科学概念层次分析：价值、变量与模型

2015-07-25张玉峰郭玉英

物理教师 2015年11期

关键词：概念学科核心

张玉峰郭玉英

（1.北京师范大学物理学系，北京 100875；2.北京教育科学研究院，北京 100036）

科学概念是对客观事物本质属性的抽象概括，是构成科学知识体系的核心要素.作为思维形式的科学概念既是学生科学素养的重要组成部分，也是学生科学思维能力发展的基础和培养载体.［1］因此，科学概念教学在科学教育中一直占据重要地位.

自然科学是具有内在逻辑一致性的统一体，大量的科学概念通过一定的逻辑相互关联，而呈现出科学概念体系的层次性.科学概念层次分析是指在一定知识范围内选择特定变量，分析科学概念间的内在逻辑关系并按照变量水平划分科学概念的层次.

1 科学概念层次分析的价值

当代国际科学教育研究和教学实践中普遍关注核心概念，不仅因为核心概念在学科知识体系中占核心地位，是对更广泛的客观事物和现象进行抽象概括的产物，对客观世界具有更强的解释力；还因为对核心概念的理解水平是影响学生科学探究能力发展的重要因素之一.［2］

1.1 科学概念层次分析是科学教育研究的需要

科学概念层次分析是科学教育研究共同体内顺畅交流的要求.在当代科学教育研究领域，不同研究者为了表征某些科学概念的重要性，分别采用了“核心概念（core concepts）”、“学科核心概念（discipline core concepts）”、“关键概念（key concepts）”、“大概念（big ideas）”、“主要概念（major concepts）”、“基本概念（fundamental concepts）”等名称.但对于这些不同名称概念的确切内涵，研究者并没有形成共识，更没有对它们的抽象概括程度做出确切说明.美国康奈尔大学的诺瓦克（Novak）指出，［3］这些词的意义几乎是相近的.在现行的一些课程标准文件中，有时会同时出现上述的一些词，但词义并无明显差别.［4］因此，面对当前现状，提出研究者们能普遍接受的、相对统一的科学概念名称，并说明其层次关系，是非常必要的.

分析科学概念的层次是深化科学教育研究的要求.《科学教育的原则和大概念》一书明确提出，从知识角度看，中等程度大小的概念可以连接到较大概念，而较大的概念可以连接到更大一些的概念.从教学角度看，学生对大概念的理解有不同途径，和与大概念相关联的大量小概念的学习是联系在一起的.要使学生建立科学的知识结构，形成对自然界的完整认识，需要认识科学概念之间的层次关系.早在上世纪60～70年代，奥苏贝尔就已经论述了上位知识和下位知识，并在此基础上首先提出先行组织者概念，上位知识可以作为先行组织者.具体到科学学习领域，上位知识和下位知识之间存在着概念大小和层次高低的问题，需要分析科学概念层次及其逻辑关系.

学习进阶（learning progressions）研究是当前科学教育研究的热点之一，［5］因为学习进阶作为课程、教学、评价、教师培训的重要工具，越来越显示出其重要价值.从学习进阶的特点看，学习进阶是围绕核心概念组织的（organized around core ideas）.核心概念内包含大量具体科学概念，它们处于不同的层次.要刻画学生的概念发展模式必然需要基于一定单位大小的概念，［6］研究学习进阶需要对核心概念进行解构，科学概念的层次分析是学习进阶研究的基础性工作.

一般来说，构建和呈现学习进阶的方法主要有两类：［7］第一类方法一般从认知科学与教学论视角出发，在对某主题的教学内容进行认知心理学分析基础上，通过开发跨学段的测评工具来探查学生对核心概念理解的发展进程.第二类方法一般从课程论和教学论的角度出发，基于已有研究以及课程文件、社会预期，使用科学概念呈现出核心概念逐步发展的进程，有研究者将此种方法称为全景图法（landscape approach）.此类方法注重呈现各学段多学科领域概念间的相互联系.从本质上讲，第一种方法是认知过程的进阶；第二种方法是认知内容的进阶，也有研究者称之为概念进阶.［4］第一类方法开发围绕核心概念理解的测试题，第二类使用科学概念之间的关系图来呈现核心概念逐步发展的进程.这两类方法都需要弄清楚支撑核心概念理解的具体科学概念有哪些；这些具体的科学概念之间又有怎样的逻辑关系，大体分为几个层级.这些都是科学概念分析的重要内容.

1.2 科学概念层次分析是课程内容设计和教材编写的基础性工作

帮助学习者建构围绕核心概念并且层次清晰的知识结构，是教学的重要目标之一.课程和教材是影响教师教学和学生学习的重要变量.因此，要达到上述学习目标，课程内容设计和教材编写首先应该分析科学概念的层次.

美国“2061计划”研究人员总结出一本优秀教材所具有的要素，其中之一就是“明晰各种概念之间的联系”.［8］国内学者刘恩山等人指出，［9］课程及课程资源的研发需要关注概念体系的构建，在这里概念体系的建构包括两方面：第一个是不同概念之间的联系；第二个是核心概念随着年级段的不断深入和发展.基于核心概念来促进课程的连贯性和一致性已成为美国科学课程改革的重要呼声.

因此，不管是从课程设计和教材编写的内在要求看，还是从国际上课程改革的趋势看，科学概念层次分析都是课程内容设计和教材编写所必需的基础性工作.

1.3 科学概念层次分析是科学概念教学的前提

围绕“少而精”的核心概念进行教学，并通过教学促进学生对核心概念的深入理解，已是科学教育界的共识.［10］美国科学促进协会“2061计划”委员会副主任安德鲁·阿尔根在《科学素养的导航图》一书的“前言”中就指出，对科学素养的概念来说，不仅单个概念是重要的，而且概念间的相互支持也很重要，这样有助于获得对概念的综合理解.

核心概念的学习并不是一蹴而就，需要大量具体科学概念作为支撑，逐步深化理解.［1］从这个意义上讲，教学设计就是逐步促进学生对核心概念理解的教学实施蓝图.分析教材中知识的逻辑结构，是进行教学设计的重要前提.而教材中知识的逻辑结构更多体现为科学概念层次.因此，从总体上看，分析科学概念层次是教学设计的前提.

从教学设计的具体环节看，分析科学概念层次是选择教学策略和具体的教学方式的直接依据之一.例如，速度是运动学中的基本概念，是从大量具体的运动中抽象概括的产物，教学中需要给学生提供足够的有关运动快慢的感性材料，帮助学生获得不能单独用物体的位移和时间来描述运动快慢的体验；匀变速直线运动的位移与速度关系则属于关系概念，是通过建立位移、速度、加速度和时间等基本概念间的关系，反映客观事物不同本质属性之间的关系，进一步从整体上把握事物的本质属性，在教学中不仅需要提供感性材料，还需要为学生提供“脚手架”，帮助学生进行科学推理.

从我国的教学实际看，教师对课程理念的理解和课程标准的把握也存在一些误区.由于应试的影响，在教学中往往更重视“考点”的学习，而忽视核心概念对大量具体概念的统领作用，致使学生“只见树木，不见森林”，缺乏对科学的整体感知和深入理解.这种教学扼杀了学生的想象力，直接制约我国创新人才的培养.

我国传统的科学教学更习惯按主题组织教学内容，而忽视从核心概念角度组织教学内容.主题的划分往往是基于现象或者事实，侧重科学概念对客观世界的描述功能；而围绕核心概念组织教学内容则更侧重概念之间的内在逻辑关系以及概念的解释功能.

因此，不管从教学设计本身的要求看，还是从我国科学教育的现状看，都应该在科学概念层次分析的基础上，强化围绕核心概念进行教学设计并加以实施.

1.4 科学概念层次分析是改进学习评价的需要

学习评价是诊断教师“教”的效果和学生“学”的效果，及时提供反馈信息，并及时矫正的有效手段.对学生学习结果进行评价的过程也是学生学习的过程.评价设计应该基于认知和学习的模型，学习评价应该与课程和教学具有内在一致性.为了验证围绕核心概念而进行的课程设计和教学的有效性，就应该围绕核心概念设计学习评价的内容.核心概念的学习是通过大量具体的科学概念学习而逐渐深入的.核心概念与具体概念之间的联系反映了学生对科学的整体认识，应是学习评价的重要内容.通过科学概念层次分析，有助于弄清楚某个核心概念到底以哪些科学概念作为支撑，这些科学概念之间又有怎样的逻辑关系及其层次划分，从而有助于确定针对某个核心概念评价的具体内容，以及这些内容的轻重比例.因此，科学概念层次划分也是评价学生学习效果的需要.

综上所述，在科学教育领域，科学概念层次分析是科学教育研究、课程设计、教材编写、教学实践和学习评价等方面的基础性工作.

2 科学概念层次分析的依据

在科学教育领域，关于核心概念的研究一直是研究热点.对于如何划分科学概念的层次，由于研究视角、研究路线、研究目的等各不相同，研究者们提出了很多观点，有研究者提出科学概念层次理论；也有研究者提出核心概念的选择标准.

诺瓦克等人在1972年提出用来表征概念之间关系的可视化工具——概念图.层次结构是概念图的一个重要特征.在概念图中，按照概念的概括水平从高到低依次为关键概念、一般概念、概念和实例.同一知识领域中的概念依据其概括性水平不同而分层排布，关键概念的概括性最强，处于概念图的最上层，具体的实例位于概念图的最下层.

概念图可以建构出特定知识领域的结构.强调从事物的关系中把握概念本身，关注事物的整体性和复杂性.知识不仅指在概念图中作为节点的概念，还应包括概念之间的联系.特别是，这种联系包括上层概念对下层概念的统摄作用和下层概念对上层概念的支撑作用.

在概念图模型中，包含了按照概念自身的概括水平划分概念层次的思想.对概念划分层次，有助于理解不同层次概念的特点，也有助于分析不同层次概念之间的逻辑关系.但是，概念图模型并没有对不同层次概念的含义、特点做出明确说明，只是描述出不同概念之间相对概括水平的高低，不同研究者对于某个概念处于哪个层次往往缺乏一致性.

20世纪70年代，美国教育专家肖瓦尔特（Showalter）提出了科学教育中科学概念的层次理论.［9］该理论提出，科学概念可分为知觉感受、直接概念、事实、定律、创设概念、原理、理论7个层次.但是，肖瓦尔特的科学概念层次理论并没有明确提出一以贯之的层次划分标准，存在两个变量：概念认知复杂度和概念本体复杂度.从某种意义上讲，肖瓦尔特的科学概念层次理论中，从知觉概念到创设概念更多是从科学概念的认知过程角度建构的学习层次结构；而从创设概念到理论概念却是从概念本体角度描述概念层次结构.

选择哪些科学概念作为科学教育中的核心概念，是当今科学教育的一个重要话题.比较有影响的科学教育研究团体［11］或者研究者，［1］提出了各自的选择标准，分析发现这些选择核心概念的标准具有共性，主要包括：（1）从概念内涵的抽象概括程度看，核心概念相对于一般科学概念是对更大范围内的自然现象进行的抽象概括，应该具有更高的抽象概括程度；（2）从概念的解释力来看，核心概念相对于一般科学概念可以适用于更大范围内的对象，应该更具有普遍性；（3）从概念在学科体系中的地位看，核心概念应该占据学科知识体系的核心位置，或者更具有文化意义；（4）从学生可持续发展的角度看，核心概念应该在较长一段时间内与学生的生活、学习紧密联系，并能在更大程度上影响学生的能力发展.

比较上述4条选择核心概念的标准，可以发现：这4条标准具有较大的内在一致性，抽象概括程度较高的概念往往具有强的解释力，也往往处于学科知识体系的核心位置.已有研究表明：这样的概念更能有效地促进学生思维能力的发展.［12］

上述核心概念选择标准的内在一致性对划分科学概念的层次具有重要的启发：科学概念的抽象概括水平可以作为判断概念层次高低或者概念大小的变量.

3 科学概念层次模型

3.1 科学概念层次模型的内容

本文从科学概念本体角度，以科学概念的抽象概括水平作为科学概念层次分析的变量，提出科学概念层次模型，如表1所示.

从总体上看，科学概念层次模型的构成要素包括4个层次的科学概念，以及它们之间的联系.按照抽象概括水平从低到高依次为“基础概念”（fundamental concepts）、“重要概念”（key concepts）、“主题核心概念”（topic core concepts）和“学科核心概念”（discipline core concepts），其中重要概念层次分为基本概念（basic concepts）和关系概念（relation concepts）两个亚层次.之所以把重要概念分为两个亚层，主要是因为：第一，一个学科的重要概念构成了这个学科的知识主体，重要概念数量较多；第二，重要概念本身具有一定的层次结构.

表1 科学概念层次模型

3.2 对模型中各层次科学概念的具体说明

（1）学科核心概念在层次模型中处于最高层次，属于抽象概括水平最高的科学概念.

从涉及的领域看，学科核心概念跨越学科内单一主题，几乎涵盖学科内各个主题，如能量概念涉及物理学科的力学主题、电磁学主题、热学主题、光学主题、原子物理等各个主题.从科学概念的重要程度看，学科核心概念是组织整合学科自身内容的少数关键概念，是当代科学教育研究关注的热点，是学生科学认识发展的核心.这些内容能够展现当代学科图景，是学科结构的主干部分.科学教育领域中的学科核心概念，是指4个具体科学研究领域（物质科学，生命科学，地球和空间科学以及工程、科技与科学应用）中处于核心地位的科学概念或观念.学科核心概念超越了那些孤立而散乱存在的事实或技能，对减轻学生的认知负荷、促进学生形成对自然界的整体认识具有重要作用，能有效地促进学生理解学科知识、建构学科体系.例如，美国2013年颁布的《新一代科学教育标准》（Next Generation Science Standards）最终确立了物质科学的4个学科核心概念：物质、运动与相互作用、能量、波及其在技术领域的应用——信息传递.

（2）主题核心概念在科学概念层次模型中介于学科核心概念与重要概念之间，抽象概括程度也介于两者之间.

从科学概念涉及的领域看，主题核心概念是组织整合某个主题内容的少数关键概念.显然，相对于学科核心概念，主题核心概念涉及的领域较狭小.例如，“运动与相互作用”作为学科核心概念涉及物理学科内若干主题，而“机械运动”作为这一学科核心概念下的主题核心概念仅涉及宏观物体的机械运动.从主题核心概念在概念体系中的地位看，主题核心概念具有承上启下的功能.主题核心概念是对若干重要概念抽象概括的产物；同时，主题核心概念又是构成学科核心概念的主要成分，支撑学科核心概念.

（3）重要概念在科学概念层次模型中处于主题核心概念和基础概念之间，抽象概括水平也介于两者之间.

一般来说，基本概念描述的是直接观测到的事物客观属性；而关系概念描述的则是事物客观属性之间的关系.事物客观属性之间的关系一般并不能通过直接观测得出，需要通过科学推理得出.因此，一般来说，关系概念具有比对应的基本概念更高程度的抽象概括水平.

在同一主题核心概念下的若干基本概念之间也可能表现出不同层次，如位移、速度与加速度之间具有较明显的层次.位移是对质点位置变化的直接描述；速度则是在位移基础上建立的，目的是描述位置变化快慢；而加速度又是建立在速度基础之上，目的是描述速度变化快慢.因此，位移、速度、加速度3个概念的抽象概括水平依次递进.

有些基本概念的外延并不一定局限于某个特定主题，甚至跨越学科.例如，波长本来是机械波主题下引入的基本概念，同时也是描述电磁波性质的基本概念.

（4）基础概念处于科学概念层次模型的最低层，是从学习者的知觉感受直接概括出的概念.

基础概念是人类建构科学概念，并以此认识客观世界的起点或者工具.基础概念一般与生活、生产实践中的现象、事实直接对应或者紧密联系，有些基础概念则来自于数学等基础学科.基础概念是定义基本概念的基础和前提，抽象概括程度显然低于基本概念.大部分基础概念是定性的，并且具有较高的直观性.例如，运动学主题下的基础概念包括参考系、质点、位置等.这些概念与人们日常生活的知觉有密切关系，是认识位移、速度、加速度等基本概念的基础和前提，也是认识运动现象的最基本起点.

3.3 科学概念层次模型的特点

科学概念层次模型是从满足科学教育研究与实践需求的角度建构的关于科学概念系统的简化模型，有其自身的特点，主要体现在以下几个方面.

3.3.1 开放性

科学概念是社会建构的结果，经过人类多个世纪的积累，逐步完善，并形成当前状态的科学理论体系，并非最终的科学理论体系，还可以继续完善，因此科学概念层次模型的内容是开放的.科学概念层次模型的开放性还体现在学习的阶段性上，例如，同样对应于“运动与相互作用”这一学科核心概念，相对于初中阶段的科学概念层次模型，高中阶段的模型在内容上更加丰富.这种丰富体现在内容的增加和原有内容的拓展.

3.3.2 层次性

层次性是科学概念层次模型的本质特征.科学概念按照抽象概括水平分为4个层次，不同层次概念具有不同的内涵和明显的特征.

3.3.3 关联性

科学概念层次模型中，科学概念间包含丰富的关联.既有不同层次科学概念间的关联；也有同一层次内科学概念间的关联.

3.3.4 可操作性

科学概念层次模型中，以抽象概括水平作为单一变量，分析科学概念层次，变量清晰，因而在实践中容易操作.

4 科学概念层次分析（以“运动与相互作用”学科核心概念为例）

这里以“运动与相互作用”为例，在高中阶段所要求的范围内应用模型分析科学概念的层次.分析的主要步骤包括以下几个方面.

第1步，确定学科核心概念.“运动与相互作用”，这是确定各层次概念的起点.之所以确定这个科学概念为学科核心概念，是因为它是对非常广泛领域的客观事物进行抽象概括的产物，在广泛领域具有解释力，不仅涉及力学领域中的牛顿运动定律、动量，还涉及电磁学领域中静电场、磁场、电磁感应，原子物理领域的核反应等相关主题.学科核心概念的确定，往往是科学共同体多次讨论后达成的共识.［9］

第2步，解构学科核心概念，确定主题核心概念.支撑“运动与相互作用”这一学科核心概念的主题核心概念主要包括机械运动、力与相互作用、牛顿运动定律等.

第3步，解构主题核心概念，确定重要概念.支撑“机械运动”这一主题核心概念的重要概念主要包括速度与时间关系、位移与时间关系、角速度与周期关系、角速度与线速度关系、加速度、速度、位移、时间、角速度、周期等.限于本文篇幅，“机械运动”之外的主题核心概念不做进一步解构.

第4步，区分重要概念中的基本概念和关系概念.上述重要概念中，加速度、速度、位移、角速度、周期等概念是为了描述物体运动而定义的，属于基本概念，都是能够量化的科学概念；匀变速直线运动的位移与速度关系（2as＝－）、角速度与周期关系（ω＝）、角速度与线速度关系（v＝ωr）等科学概念反映了基本概念间的关系，属于关系概念.

第5步，分析影响重要概念建构的知识要素，从中选择并确定基础概念.例如，参考系、质点、位置、时间、时刻、矢量、标量等属于机械运动范围内的基础概念.

第6步，呈现科学概念的层次分析，如表2所示.需要说明的是，表2中各层次的概念并不全，只是通过示例具体说明如何确定某个科学概念所处的层次.为了使得分析较清晰直观，各科学概念的关系并未列出.