科学教育中的核心概念及其教学价值，本文主要内容关键词为：概念论文,核心论文,价值论文,科学论文，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。
英国科学教育专家温·哈伦（Wynne Harlen）在《Principles and Big Ideas of Science Education》报告中指出，科学教育的目标不是去获得一堆由具体事实和学科理论杂乱无章地堆栈起来的知识，而应该是实现一个向核心概念逐步趋向的进展过程，这样做有助于学生理解与他们生活相关的事件和现象。[1]可以这样理解，在科学教育中学生掌握的科学知识绝不应该是孤立的事实和零散的科学结论，而是通过一定的逻辑相互关联，形成以核心概念为统摄的具有层次性的结构体系。可见核心概念在科学教育中处于非常重要的位置。然而，关于如何在中小学科学教育课堂中有效传递学科核心概念及其结构体系，相关理论研究和实践研究都没有平行跟进，致使课堂中注重记忆具体事实而忽略对核心概念深层理解的现象并非少见。因此，从科学知识结构角度认识核心概念及其教学价值，强调核心概念在科学教育各学科教学中的重要作用，强调对核心概念统摄下的学科知识结构的深入理解已变得非常必要。 一、科学教育中的核心概念 （一）科学教育中知识结构体系图 北京教育学院科学教育团队依据美国教育专家肖瓦特（Showalter）的知识结构图，[2]建立了科学教育的知识结构体系。该体系强调了核心概念统摄下对知识结构的系统把握，强调了知识的整体性和知识之间的普遍联系。
该体系由4个层级组成，呈现了从知觉感受开始，逐级进阶，直至核心概念和科学主题形成的过程。层级越高，统摄性越强。 科学主题位于结构体系的最高层级，这是因为，科学的形成源于人类对自然界的探索活动，而自然界又是一个普遍联系、相互作用的统一整体。因此，科学的不同领域之间，在学科知识和内容、概念形成和发展以及研究手段和方法上是存在相互关联、相互交叉的。这样在科学领域不同的具体学科之间就必定会存在一些“共通”概念，它们跨越学科界限，具有普适性。从这些“共通”概念中，可以提炼出能统领科学教育各个分支学科的概念[3]，我们称之为科学主题。美国加利福尼亚州出版的“科学框架”（Science Framework for California Public School）中，将“尺度与结构”“变化的形式”“稳定性”“系统与相互作用”“演化”“能量”提炼为科学主题[4]。 科学主题具有普适意义，贯穿各个分支学科，可以揭示科学知识的本质属性及其相互联系，能够将不同学科、不同分支的信息片段按照逻辑关系整合成普适的、具有内聚力的结构体系。各信息片段以及各片段之间的相互关联、相互作用就可以在这样的体系中被整体性地显现出来。 因此，在科学教育各个不同领域的教学中，我们要帮助学生建构整合各个信息片段的、具有逻辑内聚力的学科知识体系，并将其汇集到上述的全信息结构之中，而这个知识结构体系的节点就是核心概念。从上述知识结构体系图中可以看出，学科的一般概念与一般概念之间依照一定的逻辑相互联系聚合为核心概念。因此，美国课程专家艾里克森也将其称为“概念聚合器”，并指出“如果没有一个能统摄一般概念的‘概念聚合器’（核心概念），那么学生的学习只能停留在一个较低的层面，学生的认知得不到提升，这时学生就总会试图死记硬背相关的事实和理论”。[5] 当学生以事实为基础进行一般概念的归纳，同时在一个深层次的概念理解水平上深入理解科学范式和各种联系时，核心概念如同为其提供了一个“聚合器”，帮助学生进行“综合思维”。 下面以“生物与环境”单元为例对学科事实、一般概念以及核心概念和科学主题的关系做具体阐释（如图2所示）。
有关“生物体的形态结构与其生活环境相适应”这个核心概念的科学事实很多，例如随季节发生变化的体表颜色、模仿叶子形态的昆虫、为保护身体柔软器官而长出的坚硬外壳，等等。不难看出，这些事实有两个特点：（1）能够通过直接观测获得；（2）可以被反复验证。一般概念比事实具有更高的概括性，需要对事实加以综合分析，得出一个客观的结论，如“适应环境的身体结构有助于动物的生存”，这个一般概念就是在分析各种动物在不同环境中身体结构变化的基础上概括出来的，是对众多事实的一个概括性描述。因此，一般概念有一定的迁移价值，但由于更接近事实而解释力有限。核心概念是在一般概念的基础上形成的规律性的认识，这种规律性的认识普适性程度高，因此具有更高的解释力和迁移应用价值。学生一旦理解了核心概念后，就可以解释新情境中的相关问题了。通过核心概念的迁移应用可以解决大量的课堂上未接触的事实性问题，不但减轻了学业负担，而且提高了分析问题、解决问题的能力，这正是核心概念的教学价值所在。 “系统与相互作用”的科学主题反映的是自然界普遍存在的动态平衡状态的规律与特征，它是跨越学科界限的，因此相对于核心概念具有更高的统摄力，能统摄各门具体科学学科的核心概念。 再比如，《美国新一代科学教育标准》幼儿园至8年级生命科学“从分子到有机体：结构与进程”部分一般概念与核心概念的关系如下页表1。[3] 目前，国际科学教育界倡导“少而精”的科学教育原则，就是期望学生的学习能够摒弃繁杂的事实，实现向核心概念的逐步进阶。
（二）什么是核心概念 关于核心概念，出现在英文文献中的描述词汇主要有：“key concept”（核心概念）、“core concept”（关键概念）、“major generalization”（主要概括）、“major concept”（主要概念）、“fundamental idea”（基本观念）、“fundamental concept”（基本概念）、“unifying concept”（同一概念）、“aggregating concept”（聚合概念）、“big idea”（大观念）等。这些说法意义大体相近。 需要特别解释的是，在国外的科学领域，观念与概念常常混用。我国学者赵金祈认为“概念是可以说成观念的”[6]，但是科学领域中概念的形成路径与日常生活中观念的形成方法是大不相同的。在科学上，概念的形成需要在大量事实和现象的基础上经过缜密的思考和严谨的逻辑推理，找到现象之间的模式和联系，并将零散的事实组合成相互关联的整体，形成有意义的逻辑结构，即概念。因此，只有在符合逻辑推理下纳入个人概念体系中的那些观念才能与我们所说的科学领域的概念相提并论。[7] 美国课程专家诃德（Hurd）曾指出，科学课程是由概念和原理组合而成的，它们构成了学科的主干结构，应该能够代表现代科学的图景，它们被称为核心概念（key concept or represent-ative ideas）。[8]德意（Day）认为，核心概念居于某个知识领域的中心，具有持久性和广阔的解释空间。[9]费德恩认为，核心概念是学生在忘记具体知识内容后仍然能继续使用的知识，他主张应该将核心概念清晰地呈现给学生。[9] 艾里克森（H.Lynn Erickon）认为，“提高学业标准不是要求掌握更多的事实性知识，而是要求提升思维能力。因此，选取教学内容时应该围绕核心概念来进行”。[5]并指出，核心概念是具有超越课堂之外的持久价值和迁移应用价值的概念性知识、原理或方法，它们是居于学科中心的。教学的中心应该从记忆事实转移到深层理解核心概念和学科的知识结构，进而促进学生思维的发展。 北京教育学院科学教育团队提出，核心概念是构成学科骨架的，具有迁移应用价值的概念。核心概念不同于一般的科学概念，它可以统摄一般的概念，可以揭示学科知识的本质和学科知识之间的联系，具有统整学科知识的功能。核心概念的两个特点为：（1）普适性，它具有广泛的解释力，能统摄众多的学科知识；（2）迁移性，它可以应用于新的情境，解决相关领域的新问题。 美国《K-12科学教育框架：实践、交叉概念和核心概念》（A Framework for K-12 Science Education:Practices,Crosscutting Concepts,and Core Ideas）列出了选择核心概念的四个标准： （1）代表了当代科学或者某一学科的主要观点； （2）具有强大的解释力，能够用于解释学生在当下或毕业以后实际生活中遇到的问题，也可用于解释和理解不断变化着的世界； （3）为理解和研究更为高级的概念和解决新情境下的新问题提供有力的工具； （4）在各个年级都可以进行不同程度的教与学，理解的深度和复杂程度随着年级的增长而逐级进阶。[10] 二、核心概念的教学价值 提升学生的科学素养是科学教育各个学科的共同目标，而核心概念能够反映学科本质，它可以揭示一般概念之间的关系，具有统摄学科知识的功能。对核心概念的理解程度反映了一个人的科学素养。因此，在科学教学活动中要重视学生对核心概念的深入理解。[11]核心概念的教学价值体现在以下几个方面。 （一）有利于学生掌握学科的基本知识结构 布鲁纳认为，人类的知识增长迅速，任何一门学科的教学内容都不可能容纳所有知识，这就要求学校在有限的学习时间内，使学生掌握对今后的人生更有价值的知识。他强调，不论我们教什么学科，务必使学生掌握学科的基本知识结构，因为掌握了学科的基本知识结构，任何与该学科有关联的知识都可以不断地被纳入这个结构体系中，学生就可以独立获得更多的知识。这一点在“知识爆炸”的时代尤为重要。 由于核心概念是构成学科骨架的概念，居于学科知识结构的中心，所以深入理解核心概念有助于学生更好地掌握学科的知识结构。费德恩（Feden）曾用一个雨伞的例子对科学主题、核心概念统摄下的学科知识结构进行了形象的说明，即伞柄代表科学主题，伞杆代表的是学科事实，而覆盖了所有信息的张开的伞面则代表核心概念。[9]这提示科学教学重要的不是教给学生众多的事实，而应该是让学生深刻理解核心概念。聚焦核心概念的科学教学能提高学生对科学信息的识别与判断能力，这样在完成在校的学业后，他们仍然能够继续学习科学，成为科学知识的使用者甚至创造者。 （二）有利于提高学生元认知能力 学习的目的不是记忆多少具体的知识和技能，而是学会如何学习，即掌握元认知的学习能力。在教学中帮助学生自主建构由核心概念构成的知识体系，便于学生将新旧知识有机地联系起来，并不断将新知纳入这个体系中。由于这个建构过程由学生独立完成，形成属于自己的结构体系，所以学生能够自由提取和灵活应用。在建构这个体系的过程中学生要以大量的事实为工具进行分析、综合、推理，形成核心概念，不仅发展了思维能力，而且能够形成可以达到学习结果的自我学习方法，掌握了这样的学习方法，就会成为有智慧的人。 （三）有利于学生进行综合思维 核心概念的建构过程需要按照知识的内在逻辑和规律性，将零散的知识系统化、条理化，整合成条理清晰、脉络分明、相互之间有机联系的体系。这样一个具有逻辑内聚力的体系在建构过程中需要进行综合思维的整体把握。 （四）有利于学生实现学习迁移 核心概念是反映学科本质、具有解释力和统摄性的概念，处于学科知识结构的“上位”，可以广泛地应用在不同的学习情境中，从而能有效地实现学习的迁移。 三、核心概念的教学设计程序 美国Horizon Research Team主席维斯等通过对364节课的系统分析，概括出优质课的几个特征，其中包括：（1）多角度阐释某个科学概念；（2）能够引起学生的深入思考；（3）帮助学生理解学科的核心概念等。[12]可见，作为优质课的特征之一，围绕核心概念组织教学已经成为国际科学教育界备受关注的热点。 根据艾里克森提出的概念教学模式，结合我国中小学科学教育教学的特点，北京教育学院科学教育团队提出了基于核心概念建构的教学设计程序，主要包括以下四个环节（见图3）。
1.以教学单元作为建构核心概念的基本单位，从整体角度审视单元内容，系统分析教学单元内容知识的层次结构和相互联系，甄别、确定具有统摄性和迁移应用价值的核心概念，为思维过程指明方向。 2.把核心概念转化为一般概念（是在事实基础上形成的，是对核心概念基本含义的具体表达，它们能够反映一类事实的共性，但是超出了具体事实的局限，是对具体事实的抽象、概括，但是由于更靠近事实，因此解释力和迁移价值有限），这是期望学生在学习过程中掌握的。 3.把一般概念以“基本问题”的形式表达出来，以问题驱动教学和学习，促进学生对一般概念的理解。 4.根据基本问题设计教学活动，教师要精选支撑一般概念建构的学科事实。最终完成知识的建构，形成核心概念。 在这个过程中教师要反复思考这样的问题，通过这个单元的教学，最终希望学生能够知道什么、理解什么和能够做什么。 下面以“鸟类适于飞行的特征”教学为例，对基于核心概念建构的教学设计程序加以说明。从整体角度看，“鸟类适于飞行的特征”教学的核心是“鸟类的身体结构与其飞行功能相适应”，它是统领“鸟类适于飞行的特征”教学的核心概念。为促进学生对核心概念的深层理解，需要将其表述为具体的一般概念，这是期望学生学习的具体知识内容。然后以驱动性的问题和有效的教学活动促进学生理解一般概念。“鸟类适于飞行的特征”的教学设计程序为如图4所示的框架：
在这样的教学设计框架中，将一般概念的教学置于核心概念的统领之下，让学生学习有内在逻辑的知识内容，可以摆脱枝端末节的问题，使具体知识的教学更为简单高效。 综上所述，科学教育中核心概念教学的要义是：围绕核心概念，以科学事实为载体，通过分析来龙去脉、相互关联，在把握一般概念的形成过程中，领悟核心概念的本质，形成科学的思维方法。
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