供了进一步保障。
二、基于共通概念构建科学课程内容框架的方式与特点
共通概念作为科学概念体系中的上位概念，具有很强的抽象性。学生需要在不同的年级阶段中反复学习，才能形成对共通概念的深刻理解。因此，美国的《标准》详细说明了在K-2、3-5、6-8、9-12四个年级水平上每个共通概念的进阶情况。但由于学习和教授共通概念的研究基础有限，目前《标准》所描述的进阶只是开发人员的假设，还需要在实践中被证实。[19]下文将以美国《标准》中的“模式”为例，具体阐析共通概念在不同年级的进阶要求（见下页表5）。
1.以共通概念作为核心维度统整科学课程
今天的美国科学课程通过学科核心概念、共通概念、科学和工程实践三个维度对K-12年级学生需要学习和掌握的科学内容进行统整，（见图1）。共通概念、学科核心概念和实践三者是相互关联和彼此作用的。如果不参与实践，学生就不能完全理解学科核心概念和共通概念。同时，不基于具体的内容情境，学生也无法学习或者展示自己的实践能力。共通概念为学生提供了跨越不同学科领域的方法和智力工具，可以丰富他们对于实践的应用和对学科核心概念的理解。
共通概念和学科核心概念存在对应关系，一个共通概念可能对应多个学科核心概念。同时，有的共通概念本身也是学科核心概念，例如能量。学生对共通概念的学习应该在学科核心概念的教学情境中展开，并且通过重复使用来加强理解。反过来，共通概念可以提供一个连接结构，帮助学生理解特定学科研究的现象。因此，这些共通概念不能独立于学科核心概念来教学。此外，在不同学科中使用相同的术语将有助于学生认识到同一概念在不同情境中是相关的。
《标准》以表现期望的形式将实践、学科核心概念和共通概念三者进行融合，其架构方式表现为横向之间彼此关联（见下页表3）。我们可以发现，在一个表现期望之下，有对于学生参与科学和工程实践的要求，“使用观察来描述自然界中的模式”；也有对应学科情境的学科核心概念，生命科学中“动物和植物的生存和生长需要”；还表达了相应的共通概念：“模式”。三个维度侧重于对学生学习不同方面的规定，同时这三者又是一体和融合的，学生在实践中形成概念。
图1.美国《框架》中的三个维度及学习进阶[16]
共通概念的效用通过课程开发者和教师的课程开发和教学来实现。教师将共通概念与科学和工程核心概念的广泛多样性结合在课程中，从而实现课程开发者清晰、一致的愿景。
毋庸置疑,这一时期是中国生态文明建设的全面快速发展期,不仅对生态文明的认识达到新的高度,中国特色社会主义生态文明建设思想也初步形成,生态文明建设被纳入国家重大战略,体制改革整体框架已经构建,生态文明建设取得了较多成就。当前,随着生态文明建设理念深入人心、实践活动深入开展,生态文明将成为中国社会主义文明的重要组成部分并成为一种社会发展常态。这意味着中国生态文明建设将逐步进入成熟阶段,生态环境总体质量不断提升,生态文明深深融入个人的思维意识中,并变成一种文化习惯,成为当代中华文明的重要构成。
2.科学课程框架中的共通概念内容明确、互为关联
要对美国当前科学课程中的共通概念进行深入挖掘，需要我们对共通概念的具体内容进行细致分析。从前文可知，不同国家、不同文件中所选择的具体共通概念内容有所差异。而当前美国科学课程选择了“模式”、“原因和结果”等7个共通概念，并对每一概念都做出了具体解释（具体见下页表4）。从共通概念的具体内容我们可以发现，“原因和结果”这一概念在《加利福尼亚州K-12年级公立学校科学框架》中已经有所体现；“尺度、比例和数量；系统和系统模型；稳定和变化”等概念包含在《科学素养的基准》中；“结构和功能”在《国家科学教育标准》和《大学成功标准》中均有要求。因此，《框架》中共通概念的内容构成并不是一蹴而就的，而是对此前文件内容的继承与发展。
美国当前科学课程中的共通概念是从“模式”和“因果关系”这两个概念开始的，它们是科学本质的基础：观察到的模式可以解释，科学研究通过寻求内在机制来研究因果关系。紧随其后的概念“尺度，比例和数量”涉及事物的大小和不同要素之间的数学关系。不同的模式运作于不同的尺度，一个尺度下的模式和因果关系在另一个尺度下则不一定适用，因此，“尺度、比例和数量”这一共通概念旨在帮助学生认识到他与所观察现象之间的关系。接下来的四个概念“系统和系统模型”、“能量和物质流动”、“结构和功能”以及“稳定和变化”则是相互关联的，后面的3个概念有助于深入理解第一个概念。
表3.《标准》中K-2年级的表现期望案例[17]
表4.美国《框架》中共通概念的具体解释[18]
由此可见，这7个共通概念是科学家进行科学探究和工程设计的基本思路与方法，也体现了对科学本质的理解。以这7个重要的共通概念架构科学课程，其用意在于期望学生深刻理解并掌握这些共通概念，用这些上位的共通概念去解释现象，从而可以像科学家一样思考和解决问题，进而形成科学的观念。
（5）具备良好的数据备份和恢复功能，在发现有数据节点退出时，ES 能够根据服务器的负载对索引分片进行重新分配，丢失的数据节点在重新启动后，也会自动恢复连接。有较强的鲁棒性。
3.共通概念贯穿不同年级，具有明确的学习进阶要求
美国基于共通概念统领科学内容，一方面表现为将共通概念作为维度之一对科学课程进行整体架构；另一方面，对共通概念在不同年级都提出了明确的进阶要求，可操作性强，体现了对教学实践深刻的指导意义。
在这一时期的课程框架中，共通概念已经成为美国科学内容标准的一部分，但尚没有将共通概念与各学科概念进行关联。因此，尽管标准制定者期望教师和教学材料开发人员能够将一部分的科学内容与共通概念以及科学探究结合起来，但不幸的是，这在当时的教学材料和课堂教学中几乎没有任何明显的进展。[10]
“模式”这一共通概念贯穿于不同学科，并随着年级不断发展，学生在重复学习中不断发展和深化对这一概念的理解。在小学阶段，主要集中在对共通概念的早期发展，在各种活动和主题中学生会重复学习这一共通概念。到了高中，当学生能够使用模式的概念，例如原子的电子和周期表模式的概念来预测之前没有遇到的元素的性质时，“模式”这一共通概念就实现了提高学生做出预测的能力。例如，在科学发展历史上，门捷列夫利用元素性质的模式在1871年创建了周期表，并在不久之后预测了两个尚未发现的元素的存在及其性质。共通概念所体现的年级进阶，正是期待学生通过螺旋反复的学习可以建构起他们进阶性的理解，从而提升学生的解释和预测能力。
表5.“模式”这一共通概念的年级进阶及《标准》的表现期望[20]
三、共通概念对我国科学课程构建的启示
美国共通概念的发展及其科学课程内容建构的特征，对我国科学课程的建设与发展具有重要的启示价值。
1.在科学课程的整体内容架构中体现对共通概念的关注
我国的科学课程在中学属于分科课程，小学阶段虽然是综合的科学课，但在内容架构上还是以学科领域进行划分，整合的特点体现不够鲜明。
分科的知识体系所架构的课程内容会导致学生形成对科学概念相对割裂的理解。例如，学生很可能从现有的学习中形成这样的认识：“能量”的概念是有学科性的。宏观系统中的势能和动能属于物理类；化学中，必须在原子和分子水平上解释能量，并且通常根据微粒的势能和动能来引入能量，进而讨论至热力学、焓、内能和熵；生物课程中常常描述储存在特定分子中的能量，而不考虑实际涉及到反应的非平衡系统。[21]这样产生的问题是，学生对能量的理解并不是跨学科的深刻认知，而是认为能量在不同的情境中含义是不一样的。[22]可见，分科的课程内容架构方式很难使学生自己实现概念整合。正如美国《框架》中所指出的，共通概念是理解科学的基础，但是人们往往期望学生在没有任何明确教学支持的情况下自己构建这样的知识。[23]
共通概念的本质特征决定了它必将成为连接各科学学科的纽带和桥梁。我国在未来的科学课程内容建设中，应当借鉴以共通概念统整学科内容的设计思路，并使其体现在具体的课程内容之中，进而凸显学科之间的内在一致性，帮助学生形成对科学概念整体和一贯的理解。
2.将共通概念与学科核心概念进行关联
共通概念与学科核心概念相互关联，共通概念能够统领学科核心概念，共通概念的理解和掌握又需要学科核心概念做支撑。因此，学生对共通概念的学习并不能够单独进行，必须和核心概念的学习相联系。[24]学生通过在学科核心概念的学习中反复运用这些共通概念，能够促进核心概念的理解[25]；反过来，通过共通概念学生可以把分属于不同分支学科的知识融合在一起，形成对世界整体、清晰、有逻辑性的认识[26]，从而达到对共通概念日益深刻的理解。
采用Minitab 17软件对数据统计分析,并对表2数据进行多元回归拟合,得到多酚提取率与磷酸氢二钾、乙醇和超声时间的二次多项回归模型
当前，我国的科学课程内容已经对学科核心概念给予了高度关注，在此背景下，还需要进一步将学科核心概念与共通概念进行对应和关联。事实上，已经有相关学者进行过类似的基础性探索，通过共通概念与高中生物学的关联性和具体内容对应的研究，揭示了共通概念与高中生物学课程内容存在多维度的对应关系，为共通概念融入高中生物学课程奠定了理论基础和论证性的支撑。[27]但是，将共通概念与学科核心概念充分进行关联的课程设计和实施还未引起足够重视，共通概念与学科核心概念之间的关联性研究尚处于起步阶段。未来的科学课程建构，需要打破学科束缚，以更开放的视野关注共通概念，切实形成共通概念与核心概念的联结，促进学生整体而综合的科学素养发展。
3.科学课程中共通概念的内容设计要考虑教师等现实因素
在进行科学课程的内容建构时，不仅要以教育理念和教育研究成果作为出发点，“自上而下”地推进，同时也需要兼顾教师的实际能力和科学教育的实际，将课程的上位设计与具体落实相结合。美国科学教育界从20世纪90年代开始即从国家课程标准的层面对共通概念做出规定，然而在实践层面的效果却不尽如人意，一个重要的因素就是科学教师对共通概念的理解不足，教师并不知道如何进行共通概念的教学，相关的教师培训、教学材料等支持性措施不足，造成了共通概念在实践层面被架空的状态。
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为避免出现美国的问题，我们在进行科学课程内容建构时，需要充分考虑我国科学课程改革的实际情况，尤其是教师等相关实践因素。有研究表明，我国绝大多数国家级骨干教师认为可以将共通概念纳入新的课标[27]，这说明共通概念融入我国科学课程存在一定的可行性。但是，由于长期的分科教学，教师对科学内容的理解往往只限于自身学科领域，与其他学科的联系不足，教师对共通概念的准确把握仍然存在很大挑战。我们的科学课程内容建构，需要开展更多的实证研究了解教师对共通概念的理解现状，并进行有针对性的教师培训，为共通概念在教学中的落实提供坚实基础。
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New Trends in the Development of American Science Curriculum——Science Curriculum Construction Based on Crosscutting Concepts
GAO Xiaoyi , SUN Huifang
（Faculty of Education，Beijing Normal University，Beijing 100875, China）
Abstract： The crosscutting concepts receive much attention in current international science education research.The traditional science curriculum mainly uses the subject area as the starting point for organizing science curriculum.One of the important trends in the development of current science curriculum is that the crosscutting concepts plays a core role in the science curriculum.The development of the crosscutting concepts has gone through the changes from as the idea of curriculum construction to as the curriculum contents and then become the lead of the teaching contents.The current American science curriculum framework based on the crosscutting concepts not only reflects the relationship between the crosscutting concepts as the core element and other content dimensions,but also the specific content of the crosscutting concepts and the learning progression in different grades.The development of science curriculum based on crosscutting concepts in the United States has important reference value for the construction and development of science curriculum in China.
Key words： crosscutting concepts; pattern; science curriculum
中图分类号： G622.3
文献标识码： A
文章编号： 1003-7667（2019）01-0053-08
①本文系北京市教育科学十二五规划重点课题“幼儿园科学教育内容框架体系的前瞻性研究”（项目编号ABA14017）课题研究成果，并得到了北京师范大学教育学部科研培育项目的资助。
作者简介： 高潇怡，女，北京师范大学教育学部教授；
孙慧芳，女，北京师范大学教育学部硕士研究生。
责任编辑：曾晓洁
标签：美国论文; 共通概念论文; 科学课程论文; 北京师范大学教育学部课程与教学研究院论文;