吴晗清 刘 梦 李富强

(1.首都师范大学教师教育学院，北京 100037；2.西南大学教师教育学院，重庆 400715)

概念是人类在认识过程中把所感觉到的事物的共同特点提炼出来，加以概括形成的一种思维形式，它反映着客观事物一般的、本质的特征。相比具象的科学知识，抽象的科学概念更具挑战性。大概念是更为上位的概念，是学生在忘记具体的经验和事实之后还能长久保留的中心概念[1]。大概念是认识世界的思维方式，承担着引发学生思考、重塑学生核心素养的功能。本研究结合义务教育和普通高中教育阶段物理、化学、生物学三科的课程标准，以“能量”为例，对科学大概念教学进行初步探讨。

一、大概念的理性探讨

1.概念的界定

最早提及大概念的是教育心理学家布鲁纳，他强调无论教师教授哪类学科，一定要使学生理解该学科的基本结构，这有助于学生解决课堂内外所遇到的各类问题[2]。这里的学科基本结构就是有机的概念体系，即大概念。大概念是指居于学科中心、超越课堂之外，具有持久价值和迁移价值的关键性概念、原理和方法。可见，大概念的“大”并不是一个绝对的高度，而是根据相应的研究领域来界定的。跨学科大概念的层次一般比学科内大概念高，可以包含下位的学科大概念。同一学科领域内部的大概念，也有层级之分[3]。因此，大概念是一个相对的概念，层次越高的大概念越为抽象，可辐射的范围也就越广。

本文所指的大概念是某个概念体系中的最上位概念，表征的是某个学科或领域的根本框架，一以贯之于学科或领域的根本内容与本质特征，是学科结构的主干部分。大概念不仅是架构知识体系的核心纽带，还充分体现了学科思想与方法，即大概念既需要相应的知识作为基础，但是更多地体现了一种学科独特的视野和眼光以及看待问题、研究问题的思考方式和行为习惯。比如力之于物理、分子之于化学、细胞之于生物，都是具有明显学科特色的学科领域内的大概念。又如本研究中的“能量”大概念，就是跨物理、化学、生物学等学科的科学大概念，是以“能量”为切入点来思考物质及其变化过程的思维范式。

2.大概念的结构与特征

大概念之“大”，不仅体现在数量和内容上，还彰显了概念的时空背景。数量上，大概念包含众多的小概念；内容上，大概念所囊括的各级下位概念并不是简单的拼盘，而是一个结构化的有机体系；时间上，大概念的形成是一个历史的认识过程，是理论与实践交融的结果；空间上，大概念是立体的结构，是对复杂世界的丰满解释，往往是多个学科领域的融合。可见，“大”包括了数量众多、结构精致、过程渐进、视域多维等意蕴。结合教学实践，本研究认为教学中的大概念对应地具有统摄性、结构性、进阶性及多维性等特征。

(1)统摄性，就是数量众多。上位概念是指具有较广包容面或较高概括水平的概念或命题，也可以理解为“属概念”；下位概念是指包容范围或概括水平较低的概念或命题，也可以理解为“种概念”。大概念是一个上位概念，其中统摄众多下位概念。例如能量这一大概念涉及“不同形式的能量之间可以相互转化”，而转化又包括“光合作用可以将光能转化为化学能”“燃烧可以将化学能转化为热能”等。不同级别的众多下位概念，类似于来自大概念的指数级的分解与裂变，但是大概念本身是源头，统摄一切，可以促进概念的深度学习[4]。

(2)结构性，就是内容精致。大概念是复杂的，但是其内部横向和纵向都具有高度精致的结构性。横向联结方面，是同位概念的有序结构。如能量存在着多种形式，同一形式的能量在不同物质间进行转移就是能量的转移过程；当一种形式的能量通过某种机制转化为另一种形式的能量时，能量转化也就完成了；而在一个稳定的系统中，无论各种形式的能量之间如何转化或是某种形式的能量在不同物质间如何转移，能量总和是不变的，即能量守恒。纵向构化方面，是上下位概念的序列。如重力势能是势能的一种，势能归属于机械能，机械能是能量的一种形式。可见，这些小概念并不是毫无章法地聚集在“能量形式”这个大概念之下，而是呈现出层层递进的严密结构，结构性直接表征了学生的认知水平[5]。

(3)进阶性，就是循序渐进。学习进阶是对学生在各学段学习同一主题的概念时所遵循的一系列由简单到复杂相互关联的概念序列描述。九层之台起于垒土，千里之行始于足下，很明显大概念是通过日积月累的小概念进阶架构而成的。如初中课程只要求学生从生活实例和现象中了解能量转移，高中必修则要求学生从反应原理角度理解能量转移历程，高中选修要求学生对能量转移进行定量计算。随着时间的推移，学生对该内容的理解和思考将日趋成熟、不断深入，最终获得对概念的理解。因此，大概念的获得是一个循序渐进的建构过程，不可越俎代庖，不能一蹴而就。

(4)多维性，就是视域多元。大概念并不局限在某个学科之内，它可以涵盖多个学科的内容，具有跨学科的属性。一种理论能够解释的问题越多，表明它的普适性越强。同样一个概念，它涉及的领域越多，表明它越“大”。“能量”这一科学大概念覆盖了物理、化学、生物学等学科知识。如在物理学科中，小车从坡底爬到坡顶，动能转化为重力势能；在化学学科中，电解池将电能转化为化学能；在生物学科中，光合作用将光能转化为化学能。可见，同一概念可以从多学科的角度来进行多维度的认知。大概念的教学，要围绕概念的启发性、联系的丰富性、学生的可及性等促进大概念的多维建构[6]。

二、大概念“能量”在科学课程中的分布及重要价值

1.作为科学大概念的“能量”

能量贯穿于中学物理、化学、生物学课程的始终，其中有很多下位概念(如反应热、机械能等)，十分繁杂，学生若机械记忆这些概念，会事倍功半。建构一个相互联结的结构化的概念框架，将会极大地促进学生掌握这些看似零散的概念知识点，深入理解以至融会贯通。能量大概念在各国课程中均已有所体现，如日本小学科学课程中的“物质·能量”领域以能量大概念与粒子大概念组织课程内容。美国下一代科学标准(简称NGSS)主张将科学本质融入科学课程内容，通过整合科学工程实践、跨学科概念、学科核心概念来实现科学教育的目标。其中，能量大概念包括学科核心概念和跨学科共通概念，涵盖物理、化学和生物学三门学科的内容，对能量大概念在各阶段的学习要求进行了详尽的阐述。

国内现有相关研究主要集中在对能量观念的探讨上，如有人认为，能量观念是人们从能量的角度对宇宙及事物的运动和变化进行本源性思考而形成的认识方式和思维方式[7]。能量观是一个复杂的认识体系，由能量本质观、能量形式观、能量转换观、能量耗散观和能量守恒观等构成，但是缺乏对能量大概念本身体系的深度探讨。在科学日趋融合的今天，本研究以能量这一大概念统领中学科学课程中的相关内容，具有很强的时代性、理论性和实践性。

2.中学物理课程中的“能量”概念

在《义务教育物理课程标准》(简称“课标”)中，能量相关概念可分为四大类：能量形式、能量转化与转移、能量守恒、能源与可持续发展。首先，“能量形式”相关概念有机械能、内能和电磁能，其中机械能包含动能和势能两种形式，内能包含热值、热量、比热容等概念，电磁能未包含下位概念。课标仅要求学生通过实例去认识能量存在的不同形式，进而能简单说明能量与生活的关系，如水的比热容大，所以海洋的温度随季节变化得不明显，给海洋生物提供了一个稳定的生存环境。其次，“能量转化与转移”相关概念有功和功率、六种物态变化(熔化、凝固、汽化、液化、升华、凝华)，其中功和功率包含机械功、电功的概念，电功又包含电功率和电流的热效应两个下位概念。课标要求学生通过实例了解能量的转化和转移现象，认识做功的实质就是能量的转化和转移，例如电流流过电炉丝时，电流做功，电能转化为物体内能。再次，“能量守恒”相关概念只含机械能守恒，课标要求学生初步树立守恒意识并了解身边的机械能守恒实例。最后，“能源与可持续发展”中区分了不可再生能源和可再生能源，并列举了几种新型能源，学生只需初步认识能源与生产生活的联系。综上所述，课标涉及的能量概念很多，但并没有要求对概念进行深度挖掘，只需联系生产生活实例形成初步认识即可。

《普通高中物理课程标准》在初中的基础上提出了更高的要求。在必修阶段，将势能分为重力势能和弹性势能，要求学生理解和掌握相关计算，知道重力势能与重力做功的关系，定性了解弹性势能；在电磁能部分，新增“电势能”的概念；在“能量转化与转移”部分，要求学生运用动能定理解释生产、生活中的现象；电功部分要求学生用焦耳定律解释电热现象。在选择性必修阶段，热力学第一、第二定律的出现使“能量转化与转移”和“能量守恒”有了交集，它们是热力学中最基础的定律，学生需要了解其发现过程，并且体会科学发展的艰难历程和教育意义。总之，在高中阶段，学生需要在掌握概念的基础上，灵活运用概念和定理进行计算，培养积极的科学观念和科学探究意识。中学物理课程中有关能量的概念结构如图1所示。

图1 中学物理课程中有关能量的概念体系

由图1可知，学生在初中已经较全面地接触能量的方方面面，诸如形式、转化、转移、守恒以及能源的可持续发展等，头脑中应然存在能量概念的初步框架，在生活中遇到某些相关现象时，可以运用概念体系中相应的知识对现象进行解释。比如其他条件相同时，加热等量的油和水，油比水先沸腾，这是由于油的比热容比水小。通常情况下，初中要求学生能够对现象进行简单的定性描述和解释，进入高中后在理性思考及定量方面的要求显著提高，需要掌握一些能量相关的定律和计算。这些定律建立在已有知识基础之上，是对基础概念的升华和综合运用。高中阶段，不仅要深度理解和掌握学科知识，更要通过科学探究来培养实践能力和创新意识，树立正确的科学观和价值观，实现从感性到理性、定性到定量、关联到结构的动态升华。

3.中学化学课程中的“能量”概念

《义务教育化学课程标准》在能量部分只要求学生了解化学变化伴随着能量变化，并认识常见的吸、放热现象，如生石灰与水反应放热，并不涉及抽象概念的构建。高中化学课程开始要求由对现象的认识转向对概念的建构。在必修模块，《普通高中化学课程标准》从“化学反应与热能”“化学反应与电能”两个方面对学业作出要求。首先，在“化学反应与热能”方面，学生需认识吸放热反应，了解化学反应体系中能量改变与化学键的断裂和形成之间的关系。认识化学能与热能之间的转化可通过化学反应实现，如燃料燃烧将化学能转化为热能。其次，在“化学反应与电能”方面，要求学生以原电池为例，认识化学能向电能的转化，掌握转化的原理和过程。必修阶段包含的概念有化学能、热能、电能、吸放热反应、原电池等。在选择性必修中，仍从“化学反应与热能”“化学反应与电能”两个方面对能量相关概念提出要求。在“化学反应与热能”部分，学生需进一步学习化学能与热能的相互转化，认识能量守恒定律，知道焓变的概念，了解盖斯定律及其简单应用；在“化学反应与电能”部分，学生需了解原电池及常见化学电源的工作原理，了解电解池工作原理，认识电解在实现物质转化和储存能量中的应用，认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。学生不仅要理解概念本身，更要理解与概念相关的原理和定律，且了解它们在生产、生活中的广泛应用。中学化学课程中有关能量的概念结构如图2所示。

图2 中学化学课程中有关能量的概念体系

由图2可知，初中化学的能量相关知识只基于现象描述，而高中化学课程体系化地呈现了与能量有关的概念、原理和模型。从化学能与热能、化学能与电能两个角度出发，明确提出吸放热反应、反应热等概念，并从宏观、微观和符号三个层次对概念进行表征，关注能量之间相互转化的原理和机制，因此从初中到高中，能量的学习更加强调科学探究、证据推理、模型认知等认识方式，并通过这些过程培养宏微结合、变化观念、平衡思想等认识观念，最终实现创新意识、科学精神、社会责任等方面素养的达成。与物理学科类似，经历了感性理性、质变量变、理论实践等方面的综合提升。

4.中学生物学课程中的“能量”概念

《义务教育生物学课程标准》要求学生掌握绿色植物光合作用原理，理解光合作用将光能转化为化学能的过程，知道绿色植物呼吸作用的原理。《普通高中生物学课程标准》要求学生知道酶及其作用，通过实例认识酶的高效催化作用；了解细胞呼吸作用产生的ATP水解可以释放能量以供给生命活动；了解能量在生态系统中的流动和转化过程，分析能量在各营养级的累积和消耗，并知道能量流动过程遵守能量守恒定律。中学生物学课程中有关能量的概念结构如图3所示。由图3可知，中学生物学主要从生物的生命活动和生态系统层面对能量进行阐述，涉及的能量相关概念相对较少，主要是基于生命活动构建能量转化观念，基于生态系统构建能量转移观念，学生可以从整个生物圈的角度了解能量对生命的重要意义。相对物理和化学来说，生物学中的能量概念具有更为宏大的生态“视野”，但在量化分析方面的要求较低。

图3 中学生物学课程中有关能量的概念体系

三、科学大概念学习策略与教学建议

能量相关概念广泛分布于中学物理、化学、生物学课程，这些内容共同支撑起能量大概念的丰富内涵，其中，物理和化学侧重能量的具体概念、转移、转化过程、守恒和相关计算，生物学课程则更侧重能量的产生、流动与消耗过程。但无论这些概念和定律在各科中如何体现，它们都归属于能量的三个维度，即能源与能量形式(静态)、能量转移和转化(动态)、能量定律(理论)。具体来说，能源与能量形式涉及物理上的机械能、内能、电磁能等，化学上的热能、电能和化学能，生物学上的光能、化学能与热能等；能量转化则体现于诸如物理上的动能和势能、化学上的化学能与热能、生物学上的光能和化学能之间；能量定律主要体现在能量的转化与守恒，比如物理上机械能守恒、化学上的盖斯定律、生物学上生态系统中的能量流动等。可见，内涵复杂的“能量”这一大概念，需要关注学生已有的知识基础和思维方式，融合物理、化学和生物学等学科的探究活动，需循序渐进地系统构建[8]。

1.以大科学的视角来理解科学概念

当前教学实践中，各科教师各司其职，对学生相关科目的学习进程和知识基础缺乏了解。以“能量”为例，物理研究做功，化学研究化学能与电能和热能之间的转化，生物学研究呼吸作用和光合作用过程中的能量变化，看起来互不相干，但本质上都可以归结为不同能量形式之间的相互转化。教师需站在科学课程的高度，仔细考虑物理、化学、生物学三门课程的横向联结和纵向发展，充分利用学生已有知识基础，提供一定的情境，引导学生构建系统的认知体系。

例如，煤和石油是常见的化石燃料，经加工后作为汽车燃料，为汽车行驶提供动能，同时放出一定量的热，该过程中化学能转化为动能和热能。汽车尾气中的CO2进入大气后被绿色植物吸收，然后通过光合作用将光能转化为化学能储藏起来，同时释放O2到大气中。一些动物又以植物为食，植物中的化学能进入动物体内。动植物呼吸将化学能转化为其他多种形式的能量，呼出的CO2进入大气又可作为植物光合作用的原料，实现循环。动植物死亡亿万年后，在一定条件下可形成煤和石油等。在这个过程中，涉及动能、热能、化学能等多种形式能量之间的转化，覆盖三门课程中的能量概念，使学生切实体会到学科的交融以及科学与人类社会生活的息息相关[9]。

2.以进阶的视角来提升对概念内涵的理解

概念教学并不是从语义的角度让学生理解和记忆概念的言语表述，而是通过主体的实践探索来完成对事物的抽象建构。具体来说，进入初中后首先在生物学中接触到能量，学习“光合作用储存能量、呼吸作用释放能量”，初步了解能量的简单转化。八年级物理简单陈述了汽化、液化、升华等过程中的吸放热现象，并介绍了动能、势能等几种常见的能量形式，能量概念开始细化；同时，简单了解机械能守恒定律，开始形成能量守恒意识。九年级开始接触化学课程，认识到化学反应过程伴随能量变化，能量覆盖的范围从物理空间跨入化学世界。初中课程主要停留在宏观层面，学生只需了解相关现象和实例中看得见或感受得到的能量。

在高中必修阶段，学生系统学习了有关能量的知识，开始从细胞层面学习呼吸作用和光合作用中能量的转化机制。概念和定理得到进一步细化，如势能被细化为重力势能和弹性势能，学生开始透过吸、放热现象分析其本质，认识化学能与热能的转化，理解化学能转化为电能的原理、模型和微观历程，实现从宏观到微观、符号的进阶[10]。在选择性必修阶段，从反应热到焓变、中和热，从原电池到电解池，概念的广度和深度均有发展[11]；同时，知识由分化走向交融，热力学第一、第二定律的出现使能量的转化、转移、守恒出现交集，与必修相比，更加侧重概念、原理、模型的应用。总之，从初中到高中，从必修到选修，能量概念的学习是逐步进阶的。从宏观到微观、从定性到定量、从现象到本质、从理论到应用，学生的认识逐渐加深，思维逐渐体系化、结构化，实现了对大概念的丰满建构。

3.以实验探究为概念形成的重要媒介

很多科学概念与社会生活是密切相关的，然而教学实践中往往没有关注到这一点，容易陷入机械记忆、题海战术的怪圈，以致“老师一点就会，自己做题就懵”，因此，要充分挖掘社会生活中的教学资源，学以致用。以燃烧热教学为例，燃烧热是指“在25℃、101 kPa时，1 mol纯物质完全燃烧生成指定产物时所放出的热量”。教师往往直接给出燃烧热的定义，特别强调需要注意的条件：25℃、101 kPa、1 mol、纯物质、完全燃烧、指定产物，然后进行大量练习对概念加以巩固。看似逻辑清晰，应该效率很高，然而实际的课堂死板沉寂，收效甚微，其原因就是概念规训忽略了学生的主动性、积极性和创造性。

如何让学生“看得见”“摸得着”这些抽象的概念呢？那就是在教师的引导下学生进行实践探索。首先，利用量热计或其他手段进行实验探究，测定一定量的石墨在氧气充足和不足的情况下所释放出来的热量，分别记录反应完毕时的数据；其次，等反应结束后恢复到“25℃、101 kPa时”再分别记录数据；再次，引领学生回顾密度、比热容、摩尔质量等概念，从不同的角度来探讨如何衡量不同物质燃烧释放能量的多少，鼓励学生提出多种方案，以便综合权衡；最后，给出石墨燃烧热的数值，与实验数据进行比对，科学合理地建构“燃烧热”这一概念，从而水到渠成、入木三分地掌握“燃烧热”这一概念的要点，即物质的量、温度、压强、完全燃烧、指定产物等，有效融合了物理、化学等学科内容，并没有刻意地要求所谓的跨学科，自然而然不留痕迹地形成大概念。换句话说，科学素养不是外在输入的，而是学生在实践活动中主体建构的[12]。听说的始终是别人的，只有亲身经历过的才是自己的。