整合与发展——科学课程中概念体系的建构及其学习进阶.pdf

本文来源于 2013 年 2 月 课程 教材 教法 引用请注明出处 郭玉英 姚建欣 等 整合与发展 科学课程中概念体系的建构及其学习进阶 J 课 程 教材 教法 2013 2 44 49 整合与发展 科学课程中概念体系的建构及其学习进阶 郭玉英 姚建欣 张静 北京师范大学物理学系 北京 100875 摘要 整合与发展作为当代基础教育阶段科学课程改革的核心理念 已经体现在发达国家的 课程文件中 实现科学课程整合首先应围绕大概念组织知识内容 建构统一的概念体系 在 此基础上设计合理的学习进阶 以促进学生科学素养的连贯发展 基于国际比较研究结果指 出我国与发达国家科学课程标准在课程的整合设计 研究基础等方面存在的差距并提出相关 建议 关键词 科学课程 概念体系 大概念 学习进阶 从奥苏贝尔 1963 年提出科学教育中的大概念算起 历经三次科学课程改革浪潮的尝试 与反复 国际科学教育界对整合与发展的研究和讨论已持续了半个世纪 进入新世纪 包括 科学家 认知心理学家在内的各界科学教育参与者 研究者对此理念的看法已经逐渐达成一 致 周光召先生在为 科学教育的原则和大概念 一书做的序中写道 1 科学教育不应该 传授给孩子支离破碎 脱离生活的抽象理论和事实 而是应当慎重选择一些重要的科学观念 用恰当 生动的方法 帮助孩子们建立一个完整的对世界的理解 整合与发展已经成为当 代基础教育阶段科学课程改革的核心理念 整合首先是科学 课程概念体系的建构 即通过围绕 大概念 Big Ideas 组 织知识内容 达成以往科学课程中零散概念的整合 在此基 础上组织科学实践活动 使学生的 学 与 做 融为一体 在实践中理解和建构科学概念 发展是在概念体系的基础上 通过学习进阶 Learning Progressions 的研究与设计提出适 合不同阶段学生认知发展的表现期望 使学生的科学素养随 着学习阶段的延伸实现连贯一致的进阶发展 2012 年 美国国家研究委员会 NRC 颁布的新一轮的 科学课程改革领航文件 幼儿园到12 年级科学教育框架 实 践 共通概念及核心概念 以下简称新 框架 是践行这 一理念的典型代表 如图 1 所示 新 框架 中科学课程的 三个维度 实践 共通概念和核心概念紧密联系 相互促 进 将以往的科学课程线性 零散 互不相关的内容系统串 联 并能与社会生活其他领域息息相关 2 整合与发展这一重大议题涉及科学教育的方方面面 远非一篇文章所能述及 本文仅就科学课程中概念体系的建构及其学习进阶进行探讨 为科 学课程标准的修订和相关研究提供参考和借鉴 一 围绕大概念建构概念体系 随着科技的进步 社会的发展 人类积累的知识特别是自然科学知识越来越多且日益精 深 有限的科学课程容量和 无限 的自然科学知识这一矛盾越发凸显 在 少而精 Less is more 和 更少 更清 更高 Fewer Clearer Higher 等科学课程设计新理念 3 统 领下的概念体系整合即是解决这一矛盾的尝试 基础教育阶段科学课程的学习应力图通过少 本文系教育部基础教育二司专项课题 高中科学课程标准制定的前瞻性研究 的部分研究成果 作者简介作者简介 郭玉英 1957 女 山东高青人 北京师范大学物理系教授 博士生导师 主要研究方 向为物理课程与教学论 姚建欣 1989 男 山东济南人 北京师范大学物理系硕士研究生 研究方向 为物理课程与教学论 张静 1982 女 湖北荆州人 北京师范大学物理系博士研究生 研究方向为物 理课程与教学论 图 1 美国新 框架 三个维度及其 进阶 数大概念来整合学科知识 促进学生参与科学工程实践 实现对重要原理的深入探索 发展 学生的整合理解并在其中渗透科学本质教育和STSE教育 科学教育的原则与大概念 一 书着重阐述了大概念的内涵及其进阶发展对科学教育的重要意义 这些核心观念及其 进阶过程能帮助学生理解其生活中的事件和现象 并在其结束学业 迈入社会后 持续发生 影响 1 本文中大概念 Big Ideas 一词沿用 原则与大概念 的翻译 其含义与日常教 学中的 概念 不同 大概念是一个应用于诸多领域 有着丰富含义的术语 科学教育领域中 奥苏贝尔 1963 年论述科学课程中的 先行组织者 时 已经在使用这一术语 奥苏贝尔将大概念作为科学 课程中的 组织者 这些组织者将学习单元中的事实和概念统整起来 并为新内容的学习 搭建支架 4 以助于实现有效学习 随着科学教育研究的发展和跨领域的交流借鉴 学者们也在不断赋予大概念新的内涵 2005 年 美国科学促进会 AAAS 借鉴全美数学教师协会颁布的 数学课程中的原则和标准 2000 中对大概念的界定和表述 提出大概念是 能将众多的科学知识联为一致整体的科 学学习的核心 5 随后 科学界在此基础上开展对各子学科中的大概念的研究和分析 如 Stevens 和 Krajcik 2007 分析了纳米科学的大概念 Lelliott 和 Rollnick 2009 论述了天 文学的大概念等 2010 年出版的 科学教育的原则与大概念 将大概念分为两类 科学大 概念 Big Ideas of Science 和关于科学的大概念 Big Ideas about Science 前者包括 物 质的原子 分子说 相互作用 进化 等 后者包括 原因和解释 科学对伦理 社会 经济等的影响 等 大概念包括共通概念和核心概念 共通概念侧重于跨学科内容的组织 而核心概念多用 来整合某一学科内的知识 一 共通概念 20 世纪 80 年代以来 如何基于科学的内在统一性对科学课程进行整合成为研究者关注 的重要问题 其研究成果反映在一些发达国家的科学教育文件中 且在不断发展 1989年 2061 计划 的首部出版物 面向全体美国人的科学 提出了贯通科学各领域 对实现跨学 科的整合理解起着关键作用的四大共同主题 common themes 系统 模型 稳定与变化 规模 四大主题下还包含了守恒 对称性 模式 循环和演化等子主题 1993 年 与之一 脉相承的 科学素养的基准 6 按学段细化了各共同主题的学习期望 虽然设计依据仍以专 家经验为主 但已有部分内容 如系统 是基于相关的实证研究 1996 年颁布的美国 国 家科学教育标准 提出了统一概念与过程 unifying concepts and processes 7 重新组合了上 述主题 并增加了 形式与功能 在 2008 年修订的加拿大安大略省 科学课程标准 中提 出了与上述概念类似的基本概念 fundamental ideas 8 并基于 STSE 教育理念 将 可持 续发展与管理 列入其中 2009年颁布的美国大学理事会 科学标准 将以往归为科学知识 内容的 物质与能量 列为了统一概念 unifying concepts 9 2012 年 1月 澳大利亚 国家 课程 科学 也提出了 6个统领概念 overarching ideas 同年 美国的新 框架 中强 调 交叉概念 crosscutting concepts 在科学课程中的重要地位 除新增了 原因和结果 机 制与解释 这个新概念外 还对几个概念的内涵进行了扩展 表 1 列出了上述课程文件中的 此类概念 面向全体美国人的科学 和 科学素养的基准 相同 不再重复 从中可见其 内容在不断丰富和发展 STSE 分别是科学 Science 技术 Technology 社会 Society 和环境 Environment 四个词的首字 母 STSE 教育最早于 1997 年写入 加拿大科学教育共同框架 是 STS 教育的发展 表 1 六份科学教育文件中的共通概念 科学素养 科学素养 的基准 的基准 1993 共同主题共同主题 美国美国 国家科学 国家科学 教育标准 教育标准 1996 统一统一概念与过概念与过 程程 加拿大安省 科加拿大安省 科 学课程标准 学课程标准 2008 基本概念基本概念 美国大学理事美国大学理事 会 科学标准 会 科学标准 2009 统一概念统一概念 澳大利亚 国家澳大利亚 国家 课程课程 能量 能量 2012 统领统领概念概念 新 框架 新 框架 2012 交叉概念交叉概念 系统 Systems 系统 秩序和组 织 Systems order and organization 物质 Matter 物质和能量 Matter and Energy 模式 秩序和组 织 Patterns order and organization 模式 Patterns 模型 Models 证据 模型和解 释 Evidence models and explanation 能量 Energy 解释模型与证 据 Models as Explanations Evidence 形式与功能 Form and function 原因和结果 机制 与解释 Cause and effect Mechanism and explanation 规模 Scale 变化 稳定和测 量 Change constancy and measurement 系统和相互作 用 Systems and Interactions 相互作用 Interaction 稳定与变化 Stability and change 规模 比例和数量 Scale proportion and quantity 稳定和变化 Constancy and Change 演化和平衡 Evolution and equilibrium 结构和功能 Structure and Function 形式和功能 Form and Function 规模和测量 Scale and measurement 系统和系统模型 Systems and system models 形式与功能 Form and function 可持续发展和 管理 Sustainability and Stewardship 平衡 Equilibrium 物质和能量 Matter and energy 能量和物质 流 循环和守恒 Energy and matter Flows cycles and conservation 变化与连续性 Change and Continuity 规模 Scale 系统 Systems 结构和功能 Structure and function 演化 Evolution 变化 连续性和稳 定 Change continuity and Stability 上述 6 份文件中 虽然所用术语略有差异 但是对这类概念的内涵界定是基本一致的 我们根据这些术语的含义和文件中的诠释 将此类概念译作 共通概念 共通概念是涉及 科学 数学和技术等各个领域的最基本的概念 这些概念超越了学科界限 反映出不同学科 的内在统一性 并且相对稳定 对于各种文化观念都普遍适用 通过课程文件的比较可以看出 科学教育界对于共通概念的重要性达成了一致认识 且 共通概念在科学课程中的地位也不断提升 美国大学理事会认为 共通概念 不仅对科学学 习意义深远 而且还影响着数学 技术和工程等的学习 9 有助于学生建立对所有学科的 整体认识 新 框架 将共通概念作为科学课程设计的一个维度 其学习理解与核心概念 科学与工程实践联系紧密 二 核心概念 核心概念是组织整合某个学科自身内容的少数关键概念 如新 框架 确定的 13个核 心概念 物质科学 4个 生命科学 4 个 地球与空间科学 3个 工程 技术和科学的应用 2 个 中的 物质及其相互作用 遗传 性状的遗传和变异 等 这些 少而精 的核心概 念的选择是课程设计面对的最基础问题 Krajcik报告了新 框架 制定过程中核心概念的遴 选原则 1 学科显著性 即核心概念在该学习领域具有广泛的重要性并且是关键的组织 概念 2 解释能力 核心概念能解释领域内的其他概念及问题 3 一般性 能作为理解或 探究更复杂概念的关键工具 4 与生活实际紧密关联 包括两方面 既要与学生的生活体 验和兴趣紧密相关 还要与重大社会生活议题相关 5 持续延伸性 核心概念需从幼儿园 到 12 年级都具有可教性与可学性 需要强调的是 共通概念和核心概念的划分并不是绝对的 有的共通概念 如能量 同 时也是物质科学的核心概念 当代的科学课程设计正在尝试围绕大概念组织课程内容 建立 整体一致的概念体系 帮助学生形成良好的知识结构 例如加拿大安大略省科学课程以核心 概念为纽带 向上承接共通概念 向下按其三维目标 展开总体期望和具体期望 在每门课 程开篇附表说明该课程的核心概念与共通概念的关系 同时 概念体系的整合也是学习进阶 设计的必备条件 学习进阶实质上就是对大概念理解的逐级深入和持续发展 二 基于学习进阶的设计实现学生科学素养的连贯发展 学习进阶 Learning Progressions 第一次在科学教育领域正式提出是在 2004 年 10 最 初被用于测评设计 随着其对学生认知和指导教学的重要意义很快被发现并得到了重视 时 隔不到十年 已成为新 框架 学习期望的核心表述形式 国外研究者认为 以整合的概念 体系为核心 围绕少数概念进行深入探究的进阶学习 能够有效改变其 广而浅 的科学学 习现状 最终实现科学素养的发展 以 AAAS 2061 计划 设计的 科学素养的导航图 和 科学中的学习进阶 等重要参考书籍和论文集的出版 标志着这一新研究领域的兴起 国外科学教育研究者在数十年来的概念研究成果基础上 对学习进阶进行探索 学习进 阶的起点是 学生入学时的 前 概念和推理 终点是 期望所有学生在高中毕业时具备 的科学素养 并给出从起点到终点的中间阶段 描述学生对大概念的认识如何不断发展 学习进阶的设计是一个 提出 实证检验 修改 的反复过程 如图 2 11 进阶假设 的提出基于概念学习研究的系统综述 进阶假设的验证通过研究证据 即对学生的测试和 访谈 而不是仅通过专家或权威机构的认可 可以从两方面进行研究来检验学习进阶是否有 效 一是考察学生对核心概念认识的真实发展路径是否如学习进阶所描述 二是采用基于学 习进阶的课程教学 对比其效果是否比传统的更好 Joseph Krajcik 教授任教于密歇根大学 任 K 12 科学教育框架 实践 共通概念及核心概念 物质科学 部分设计小组组长 加拿大的三维目标是 1 将科学与技术 社会和环境相联系 2 发展学生的科学探究技能 策略和思维 习惯 3 理解基本的科学概念 图 2 一种学习进阶研究的循环流程图 11 虽然关于学习进阶的研究尚处于起步阶段 许多问题还有待厘清 但研究者对进阶研究 的意义已达成共识 学习进阶能建起一座连接对学习的研究和课堂教学实践的桥梁 12 教 师通过基于进阶开发的测评手段掌握学生所处的学习水平 以此为依据选择合适的教学方式 和策略 通过基于证据的进阶研究 实现对于学生学习进阶过程和水平的充分了解 以此指 导课程标准的修订 为课程和评价的设计发展提供坚实的基础 三 总结与启示 国际比较研究结果表明 我国虽然经历了新世纪的基础教育课程改革 2011 年又颁布 了新修订的义务教育阶段的各科课程标准 但与发达国家的科学课程相比仍存在很大差距 首先 我国的基础教育没有将科学课程作为一个整体设计 没有统一的科学课程标准 小学科学课程的开设晚于多数发达国家 初中分科课程和综合课程并存 但综合课程改革的 推进步履维艰 高中课程标准则全部是分科制定 相比之下 发达国家如美国 英国 加拿 大等早在 20 世纪末就已实行了整合的科学课程 目前正在原有基础上进一步实现更大范围 和更深层次的整合 国际上科学课程标准研制的主流方式是将整个科学领域所包括的物质科 学 生命科学 地球与空间科学等作为一个整体来设计课程 有的还包括工程与技术 这样 才能为概念整合搭建平台 如新 框架 利用共通概念打破了课程设置带来的学科界限 用 核心概念强化了学科领域内的整合 共通概念和核心概念构成的概念体系描绘了人类对自然 认识的整体框架 通过认识与实践的相互作用绘制出学生科学素养的发展蓝图 其次 我国不同学习阶段的学科课程也是分别设计的 小学和初中之间 初中和高中之 间缺乏内在的逻辑联系 导致教学实践中出现大量脱节现象 基于学习进阶研究对基础教育 阶段的科学课程进行整体设计 合理规划 对每个学习阶段提出符合学生科学认知发展水平 的要求 从而实现各阶段科学课程的无缝对接 才能有效促进学生科学素养的连续一致的发 展 从科学课程的本质来看 发展实质上是整合的一个纵向维度 是对不同阶段科学课程的 整合 使基础教育阶段的科学课程构成一个有机整体 这是提高学生科学素养的保证 也是 课程标准发展的必然趋势 第三 我国的课程标准设计仍然以借鉴和经验为主 而发达国家科学课程的改革与发展 是建立在科学教育研究的基础之上的 国外对学生概念的研究已经积累了大量的实证研究成 果 随时间发展的理解 Understanding Develops Over Time 即学习进阶的研究是在学生 概念研究基础上的进一步发展 学习进阶的研究从实证出发 了解学生对科学中核心概念认 识的发展规律 作为制定科学课程标准中科学概念进阶发展的依据 合理规划学生在各个学 习阶段的概念理解水平 而我国关于学生概念的实证研究工作刚刚起步 尚未在科学教育领 域产生广泛影响 其研究范式 研究的广度和深度都与发达国家有很大差距 科学概念体系 的整合与进阶发展 特别是共通概念和核心概念的学习进阶是目前国际科学教育研究领域正 在关注的热点问题 而我国长期以来只重视各学科领域的基本概念 忽视核心概念和共通概 念 影响学生形成对科学的整体认识 建议我国科学教育领域在已有研究的基础上 开展相 关调查研究 了解我国学生科学概念的发展现状 为科学课程的合理设计提供研究基础 Integration and development the construction of concept system and its learning progressions GUO Yu ying Yao Jian xin Zhang Jing Department of Physics Beijing Normal University Beijing 100875 China Abstract Integrate and Development has been widely accepted as the core idea of the elementary scientific curriculum reform The foundation to achieve the idea is constructing a concept system which centers on big ideas around which knowledge could be organized Based on that the learning progressions can be designed to promote the continuing development of students scientific literacy The gap including the integrity of curriculum design the research foundation etc between Chinese science curriculum and some developed countries is revealed by the comparative results of international science standards and some relative advices were offered Key words science curriculum concept system Big Idea Learning Progression 参考文献 1 温 哈伦编著 韦钰译 科学教育的原则和大概念 M 北京 科学普及出版社 2011 序言 2 National Research Council A Framework for K 12 Science Education Practices Crosscutting Concepts and Core Ideas M Washington DC National Academy Press 2012 3 Bill Melinda Gates Foundation Fewer Clearer Higher Moving Forward with Consistent RigorousStandardsfor All Students EB OL 20121020 http www gatesfoundation org highschools Documents fewer cl earer higher standards pdf 4 David P Ausubel Some psychological considerations in the objectives and design of an elementary school science program J Science Education 1963 47 278 284 5 National Cou