基于大概念理念的高中生物教学与思考ppt课件

基于大概念理念的高中生物教学与思考 引言 在高中生物新标准的 设计依据 中指出 根据生物学的大概念来构建课程体系和内容框架 在高中生物新标准的 实施建议 中建议 通过大概念的学习 帮助学生形成生命观念 大概念是处于学科中心位置 对学生学习具有引领作用的基础知识 在生物学课程中 大概念包括了对原理 理论等的理解和解释 是生物学科知识的主干部分 高中生物学课程的必修课程和选修 课程都是围绕着几个大概念展开的 内容标准基于大概念描述了具有学科逻辑 符合高中学生认知特点的重要概念 形成了课程的内容框架 在教学中 教师围绕着生物学大概念来组织并开展教学活动 能有效地提高教学效益 有助于学生对知识的深入理解和迁移应用 也有助于发展学生的生命观念 教师在设计和组织每个单元的教学活动时 应该围绕大概念和重要概念展开 依据重要概念精选恰当的教学活动内容和活动方式 其教学策略既可以是讲解 演示 讨论 也可以是基于学生动手活动或对资料的分析及探究 所有的教学活动都要有利于促进学生对生物学概念的建立 理解和应用 为了帮助学生形成正确的生物学重要概念进而建立生物学观念 教师一方面需要向学生提供各种丰富的 有代表性的事实来为学生的概念形成提供支撑 另一方面 教学活动不应仅仅停留在让学生记住一些零散的生物学事实的层面上 而是要通过对事实的抽象和概括 帮助学生建立生物学概念 并以此来建构合理的知识框架 为学生能够在新情境下解决相关问题奠定基础 在教学过程中 教师还必须注意学生头脑中已有的前概念 特别是那些与科学概念相抵触的错误概念 课堂教学活动要帮助学生消除错误概念 建立科学概念 1999年中国科协提出了为期50年 全民科学素质行动计划 制订了2049年人人具备的科学素质标准 一 科学概念及科学知识标准科学概念和科学知识是科学素质的基础 当代科学技术发展日新月异 不可能也没必要使全体公民都掌握所有的科学知识 而应强调普及必要的科学知识 尤其是那些作为理解自然的钥匙 培养科学世界观和科学 技术能力密切相关 已广泛渗透到当代社会生活各个领域的必要的科学概念和基本原理 相对于一些新兴学科 专业的具体知识更新周期越来越短的趋势而言 本标准要求公民掌握的科学知识内容在未来50年中也需要作必要的修正和补充 而科学概念的内容则具有更大的稳定性 一 2049计划 1 科学概念物质 运动 能量 信息相互作用 系统 变化 概率 运动规律稳定 平衡 转化 守恒结构 组织 进化测量 实验 模型 科学 技术 2 科学知识宇宙 宇宙的结构和演化 地球的形成 结构和环境物质 物质的结构 物质的基本运动形式 能量转化与守恒定律生命 生命起源和生物进化 细胞和生物体 生物多样性和生态系统人 人的起源和进化 人体结构与功能 人体发育与健康 人的思维与行为 死亡科学技术发展史 现代高科技及其产业化成就 二 科学精神和科学世界观标准1 唯物论和无神论观念世界是物质的 是物质运动的演变 不是神创造的 物质与精神的关系 2 科学精神求真精神 怀疑精神 创新精神 实践精神 团队精神 3 科学态度和科学方法严肃认真 一丝不苟 客观公正 实事求是的态度 观察实验 假说推理 验证发展 去伪存真的方法 识别伪科学 4 科学 技术与经济 社会的关系科学技术是第一生产力 科学是文化 是建设精神文明的强大力量 科教兴国战略 可持续发展战略 知识经济 科学决策 尊重和保护知识产权 三 科学探究能力和技术动手能力标准1 科学探究能力观察 提出问题 制订实验研究计划 利用有关工具和技术收集数据 运用逻辑推理对实验结果分析综合 作出解释 表达与交流2 技术动手能力测量 计划 发明 成本与风险效益分析 计算机及其网络的使用 二 科学大概念 科学教育的原则与大概念 英 温 哈伦编著韦钰译科学普及出版社2011 72009年10月 10位来自不同国家的科学家和教育家在苏格兰罗蒙湖举行了研讨会 会后形成报告 引言为什么需要大概念 1第一章支撑科学教育的基本原则 6第二章科学大概念的选择 17第三章科学上从小概念到大概念 27第四章以大概念的理念进行教学 47 一 科学教育的10项原则 在义务教育的所有年级 学校都应该设置科学教育项目 以系统地发展和持续保持学习者对周围世界的好奇心 对科学活动的热爱以及对如何阐明自然现象的理解 科学教育的主要目的应该是为了使每个人能够参与有依据的决策和采取适当的行动 这对保证他们个人 社会以及环境的健康和协调发展是重要的 科学教育具有多方面的目标 科学教育应该致力于 理解一些科学上有关的大概念 包括科学概念以及关于科学本身和科学在社会中所起作用的概念 收集和运用实证的科学能力 科学态度 基于对概念的审慎分析以及基于当前对学习是如何发生的有关研究和理解 应该给出为了达到科学教育各个方面目标的清晰进程 指出在不同阶段需要掌握的概念 应该从学生感兴趣并与他们生活相关的课题开始 逐步进展到掌握大概念 学习的经验应该明晰地反映出既包含科学知识 也包含科学探究的理念 并且符合当前科学和教育方面的见解 所有科学课程活动都应该致力于深化学生对科学概念的理解 同时应该考虑其他可能的目标 例如 科学态度和能力的培养 为学生设置的学习项目以及教师的职前教育和专业发展 都应该与为达到原则3中所设置目标需要的教与学的方法保持一致 评测在科学教育中具有关键的作用 无论是对学生学习过程的形成性评测 还是对学生学习进展的总结性评测 都必须考虑到所有的学习目标 为了达到科学教育的目标 学校的科学项目应该促进教师之间的合作 并需要社会其他力量包括科学家的参与 三 科学大概念阐述 1 科学大概念的含义概念 是人脑对客观事物的本质特征的认识 概念能够将事物的本质特征分离出来 并帮助人类对事物的认识摆脱零散的细枝末节的干扰 概念是将一个人的经验组织起来 然后对相关的内容 事件以及信息惊醒总结归纳 分类以及推论和抽象化处理后的知识体系 概念可以让我们在对世界的认识过程中拥有一种认知 发展和交流能力 科学概念 是指经过人的组织而形成的 体系化的科学知识 一方面 他们是科学家们对世界的共识 是人类的宝贵精神财富 另一刚方面 他们又对科学家组织对世界的再认识发挥着推动作用 因此 科学概念的内涵是动态变化的 是开放式的 科学概念的形式表现一方面是自然形成的语言 另一方面是通过一定的语言规则处理后而表述出来的知识结构 它既是经过是实证研究的知识 也是要被专业人士所认可和接受的知识 同时 科学概念中 有层次性的区别 概念的发展是动态的 随着人类认知自然能力的提升和理论知识的发展而不断得到丰富和完善 大概念 与日常教学中的 概念 有所不同 美国科学促进会 AAAS 在2005年对于大概念的定义是 能将众多的科学知识联为一致整体的科学学习的核心 科学教育的原则与大概念 一书中对大概念所包含的内涵以及科学教育的意义的阐释是 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 大概念包括共通概念与核心概念 共通概念往往是指跨学科内容的组织 例如 能量 物质 等就属于该类概念 核心概念侧重于整合同一学科内的知识 例如 物质及其相互作用 和 遗传 性状的遗传和变异 等都是该类概念 2 科学大概念的选择选择科学大概念 一是考虑对儿童发展的作用 二要考虑对认识科学活动发现和本质的作用 大概念的选择标准 能够用于解释众多的物体 时间和现象 而它们是学生在学校学习和毕业以后的生活中会遇到的 学生学习了这个概念后 要能够在提升决策力上有所帮助 这样的帮助将延续到他们的未来生活和工作中 能够提升学生悦纳自己和接受自然的积极心态 能够对于此相关的问题进行愉快而有意义的探索和思考 具有一定的文化意义 人的创造力 影响性以及发展史的回顾总结等 3 从科学小概念到大概念作为源自感性认知和观察实验而得来的小概念将随着学习的不断深入而逐步转换为大概念 人们常说的概念的构建过程就是由科学小概念向科学大概念发展的过程 也是他们二者之间互动的过程 明茨基等人在 促进理解之科学教学 中指出 教师面对的挑战是 如何寻求不同的经验来设计问题 实验以及示范 以要求学生重新思考他们的想法 针对学生的需求 以及他们特有的前概念 要发展和应用更具挑战性的教学策略 帮助建立大概念是在教育工作者了解教育对象的小概念掌握情况后的必行工作 从小概念迈向大概念的形式有 一是要对儿童的小概念拥有状况有一个清晰地掌握 提升大概念构建的针对性 二是建立转变模型 进行构建活动 构建活动包括提问 解释 总结和推论等多种方式 三是强化科学大概念 强化知识结构体系 要注重对新建立的大概念体系化的完善 形成新的知识结构 使大概念得到巩固 具体到教学实践中 要从小概念转变到大概念 一是要进一步重视感知 感知是认识事物的起点 实验和观察是帮助学形成感性认识的重要方式 大概念是建立在小概念的基础上的 二是要格外重视表象 这是客观事物作用于人脑后形成的形象 它是介于具体性和抽象性二者之间的认知桥梁 三是推动大概念的形成 在有了感知和表象的基础后 就可以引导学生揭示事物的本质 最终建立概念 四是 通过进一步拓展和深化形成大概念 实现小概念向大概念的转变 二 科学中的14个大概念 科学概念1 宇宙中所有的物质都是由很小的微粒构成的 2 物体可以对一定距离以外的其他物体产生作用 3 改变一个物体的运动状态需要有净力作用于其上 4 当事物发生变化或被改变时 会发生能量的转变 但是在宇宙中能量的总量总是不变的 5 地球的构造和它的大气圈以及在其中发生的过程 影响着地球表面的状况和气候 6 宇宙中存在着数量极大的星系 太阳系只是其中一个星系 银河系中很小的一部分 7 生物体是由细胞组成的 8 生物需要能量和营养物质 为此它们经常需要依赖其他生物或其他生物竞争 9 生物体的遗传信息会一代代地传递下去 10 生物的多样性 存活和灭绝都是进化的结果 二 关于科学的概念11 科学认为每一种现象都具有一个或多个原因 12 科学上给出的解释 理论和模型都是在特定的时期内与事实最为吻合的 13 科学发现的知识可以用于开发技术和产品 为人类服务 14 科学的应用经常会对伦理 社会 经济和政治产生影响 原子是构成所有物质 有生命和无生命的 的基础单元 可以用原子的行为来解释不同物质的特性 化学反应使材料中的原子重新排列 以生成新的物质 每个原子都有一个原子核 原子核中包含了中子和质子 并由电子围绕 质子和电子携带着相反的电荷 相互吸引 以使原子维系在一起和形成一些化合物 1 宇宙中所有的物质都是由很小的微粒构成的 在日常生活中遇到的所有的 物品 包括空气 水和不同种类的固体都称为物质 因为它们具有质量并占有空间 不同的物质可以通过它的特性来辨认 有些特性可以用来将物质分成固体 液体或气体 有些物质可以组合而形成新的与原有物质特性不同的新物质 另一些物质是简单的混合体 并没有永久地被改变 它们可以重新被分离 加热或冷却也可以使物质发生变化 当固体熔化或液体蒸发时 物质的量并没有改变 假如能把物质分割成越来越小的碎块 可以发现物质是由碎块 微粒构成的 它们是如此的小 以至要用显微镜来观察 这些微粒并不是存在于物质之中 它们就是物质 对某个特定的物质来说 所具有的所有微粒是相同的 并且与其他物质中的微粒不同 这些微粒不是处于静止状态 而是在做杂乱的运动 它们运动的速度被表现为物质的温度 这些微粒之间会相互吸引或排斥 可以用微粒的运动和相邻微粒之间的距离 以及吸力的强弱来说明固体 液体和气体的区别 例如需要从固态变成液态 或是从液态变成气态 微粒之间的吸力越强 要将微粒分开所需的能量就越大 这就是为什么物质具有不同熔点和沸点的原因 物质最小的碎块称为原子 所有的物质 无论位于宇宙的何处 无论是有生命或是无生命的 都是由大量的这类基本建构单元组成的 这种基本的不同类型的建构单元大约有一百多种 仅有一种原子构成的物质称为元素 不同种类的原子可以组合在一起 形成众多的化合物 参与反应物质的原子重新排列 形成了新的物质 这就是化学反应 但物质的总量维持不变 不同物质的特性可以用构成它的原子和原子集合体的行为来解释 原子自身具有一定的内部结构 它包含有一个由中子和质子组成的原子核 电子围绕原子核运动 电子和质子都带有电荷 电子带有负电荷 质子带有正电荷 原子是中性的 原子带的正负电荷量完全相等 电子在物质中快速地移动 形成电流并产生磁力 他们产生的净力是吸力 将化合物中的原子和分子维系在一起 当某些电子被移走或增加时 原子就变成了带有正电或负电的离子 有些原子核不稳定 可以发射出某种粒子 这个过程称为放射或辐射 它释放出射线和辐射能量 这种能量要远远大于原子之间发生任何反应时涉及的能量 2 物体可以对一定距离以外的其他物体产生作用 某些物体能够对一定距离以外的其他物体产生影响 在有些情况下 例如声和光 通过由产生源到接收物的辐射起作用 在另外一些情况下 一定距离间产生的作用是用物体之间存在的场来解释的 例如磁场或万有引力场 有些物体可以对另外一些物体产生作用 即使不直接接触 例如光可以来自与我们相近的灯泡或火焰 也可以来自离我们很遥远的太阳和星球 这是因为这些物体能发光 光可以沿着不同的方向传播 当光到达并进入我们的眼睛时 就可以被检测到 不管是直接由光源发出来的光 还是反射的光 我们的眼睛都可以检测到 声音源于物体的振动 在离开声源一定距离之外可以检测到它 因为四周的空气或其他物质也能发生振动 当空气中的振动传到我们的耳朵时 我们就听到声音了 另一类物体影响不相互接触的其他物体的例子 包括使物体朝向地球下落的万有引力 磁铁之间或电荷之间的力 当失去支撑的物体下落时 它们被地球所吸引 依靠这种吸力 使所有的物体能够保持在地球上 磁铁可以吸引含铁的物件 磁铁之间不需要相互接触就可以相吸和相斥 在带电体之间也会相吸和相斥 可见光是一种射线 它的传输类似于水中波的传输 其他种类的光我们人眼看不见 包括无线电波 微波 红外线 紫外线 X射线和伽马射线 它们之间的差别在于具有的波长不同 这些射线都可以通过真空传输 把射线看做是一种波 可以帮助我们阐明它的特性 虽然声音的传输也类似于波 但是声音不能通过真空传播 在源和接收体之间必须存在某种连续的物质 它才能够通过 但射线射到另外一个物体上时 可以被物体反射 吸收或散射 穿过物体或与物体组合在一起 当射线被一个镜面反射或通过一个透明的物质传输时 射线保持不变 而当射线被物体吸收时 它会发生变化 并且通常会导致该物体的温度上升 某些相隔一定距离的作用不能用从源到接收体的辐射来解释 例如磁铁可以吸引或排斥另一个磁体 两个磁体起到的作用是一样的 同样的 在电荷之间的吸引和排斥也是互易的 将一个物体放开 它会落向地面 这也是由于相隔一定距离的物体和地球之间相互吸引的结果 在所有物体之间都存在万有引力 它的大小和两个物体所具有的质量以及相隔的距离有关 只有当一个或多个物体具有非常大的质量时才能感到万有引力的存在 就像地球将物体拉向地面 对这种情况 用场的概念来解释更有用 场是一个物体在它的周围产生影响的区域 场的强度随着与物体距离的增加而衰减 另外的物体进入到这个场之中 就会受到场的作用 被吸引或被排斥 3 改变一个物体的运动状态需要有净力作用于其上 只有在力的综合作用以后所剩净力的作用下 物体的运动速度才会改变 所有的物体 不论大小 它们之间都会存在万有引力 依靠万有引力 行星维持在围绕太阳的轨道上运行 并使地球上的物体向地球中心下落 力可以推 拉或扭转物体 使物体的形状或运动状态发生改变 物体只有在受到净力作用时 才会改变它们的运动状态 某个物体运动状态改变的快慢取决于力的作用和物体的质量 一个物体的质量越大 它被加透或减速需要经历的时间就越长 质量的这种特性称为惯性 所有的物体无论大小 它们之间都普遍存在着被称之为万有引力的吸力 它使地球上每一个物体都被吸向地球中心 我们把将物体吸向地球的力称为物体的重量 物体拉地球的力和地球拉物体的力是相等的 但是地球的质量要远比物体的大 所以我们观察到发生运动的是物体 而不是地球 在月球上 物体所受到的往下拉的万有引力要比在地球上所受到的小 因为月球的质量比地球小 地球对月球的拉力使月球能维持在轨道上运行 而由于月球对地球产生的拉力引发了潮汐 一个物体能够在地球表面保持静止状态 是由于作用于其上的一个或多个力反方向地平衡了万有引力 放在桌子上的一本书之所以不落向地面 是因为书桌的原子向上推物体的力和向下拉物体的万有引力相等 当作用于物体上的力方向相反 而大小不等时 就会改变物体的运动状态 使它被加速或减速 换句话说 一个物体的运动状态不会改变 除非有净力作用于其上 我们经常会认为产生作用的不是力 而是运动着的物体本身 例如会认为一个滚动着的球会自动地慢下来 实际上 球的运动逐渐变慢是由于受到摩擦力的作用 在任何情况下 运动状态的改变都是由于力的不平衡而产生的 如果没有净力的作用 任何物体的运动状态都不会改变 静止的物体将保持静止 运动着的物体会永远沿着直线运动 就 像天空中的星球那样 运动状态的改变发生在净力的方向上 而不会影响与净力成直角方向的运动 卫星能够维持在绕地球旋转的轨道上 因为它们受到了足够大的力 被送到了一定的高度 在这个高度上 它们可以维持在绕地球的曲线轨道上运动 因为这时万有引力只是不断改变它们的运动方向 而没有空气阻力使它们的运动变得缓慢 作用于某个物体上的一对方向相反但不在同一直线上的力 会使物体旋动或扭转 旋转力的大小取决于力的作用点离开旋转轴的距离 这个现象被广泛地运用在工具和机器之中 压力用于测量作用于特定面积上的力的大小 同样大小的力 当施加于较大面积上时比施加于较小面积上产生的压力要小 这样的一个关系也有许多的运用 从雪地靴到图钉 4 当事物发生变化或被改变时 会发生能量的转变 但是在宇宙中能量的总量总是不变的 许多过程和事件总在变化 产生变化需要能量 能量可以通过多种方式从一个主体向另一个主体转移 在这个过程中 部分能量会转变为不易利用的形态 能量既不能产生 也不会消失 从化石燃料获取的能量不再容易获得了 有许多不同的方式使某个现象发生或改变 推或拉 会使物体的运动状态改变 加热能使物体变化 如烹调 熔化固体或使水变成水蒸气 电可以使电灯泡发光 在所有这类情况下 使得物体发生改变必须要有能量 在改变的过程中 能量从一个物体传向另一个物体 将能量转给其他物体的 称为能源 虽然它们本身不产生能量 但是它们必须从它们自身或从其他某个地方获取能量 物体获得能量 或是源于它们的化学成分 如燃料和电池 它们的运动 它们的温度 它们在重力场或其他场中位置 或是源于弹性材料的压缩或变形 将一个物体提升到高于地面的位置 它就可以储存能量 当释放它时 它会下落 而其所储存的能量则可以使某些事物发生变化 当物体被加热时 与处于较冷状态 下相比 它获得了更多的能量 热从一个温度较高的物体转向与它接触的温度较低的物体 直到两者处于相同的温度 这个过程的快慢 取决于热传导材料的种类 电池组中储存的能量是化学能 当电池接通电路产生电流时 储存的能量就流动了 能量也可以借助于辐射来传输 如在空气中传输的声音 空气或真空中的光 可以用能量的改变来解释许多过程和现象 从植物的生长到天气的变化 能量转换导致某些现象产生时 几乎总是会伴随产生一定量不希望获得的热能 并且这些热能会通过传导或辐射扩散开来 热能是原子和分子的杂乱运动 以这种形式存在的能量不易被利用 能量不能被产生或消灭 当能量从一个物体传向另一个物体时 宇宙中能量的总量是保持不变的 一个物体损失的能量和另一个物体获得的能量是相等的 当太阳加热地球时 太阳通过辐射逐渐在损失能量 原子的质量是储存能量的一种方式 被称为核能 放射性原子可以释放这种核能 将核能变为热能而供人类利用随着人口的增加以及现代化生活方式需要耗费更多的能源 全世界对能源的需求在增加 特别是使用方便的电能 由于发电站和发电机组经常使用的化石燃料是有限的 必须要考虑使用其他方式来产生电能或通过提高能量使用过程的效率来降低对能量的需求 5 地球的构造和它的大气圈以及在其中发生的过程 影响着地球表面的状况和气候 来自太阳的辐射加热地球的表面 并使空气中和海洋中产生对流 因之形成不同的气候 在地表之下 来自地球内部的热量导致了岩浆的运动 地球的固体表面由于岩石的形成和风化而不断在变化 地球的表面都被大气所包围 然而逐渐远离地球表面 在天空更高的地方 大气会变得逐渐稀薄 天气取决于大气层的状况 它由大气的温度 压力 运动的速度 方向 大气中的水蒸气的含量等共同决定 通过在一段时间内对上述参量的测量 建立一些模型 用以预测不同类型天气发生的可能性 地球固态表面的大部分是土壤 土壤是由不同尺寸的碎石和有机体残留物组成的混合物 沃土中包含了空气 水 由生物腐败而产生的某些化合物 特定的植物以及各种生物 如昆虫 蚯蚓和细菌等 在土壤下面的固体物质是岩石 岩石有许多不同的种类 它们的成分和特性各不相同 在风和水的作用下 岩石逐渐风化成小的碎块 沙是由细小的碎石组成的 而泥土是更小的碎石 处于地球表面的大气层 对来自太阳的大部分辐射射线是透明的 这些射线可以穿过大气层 被地球表面所吸收的射线是地球获得的外部能源 从地球形成的伊始就一直在进行的 位于地球内部的放射物质的衰变 是地球内部的能量来源 来自太阳的射线向含有叶绿素的植物提供能量 使它们通过光合作用生成葡萄糖 来自太阳的射线被地球表面吸收 使地球表面变暖 从而辐射出波长较长的射线 红外线 红外线不能通过大气层 而是被大气层吸收 使地球变暖 这就是温室效应 因为这和温室里用太阳能加热的方式是类似的 大气层中的氧气是由植物通过光合作用产生的 它可以间接保护地球表面生物免于受到来自于太阳射线中短波部分 紫外线 的伤害 在大气层的高层 紫外线和氧气作用会生成臭氧 从而吸 收有害的射线 地球上人类活动产生的某些化学物质会破坏大气层中的臭氧层 在地球固体外壳下面有一层热的覆盖层 称为地幔 在压力下地幔是固体 当压力减少时 它会融化 被称为岩浆 有些地方地球表面的硬壳存在裂缝 或薄层区 岩浆有可能会冲出到地球表面 火山爆发就是一个例子 地球外层的硬壳是由许多板块组成的 由于地幔的运动会带动这些板块之间产生相对移动 在板块相互对撞时 形成了山脉和沿着板块边缘的一些裂纹地带 这些地区可能会发生地震 也可能是活火山的地区 地球的表面会随着时间而缓慢地变化 山脉会被水侵蚀 当地壳受力而上升时会形成新的山脉 6 宇宙中存在着数量极大的星系 太阳系只是其中一个星系 银河系中很小的一部分 太阳 八大行星以及其他一些按一定轨道运转的较小的星体共同组成了我们的太阳系 根据地球围绕太阳的旋转运动和取向 可以解释白昼和黑夜的更替 以及四季的形成 太阳系是银河系的一部分 银河系又是宇宙中数以百计的类似星系中的一个 那些星系离我们非常遥远 许多星系中也会包含行星 我们见到的太阳是构成宇宙的许许多多的星球之一 地球大约一年沿轨道绕太阳旋转一圈 月亮大约四个星期绕地球旋转一圈 太阳位于太阳系的中心 是太阳系中唯一能发出可见光的光源 月亮反射来自太阳的光 当月亮绕地球运动时 只有被太阳照射到的部分才能被我们看见 这是我们在不同的日子里看到的月亮形状会发生变化的原因 地球绕着南北向的轴自转 地球的自转使我们好像看到太阳 月亮和星星在绕地球旋转 由于地球的自转 地球的表面会朝向太阳或背向太阳 从而形成了白昼和黑夜地球绕太阳旋转一圈要用一年的时间 地球的轴线相对于它绕太阳旋转的轨道平面是倾斜的 所以在地球的不同位置和处于一年中的不同时间 白昼的时间会变化 地球旋转轴的倾斜导致了四季的形成 地球是我们所在的太阳系中的八大行星之一 行星和其他小的天体以大致为圆形的轨道绕太阳旋转 各自旋转轨道离开太阳的距离不同 完成旋转一圈所需的时间也不相同 在这些天体之间相隔的距离是非常远的 海王星距离太阳45亿千米 比地球离太阳的距离要远30倍 从地球上看 行星相对于一些恒星在移动有时在绕太阳轨道上运动的一大块岩石 飞行到距离地球足够近时 将会被拉进地球的重力场 并在通过大气层时被加速 这时在空气和岩石表面之间的摩擦力会导致岩石被加热和燃烧 这就是我们观看到的 流星 除此以外 在太阳系中星体的移动大多是规则的和周期性的 科学定律或有关事件行为的一般规律 对地球适用 对宇宙空间同样适用 空间探测已经证明 行星自形成以来 它们的表面一直在变化 离我们最近的恒星 也比距离我们最远的行星 海王星要远得多 被称为银河系的星系由数百万颗恒星组成 而我们的太阳只是其中的一颗 在宇宙中存在着数量极大的星系 它们之间的距离几乎是难以想象的遥远 并且都在迅速地相互飞离 星系的这种运动支持了宇宙是源于过去曾发生的 大爆炸 膨胀而成的观点 而对宇宙未来的发展目前还不清楚 7 生物体是由细胞组成的 所有的生物体都是由一个或多个细胞构成的 多细胞生物包含功能不同的多个细胞 所有生命的基本功能都取决于构成生物体的各个细胞内发生的过程 生长是细胞分裂倍增的结果 生物体 有机体 与生物的区别在于生物体能够运动 繁殖和对某些刺激产生反应 为了维持生存 生物体需要水 空气 食物 排泄废物和温度适宜的环境 所有的生物体都是由一个或多个细胞构成的 细胞只能用显微镜来观察 生命的所有基本功能都源于细胞内部发生的过程 在生长和繁殖的过程中 细胞分裂成更多的细胞 为了实现生长 繁殖以及其它功能 细胞需要从食物中吸取能量 多细胞生物体中的细胞除了具有所有细胞相同的功能外 还有特定的功能 如肌细胞 血细胞和神经细胞 它们在生物体内执行特定的功能 细胞通常会聚合成组织 组织组合成器官 器官组织成系统 在人体内执行关键功能的系统有呼吸系统 消化系统 排泄系统和体温调节系统 血液循环系统将细胞需要的物质运输到身体的各个部分 并可以将溶解的废物输送到排泄系统 在细胞内存在着许多不同种类的分子 它仍互相配合以完成细胞的功能 在多细胞的生物体中 通过将一些递质传送到邻近的细胞来实现细胞之间的相互通信 以协同活动 包囊在每个细胞外的细胞膜在控制进入和逸出细胞的物质上起着重要的作用 不同类型细胞内的活动由酶调控 特定的组织和器官释放出激素 调控其他器官和组织的活性 并影响生物体的整体功能 在人体中 大多数激素通过血液运送 疾病通常是由于细胞功能发生故障而导致的 许多药物通过加速或延缓酶或激素的调控机能来产生作用 脑和脊髓也对细胞活性的调控起作用 它们是通过发送沿着神经细胞传递的电信号来传递信息的 这些电信号在细胞之间能快速地传输 在一定的条件下 细胞的功能处于最佳状态 特别是保持适宜的温度和酸碱度 单细胞和多细胞构成的生物体都具有将温度和酸碱度保持在一定限度内的机制 以保证生物体存活 8 生物需要能量和营养物质 为此它们经常需要依赖其他生物或其他生物竞争 食物为生物体提供物质和能量 使其能实现生命的基本功能和生长 某些植物和细菌能够利用太阳能生成复杂的食物分子 动物依靠消化这些复杂的食物分子来获取能量 它们归根结底都是依靠绿色植物来获取能量 在任何生态系统中 都会存在物种之间为获得能量和物质而产生的竞争 因为能量和物质是生存和繁衍后代所必需的 所有的生物体都需要通过摄取食物来获得能量 还需要空气 水和一定的温度环境 含有叶绿素的植物可以利用太阳光制造它们需要的食物 并把它们不立即利用的食物储存起来 动物需要那些能够被它们分解的食物 食草动物直接吃植物来获取食物 食肉动物则通过吃已经吞噬了植物或其他动物的动物来获取食物 归根结底 动物是依靠植物来存活的 生物体之间的这种关系可以用食物链和食物网来表示 有些动物除了需要植物作为食物外 还以其他方式依赖于植物 例如庇护所 人类的衣服和燃料 植物也以不同方式依赖于动物 例如 虫媒植物依靠昆虫来授粉 并且依靠其它动物传播它们的种子 在特定区域内生活在一起的相互依存的生物构成某种生态系统 在一个稳定的生态系统中 包含有食物的生产者 植物 消费者 动物 和分解砉 分解者主要是细菌和真菌 它们以废物和死去的生物体为食 分解者产生的物质有助于植物生长 这样就使得生物体中的分子不断地被循环利用 同时 能量通过生态系统传输 当食物被生物体用于生命过程时 其中的部分能量会以热的形式散逸 植物利用太阳能合成植物的食物 又会使生态系统中的能量得以补充 在任何特定的生态系统中 为获得生存所需要的畿量和物质 物种间会存在竞争 某个生态系统是消失还是留存 取决于在其环境中是否可以持续获得生命需要的物质 在具有特定的气候 地理和水文的区域里 植物物种会发生适应性的变化 以获得它们生长和繁殖所需的水 光 矿物质和空间 如果条件变化了 植物的种群就有可能会发生变化 从而导致动物种群的改变 9 生物体的遗传信息会一代代地传递下去 细胞中的遗传物质储存在化学分子DNA中 DNA序列可以用四个字母的编码来表示 基因决定了生物体的发育和结构 在无性繁殖中 后代具有的全部基因都来自于一个母体 在有性繁殖中 基因中的各一半分别来自父方和母方 有生命的物体会繁殖同一种类的后代 但是在许多情况下 后代相互之间或与它们的双亲并不完全相同 植物和动物包括人类 他们的许多特征与他们的亲代类似 因为遗传信息从上一代传递给了下一代 另外有一些特征 如能力和行为 并不能以同样的方式传递 而必须经过学习才能获得 在一代又一代之间传递的信息 都是组合在一起以编码的形式传递的 被称为DNA的大分子中存在这种编码 一个基因是一定长度的DNA 在单个染色体中包含了数百个或数千个基因 在人体中 大多数的细胞含有23对染色体 它们携带的总基因数约为25000个 它们提供生长和繁殖更多细胞所需的信息 在细胞的生长过程中和凋亡的细胞被替换时 细胞会发生分裂 遗传信息被复制 使每一个新细胞都携带着母细胞的基因复制件 有时 复制会产生错误 发生变异 变异可能无害 也可能给生物体带来损害 环境中的辐射和化学物质会引起基因改变 这种基因的变异只影响该个体 只有在基因变异发生在性细胞 精子或卵子 中时 才会影响到后代 在有性繁殖中 一个来自雄性的精子与一个来自雌性的卵子结合 精子和卵细胞都是特化的细胞 它们携带着来自他们亲代染色体的一半 至于获取哪一半是随机的 当精子和卵细胞结合时 受精卵中的遗传物质一半来自精子 一半来自卵细胞 当受精卵不断分裂时 遗传物质就被复制到每一个新产生的细胞中 当卵子和精子细胞形成然后结合时 遗传物质就被选择和重组 这样就导致数量巨大的不同基因组合的可能性 这种差别会代代相传 从而提供了自然选择的潜在可能 因为有些变异会使生物体能更好地适应于某些环境条件 无性繁殖天然地广泛存在于生物之中 包括一些细菌 昆虫和植物 它们繁殖出具有相同遗传物质的种群 运用生物技术 通过人工克隆 可以生产出具有相同基因的产品 这种技术可以在相当范围的物种中应用 包括动物 一段时间以来 通过对不同种类生物的基因组测序 越来越多的遗传信息被获知 获知基因序列以后 就有可能人为地改变遗传信息 以赋予生物体某些特殊的功能 在基因治疗中 使用特殊的技术将基因嵌入人的染色体中 有可能治愈疾病 10 生物的多样性 存活和灭绝都是进化的结果 今日存在的所有的生命都可以溯源于一个全体共同的祖先 它是一个简单的单细胞有机体 源于物种内天然的差异 经过无数代的演变 能最好地适应一定条件的个体将有可能被选择而存活 不能有效适应生存环境改变的生物将会灭绝 当今世界 存在着许多不同种类的植物和动物 也有许多种类的动植物曾一度生活在地球上 但现在已经灭绝了 我们从化石中了解到它们 按照它们的类似程度 可以将动物和植物分成类群和子群 例如 动物的一个类群称为鸟 其中又包含了不同的科 如山雀科 在山雀科之下又有不同的种类 物种 如蓝冠山雀 大山雀和长尾山雀 同一物种的生物交配繁殖出同种生物的现象 较为常见 不同的物种之间通常不能交配 虽然同一物种的生物体非常相似 它们之间仍存在着细微的差异 生命体总是生存在特定的环境之中 因为它们具有能在该环境下生存的特征 这种对生活环境的适应性起源于在繁殖过程中出现的微小差异 这种差异导致有些个体比另外一些个体能更好地适应环境 在为获取物质与能量的竞争中 那些具有更好适应能 力的个体将能存活 并把它们能适应环境的特征遗传给后代 而那些对特定环境适应能力较差的个体有可能在繁殖以前死亡 这样 在后代中将会保留更多的具有较好适应能力的个体 这种情况只有在变异 改变 发生在生殖细胞中时才会出现 在其他的细胞中发生的变异不能遗传 从35亿年前地球上出现了第一个生命形态以后 对生物体的自然选择就开始了 具有能在特定的环境条件下更好存活特征的生物将被自然选择 在生命史的初期出现了单细胞的生物 大约20亿年以前 出现了多细胞的生物 最终发展成今天众多的动物 植物和真菌等 一些种类的生物仍保留单细胞的形态 当气候 地理和种群的条件改变时 遗传下来的特定特征的优越性可能被提高 也可能减弱 人类的活动会对环境产生深远的影响 并已经导致了环境的改变 使许多生物受到了伤害 有记载的因为人类活动导致的生物灭绝率 与没有人类活动时相比较 已经离出了数百倍 保护物种的多样性和物种内的多样性是重要的 生命多样性的减少会导致生态系统显著恶化和适应环境改变能力的丧失 11 科学认为每一种现象都具有一个或多个原因 科学致力于寻求对自然界现象产生原因的解释和理解 所提出的解释应该基于来自观察和实验的证据 产生和检验科学上的解释不存在单一的科学方法 当某个事件发生时 科学致力于寻找事件为什么会发生的解释 或者解释为什么它们采取了某种特定的方式 这样做都基于一个假设 即每一个效应都具有某个或某些原因 事件发生的方式是有其理由的 解释不是猜测 必须有一定的理由 有多种方法来发现是什么导致事件发生和为什么会这样 仔细地观察 包括可能情况下进行测量 可以预测可能会发生什么情况 在另一些情况下 可以执行一些操作来改变某些条件 并观察随之发生的现象 在采用这种方式时 如有可能 应使其他方面保持不变 以便让结果仅仅是由一个条件变化而引起的 这一点很重要 对于特定事件或状态的任何解释 都应当基于支持它的实际证据 仔细 系统的观察以及对观察的精确描述 是科学研究所必需的 有时 人们对事件发生的预期会影响他们的观察 了解这点 很重要 因此 进行观察时 几个人各自独立地进行观察是个好办法 对事件的解释可能会有不同的想法 所以必须用实际证据来挑选出哪一个想法确实 有效 某个可能的解释 假说 会提出一个或几个因素 认为这个或这些因素可以解释某个现象 为了检验这个因素 需要改变这个因素 利用这个假说对变化后发生的现象作出预测 然后观察发生的现象 看是否有证据表明发生的现象与预测相符 如果结果与预测相符 又没有其他因素导致相同的结果 那么这个因素就被接受为当前对此现象最好的解释 但是 通常会存在几个相互影响的因素 每一个因素的作用还可能是不确定的 当一些因素不能用实验进行控制 如太阳系中行星的运动 在研究某个现象时 可以在一段时间内选择几个时刻进行系统的观察 在观察到的数据中寻找模式 可能会揭示各因素之间的相关函数 当一个因素变化时 另一些因素发生相应变化的规则 即使是包含有不能直接观察或进行改变的特点 仍然可以使用相关函数来提出某个基础的模型 这个模型可以用于预测 但是 相关函数通常不能作为这个因素就是变化起因的确定证据 然而 发现一个现象发生的起因并不意味着找到了这个现象发生的解释机理 解释机理需要基于科学原理建立关联模型 对存在于过去的现象 如岩石的变化或物种的进化 也可以提出某种假说并进行检验 在这种情况下 如果所有的假说与所有已知事实和科学原理相吻合 它就是最好的可能性解释 12 科学上给出的解释 理论和模型都是在特定的时期内与事实最为吻合的 科学理论或模型代表了变量之间或某个系统中分量之间的关系 这些理论和模型必须与当时能获得的观察结果相吻合 并能提出可以被检测的预期 任何理论和模型都只在一定范围内有效 随着新的数据的获得 将会被修正 即使根据新的数据所得到的预期与根据过去获得的数据得出的预期一致 对观察到现象的解释会各有所好 因此每一种模型都有它的强处和局限性 每个人都可以对自然界的事物提出问题 而且能做一定的努力来寻求答案 帮助理解发生了什么事 科学上通过一些系统的探究来完成上述工作 包括用观察或测量所研究目标的特征来收集数据或从其他来源获取数据 是否能得到某种有用的解释 取决于能收集到怎样的数据 通常收集数据需要根据某种理论或假说对可能发生的现象进行预测 为了有助于解释观察到的过程和事物发生的原因 科学家会提出一些模型 来体现他们对可能发生事物的思考 这些模型有时是物理模型 如太阳系的模型 在太阳系的模型中 用不同的物体来代表太阳 月亮 地球和其他行星 又如原子的模型 它体现了对某个化合物中原子是如何排列的考虑 另外一种模型是理论方面的 例如把光表征为波的运动 而且经常需要用数学公式来 描绘一些关系 有些模型稳固地立足于理论之中 它在至今所遇到的所有背景情况下都能有效 而没有发现有矛盾的情况 而另外一些模型是尝试性的 在未来可能会被改变 有时会提出不止一个可能的模型 哪一个更为合适 还缺乏证明 有时我们甚至还没有得到符合要求的解释模型 生成任何一种模型都需要对事物相互之间可能具有的联系进行想象的能力 以及运用已有知识的能力 这些能力提供了利用系统各个部分之间的关系来解释现象的方法 基于模型的推理意味着超越了直接观察到的结果 而将利用模型进行预测得出的结果与观察到的结果相比较 可以证实推理和观察结果之间仍然保持着联系 用理论和模型来对发生某些变化后产生的效应进行预测 并观察这些预测是否被新收集到的数据所证实 是检验理论和模型的方法 一旦有新的数据被收集到 就需要进行解读 并尝试去解释发现的现象 解释并不会从数据中自行呈现 而是需要一个过程去生成 这个过程经常包含了直觉 想象和有依据的假设 如果当前已有的想法和新的数据不能符合 那么该想法必须改变 尽管有一些理论或模型是更为确定的 它们所作的预测已经确定和观察到的结果是一致的 但是一种解释或理论不可能被证明是 正确的 因为总是可能有进一步获得的数据与它们发生冲突 因此 今天一些用于解释我们周围事物的科学概念 和我们过去所接受的不同 有些也很可能和未来的有差别 13 科学发现的知识可以用于开发技术和产品 为人类服务 科学概念运用于技术 可以使人类生活的各个方面产生显著的变化 技术上的进展又能进一步促进科学活动 帮助满足人类对自然界的好奇 增进对自然界的了解 在人类活动的某些领域里 技术会超前于科学概念的获得 而在另一些领域里 科学概念出现在技术应用之前 技术有助于为人们提供所需的或能够使用的物品 例如食物 工具 衣物和居所 制作这些物品需要选择对特定应用具有最佳性能的材料 来源于植物和动物 或是来源于地球表层的材料已经被使用了数千年之久 而人造的材料 如塑料 仅仅是在20世纪初以后才被生产出来 这些人造的材料可以使它们具有我们所需要的特性 以制造新的可以利用的产品 科学可以用于制造新的材料 这是一个说明科学知识如何能有助于推进技术进展的实例 科学运用于制造新的工具和机器 使得大批量生产能够得以实现 许多商品就可以为更多的人所使用 同时 通过改进观察和测量的仪器 将过于危险和耗时的过程实现自动化 特别是通过装备电脑 技术的进展也促进了科学的发展 技术的运用支持科学的发展 反过来科学进展了 又可以用 于设计和制造供人们使用的物品 有的情况下 技术上的产物可以超前科学的理解而出现 而在另外的情况下 科学上的理解先行出现 对某些技术产品来说 既具有有利的一面 也有不利之处 虽然某些人造材料的运用有助于减少对稀缺天然材料的需求 但是许多新的材料不能像天然材料那样降解 废弃时就出现了废物处理的问题 另外有些技术上的产品 例如移动电话和电脑 需要使用一些金属 这些金属在地球上的存量很小 可能很快就会枯竭 这些例子反映了一个普遍存在的间题 即需要循环使用材料 以保护资源和减少污染 当对环境产生的负面作用影响到人类生存的时候 科学家和技术人才需要合作 以了解问题和寻求解决的方案 14 科学的应用经常会对伦理 社会 经济和政治产生影响 科学知识应用于技术会产生许多创新 科学的特定应用是否与我们的愿望相符不是科学本身独自可以决定的 需要在伦理和道德上作出判断 例如 基于对人类安全以及对人和环境的影响作出判断 通过科学研究获得知识 使我们能够阐明自然界中的一些事物是如何运作的 这些知识常常可以用于改变或创造一些事物 以帮助解决人类面对的间题 在过去的两个世纪里 这类技术上的解决方案使世界上一些国家中许多人的生活和健康得到改善 清洁的水源 充足的食物和医药方面的改进 使人的平均寿命得到增加 同时 随之产生的人口增长加大了对资源 以及对用于扩大食物生产 居住和废物处理所需地球面积的需求 这些常常对发展中国家造成损坏 并且导致其他生物生存条件的恶化 引起了一些物种的灭绝 有许多例子可以说明技术进展如何产生了不希望发生的后果 改善交通 使其便捷 特别是航空 燃烧燃料产生二氧化碳 而二氧化碳是大气中存在的 通过温室效应保持地球温暖的几种气体 之一 在大气中这些气体量的增加 会使地球温度升高 地球温度即便是少量的上升 也会通过极地冰山 海平面和气候模型的变化而产生广泛的影响 在所有类似的情况下 如果已经了解到有不利的后果 必须仔细地考虑在科学运用上有利因素和不利因素之间的权衡 科学研究可以帮助我们了解某些应用可能产生的影响 但是 有关它们是否应该予以实施的决策需要进行伦理和道德方面的判断 这些不是科学所能提供的 这里也需要考虑短缺资源的使用问题 所有的创新都需要消耗某种资源 包括财力资源 所以当资源分配有矛盾时 必须作出抉择 这种抉择 无论是在政府 地区还是在个人层面 都需要基于对科学概念以及所包含的技术原理的了解 2014年9月 由哈伦女士召集的同一组专家重新聚集在会议原址召开第二次研讨会 出版了 以大概念的理念进行科学教育 一书 总结了近5年来科技的新进展对科学教育提出的新要求 科学教育研究取得的新成果以及成功的实践经验 该书在实证性科学研究的支持下 进一步明确了科学教育改革的方向 涉及了科学教育的内容 学习方法 学生评价 对教学过程的评估以及改进教师教育与培训等诸多方面的内容 以大概念的理念进行科学教育 英 温 哈伦编著韦钰译科学普及出版社2016 4 科学教育的目的是培养知情的决策者 使学生具有进行正确决策的知识基础和能力 科学教育要培养学生在学校期间以及在毕业以后继续前行的人生中 成为对自己生活方式 生涯选择 事业发展以及对事关环境 能源 科学技术应用 科学伦理等涉及社会经济发展的关键问题 作出知情 明智抉择的理性人 在学习内容上 科学教育不是给学生讲授一些零碎的 不连贯的知识片段和堆积在一起的科学定律 而是需要围绕涉及重要科学领域的有结构 有联系的科学核心概念和模型 大概念来进行学习 学生学习的这些科学大概念是有组织 有结构的科学知识和模型 它们能够解释较大范围内的一系列相关现象 不管学生将来是否进一步学习科学 是否直接从事科技工作 这些大概念对于他们理解所观察到的自然界以及依据科学知识参与那些影