以大概念的理念進行科學教育

作者簡介：韋鉉，中國工程院院士，國家教育咨詢委員會委員，東南大學兒童發

展與學習科學重點實驗室名譽主任

科學教育大概念的提出

科學技術的發展顛覆性地改變了科學技術與社會、科學技術與人之間的關系?？?/p>

學素質成為21世紀公民必不可少的基本素質，決定著一個國家民主的進程、競

爭的實力和國家的安危。

由于預見到即將到來的這種巨大變化以及公民具備科學素質的重要性，在上世紀

90年代，許多國家著手啟動了新一輪中小學科學教育改革。1994年，十多位科

學家和教育家聚集在位于巴黎的世界科學聯盟(ICSU)總部，成立了國際科學能力

建設委員會(ICSU-CCBS)。成立該委員會的目的是在世界范圍內推進中小學科學

教育改革。進入21世紀以后，以這個委員會主要成員為核心，成立了世界科學

院聯合組織(IAP)的探究式科學教育專家委員會(IAPTBSE)。這個委員會致力于

交流各國科學教育改革發展的經驗和研究成果、組織相關的國際會議以及發表具

有指導性的有關文獻。接下來，IBSE又在各大洲建立了地區委員會，以推動探

究式科學教育在各國的發展。

2009年10月，來自墨西哥、智利、中國、加拿大、美國、法國、英國的10位

專家聚集在蘇格蘭的羅斯湖畔，召開了一次有關探究式科學教育的國際研討會。

這10位專家主要來自IAPTBSE專家委員會。會議在總結各國科學教育研究和實

踐的基礎上，探討了在知識爆炸性增長、科學技術快速發展的形勢下，基礎教育

階段的科學教育應該如何進行，特別是如何選擇學習內容等問題。作為這次具有

廣泛代表性的高水平會議的成果，《科學教育的原則和大概念》一書誕生了。該

書由英國科學教育專家哈倫女士(WynneHarlen)執筆，與會專家參與討論和修改

過程。該書明確提出了科學教育的10項原則和基礎教育階段應該學習的14個科

學大概念，其中14個科學大概念包括10個有關科學內容的大概念和4個關于科

學本身的大概念。書中所論及的科學教育的原則和大概念，得到了不同國家的科

學教育研究者和標準制定者的認同。

在該書出版之后的5年里，社會經濟的發展不斷對科學教育提出了新的要求，在

科學教育研究和實踐方面也有了新的進展。在上述背景下，2014年9月，由哈

倫女士召集的同一組專家重新聚集在會議原址，研討因需求而再版該書的問題。

作為第二次研討會的成果，《以大概念的理念進行科學教育》(以下簡稱《大概

念》)一書出版?！洞蟾拍睢芬粫⑽磳?年前出版的《科學教育的原則和大概

念》一書做原則性的改動，但是總結了近5年來科技的新進展對科學教育提出的

新要求、科學教育研究取得的新成果以及成功的實踐經驗。該書在實證性科學研

究的支持下，進一步明確了科學教育改革的方向，涉及了科學教育的內容、學習

方法、學生評價、對教學過程的評估以及改進教師教育與培訓等諸多方面的內容。

《大概念》一書受到聯合國教科文組織和IAP的強烈推薦，已有多個文字版本正

式出版。

科學大概念是有組織、有結構的科學知識和模型

《大概念》的重要特點是明確提出：科學教育的目的是培養知情的決策者，使學

生具有進行正確決策的知識基礎和能力?？茖W教育要培養學生在學校期間以及在

畢業以后繼續前行的人生中，成為對自己生活方式、生涯選擇、事業發展以及對

事關環境、能源、科學技術應用、科學倫理等涉及社會經濟發展的關鍵問題，作

出知情、明智抉擇的理性人?；谶@樣的目的，基礎教育階段科學教育的學習內

容應該要少一點，但深一點，教師應該把學習組織為趨向于大概念的、連續的、

有聯系的學習進程。

首先在內容上，科學教育不是給學生講授一些零碎的、不連貫的知識片段和堆積

在一起的科學定律，而是需要圍繞涉及重要科學領域的有結構、有聯系的科學核

心概念和模型一一大概念來進行學習?！洞蟾拍睢分薪o出學生需要學習的這些科

學大概念是有組織、有結構的科學知識和模型，它們能夠解釋較大范圍內的一系

列相關現象。不管學生將來是否進一步學習科學，是否直接從事科技工作，這些

大概念對于他們理解所觀察到的自然界以及依據科學知識參與那些影響自己和

他人生活質量的決策都是十分必要的。

就學習方法而言，不單單是探究，以大概念進行科學教育還強調整個基礎教育階

段的科學學習過程是不可分割的，是趨向于整體目標不斷上升的建構過程。學生

從小開始就應該學習如何從周圍的現象中抓住體現現象本質的問題進行探索，學

習如何提出問題，如何找尋解決問題的思路和方法，由易到難，由淺入深?！洞?/p>

概念》一書依據近5年來發達國家的教育實踐，提供了不同年齡階段圍繞14個

大概念的學習內容。學生從5歲開始就學習如何探究，從可能不那么正確的想法

開始，逐漸建構出科學大概念。

《大概念》一書還指出，科學教育改革要取得實效必須將內容、方法和評測視為

相互聯系、不可分割的整體，并認真實施下去，否則教育改革只會成為過場。

能否掌握概念和建立模型會影響決策判斷能力和創新能力

以大概念理念進行科學教育能夠從小培養學生的創新能力。創新是人類進行信息

處理的一種基本能力。創新可以在不同的層次上發生，既有高水平創新，也有普

通創新，前者只有極少數天才能夠達到，后者是所有人都可以具有的能力。但是

無論哪一種創新，基本過程都包括找出實質性的關鍵問題，并做出解決問題的決

策，這正與《大概念》中提出的科學教育的培養目標相吻合。

人是怎樣形成決策能力的呢?我們可以看看那些進行高水平創新的偉人們是怎樣

描述他們的創新過程的。

愛因斯坦說：對表面現象之后隱藏的規律的感覺使我們產生直覺。彭加萊說：邏

輯用于證明，直覺用于發明。丘成桐說：有很多重要的創造發明是學者在有深厚

感情的潛意識中完成的。楊振寧還進一步指出：對于基本概念的理解要變成直覺。

這些話語體現了科學大師對創新思維的理解，雖然描述的語言不同，但其中都包

含了創新思維的一些本質特征：

1.創新思維是一種直覺，而不是一個邏輯推理的過程。

2.創新思維過程需要特定情感的伴隨。

3.創新思維的產生需要有認知的基礎：對一些基本概念的理解要進入潛意識即直

覺中。

20世紀中葉，認知科學作為一門交叉學科問世，主要研究人的學習、記憶和思

維過程，其中思維過程包括與創新有關的發散思維、專家思維和頓悟等。認知科

學家研究人是怎樣決策的，面對同樣的問題專家為什么可以看出“門道”，能夠

較快、較好地解決問題，甚至會有創新的想法，而外行卻只能看熱鬧，對解決問

題摸不著頭腦，更談不上有創新思維。

2002年“諾貝爾經濟學獎”獲得者、普林斯頓大學的卡訥曼(D.Kahneman),畢

生從事有關人決策行為的研究。他得到這樣的結論：人有兩類決策系統，第一類

是直覺決策系統，第二類是推理決策系統。(見下圖)

推理決策系統

快速、平行、自動、

慢速、序列、可控、

聯想、習得不易、不可刻

需要努力、有規則可循

意追求

感知概念的呈現

當前的刺激涉及過去、現在'未來

受刺激約束可由語言誘發

人的決策系統圖示

直覺決策系統又分成兩種：一種是依靠當時直接獲得的感知來形成判斷。兒童在

做判斷時常常使用的是這種決策方式。另一種是需要建立在已經獲得的概念和模

型之上，也就是需要有相應領域的知識積累，然后在一種激昂的或是特別沉浸的

情緒狀態下，依靠直覺來進行決策。這類決策過程是快速、平行、自動的處理過

程，常常需要啟動聯想思維，而不是依靠有意識的搜尋。這個過程通常也是不明

晰的。專家在判斷他熟悉的專業問題時，便會啟動這種直覺的決策過程。

創新思維常常是一種直覺的思維過程，有時也稱之為靈感。

推理決策系統是一個較慢的、串聯的、可控的、費力的、有規則可循的過程。這

個過程是可以訓練的，比如我們學習概念和模型的過程就是啟動推理決策系統。

這兩類決策系統會在人們解決問題時交替出現。但是，不管是直覺決策系統還是

推理判斷決策系統，掌握概念和建立模型都是決策必要的基礎。學什么概念，如

何建立模型必然會影響決策判斷能力和創新能力。

為什么專家要比生手善于解決問題呢？

認知科學家基于實證的科學研究表明，在具有一定智力基礎上，創新能力與專家

的知識結構、認知模型有關。專家之所以能看出“門道”，能解決問題，是因為

他們的思維至少具有以下3方面的特點：

1.專家具有他們所熟悉領域的知識，而且能夠把這些知識和周圍的實際事件相聯

系，有過找出問題癥結和解決問題的訓練。

2.專家所具有的知識是有組織的，也就是說有清晰的概念和表達概念之間聯系的

認知模型。

3.專家對自己的認知和決策過程能夠監測，具有反思和元認知的能力。

科學教育應該為學生提供好的、由淺入深的“棋譜”

近年來，科學技術的發展特別是無損腦成像技術和分子生物學的發展，為我們有

效地研究人腦提供了可能，神經教育學應運而生。

對人長期記憶的分子生物學研究揭示：當人形成長期記憶時，神經元連接處的結

構會發生變化。所以人的心智發展，實際上伴隨著腦中生物結構的變化。因此當

你腦中存儲某個概念時，便不會輕易再改變。這個前概念會影響你的下一步學習o

腦圖像研究還證明，對概念理解的直覺反應直接影響到對后繼概念的學習。這表

明，依照不同年齡腦的發展規律，使用不同的學習方法來學習不同的內容十分重

要。

科學家還研究了專家和非專家在解決問題時腦區的活動過程。例如，日本科學家

利用功能核磁共振成像，對一種類似象棋的棋類游戲的棋手進行了研究。他們比

較了專業選手和業余人士兩類人在下棋過程中做決策時的腦激活區域，得到的結

果表明，專業選手和業余選手在看棋譜以及做出下一步棋子移動抉擇時，腦激活

的區域是不同的。專業選手一看到棋譜，可以做出快速決策，激活的腦區是位于

邊緣系統中的基底核?；缀怂４娴挠洃浭欠顷愂鲂杂洃?，它需要經過模仿、

學習和積累經驗的過程才能形成。這表明專業選手在做快速決策時依靠的是他們

經過長期訓練而習得的有關棋譜的某種模型，決策的正確度和速度與經過訓練已

經掌握的棋譜知識有關，也就是說他們利用的是直覺決策過程。而業余選手激活

的腦區則十分分散，他們需要啟動前額皮層的工作記憶區，是否熟悉所見到的棋

譜會影響他們的自信，從而影響取得的效果。這項研究對學習專業知識需要圍繞

概念和模型來進行這一觀點提供了有力的實證支持。腦電的研究也證實了大腦在

有意識決策啟動以前，已經先啟動了無意識的知識提取過程。東南大學朱艷梅博

士的研究更加證實了科學教學方法的不同會導致學生形成科學概念的直覺反應

不同，這從腦電的波形上就可以分辨出來。

以上研究都說明了以大概念的理念進行科學教育的必要性?？茖W教育應該為學生

提供好的、由淺入深的“棋譜”，逐步培養他們運用