科学核心观念的内涵及其教育价值分析

朱玉军+王香凤

摘要：“核心观念”在国内外科学教育改革中都特别被强调，明晰科学核心观念的具体内涵及其教育价值，对于科学教學实践具有重要意义。在分析国内外科学教育课程标准的基础上，提出科学核心观念包括3个层次的内涵：科学的世界观、跨学科概念和各学科核心概念。重点讨论了科学核心观念建构教学的价值：可以改变课程内容“偏、难、繁、旧”的弊病，克服以往教学中灌输和堆积事实性知识的缺陷，回归到科学是探寻世界的普遍联系和规律的本质上来，增强学生对科学知识的关联化、组织化和结构化的理解，从而提升学生的科学思维、科学判断和科学实践能力，提高学生的问题解决能力和科学素养，有利于实现发展学生核心素养的教育日标。

关键词：核心观念；跨学科概念；学科核心概念；科学素养；核心素养

文章编号：1005 - 6629（2017）8 - 0010 - 05

中图分类号：C633.8

文献标识码：B

2014年我国教育部颁布《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》首次提出“研究制订学生发展核心素养体系和学业质量标准”。在高科技对国家、社会和个人生活的影响越来越深远的当下，发展学生核心素养教育目标的落实离不开基础教育阶段的科学教育。我国普通高中化学、物理、生物、地理课程标准多次强调观念教育，例如：有关学科的“形成化学基本观念”“将物理事实作为证据的观念…‘生物科学知识和观念”“形成正确的地理观念”；还有反映社会发展的“可持续发展的观念”“资源观、人口观、环境观”“人与自然和谐发展的观念”“全球观”等。美国国家教育进展评价项目（ NAEP，National Assessment of Educational Progress）中提到“big ideas（大观念）”“core concepts（核心概念）”“conceptions of the natural world（有关自然世界的观念）”等。《美国国家科学教育标准》（1996）中提出所有美国人都要熟悉基本的科学观念和方法；在早年建立起来的对待科学的态度和价值观将会影响一个人成年时期科学素养的发展。《美国K-12科学教育框架》（2012）义提出了跨学科概念和核心观念（ Crosscutting Conceptsand Core Ideas）。但是，这些出现在教育改革政策文本中有关科学的“观念”并没有清晰的界定和框架，一定程度上给一线教师的科学教学实践带来困惑。基于此，本文尝试分析“科学核心观念”的内涵及其教育价值，为科学教学提供参考。

1科学教育改革中“科学核心观念”的内涵分析

1.1观念和概念的关系辨析

《现代汉语词典》对“观念”的解释为“思想意识，客观事物在人脑里留下的概括的形象”；对“概念”的解释为“思维的基本形式之一，反映客观事物的一般的、本质的特征，人类把感觉到的事物的共同特点抽出来，加以概括就成为概念”。可见，观念与概念是具有共同点的：（1）都是属于人类的思想意识。（2）都是人类对客观事物的认识。（3）都是对客观事物的特点进行抽象和概括的结果。另外，观念与概念也有不同和相互依存之处：（1）概念必须是严格界定的，具有清晰的内涵和外延，其意义在于区分不同的客观事物；观念是对客观事物整体考察而获得领悟的结果，具有模糊性和广泛性，可以反映客观事物的内在联系。（2）概念是思维的基本形式，往往反映某一种或某一类客观事物（如化学概念）；而观念是在许多概念和判断的基础上形成的总括性的认识，它所概括的客观事物包括更多的种类。（3）人类的认识发展是由个别到一般，再由一般到个别，在认识个别事物的过程中就形成了许多概念，然后在这些概念的基础上逐步上升到一般性认识而形成观念，再在观念的指导下认识更多的客观事物，如此往复，不断地修正和深化对客观世界的认识。

可见，观念和概念有着密切的联系，是相互依存的，观念中包含了概念的成分，概念需要通过观念来实现广泛应用。建立在概念基础上的观念才是更接近客观事物本质属性的，才是更接近真理的，离开了概念成分的观念将是空泛而不着边际的，是没有说服力和指导意义的；同时，离开了观念，概念将是符号、抽象、晦涩、刻板、专业、复杂等的代名词，难以被更多人所理解和接受，其价值和意义将大打折扣，尤其是具有复杂性的科学概念。

所以，科学教育改革政策文本中提到的有关科学的观念也应该包含3个递进层次的认识：（1）化学、物理、生物等学科概念的成分；（2）跨学科概念的成分；（3）建立在各学科概念及跨学科概念基础上的总括性观念。从提高未来公民科学素养的角度来看，科学教育中重视科学观念教育是必要的。

1.2科学核心观念的内涵

在上述提到的国内外科学教育课程改革文件中，“核心观念”又被称为“基本观念”“fundamentalconcepls”“key concepts”“big ideas”“core ideas/concepts”，但并没有明确而系统的阐述。有学者从学科层面及学科某一核心内容出发阐述核心观念，另有学者介绍了美国科学教育框架中的核心观念，其基本共识是：核心观念指居于具体教学情境和具体事实知识之上的思想意识，是对科学及其各学科的概括性认识，是期望学生将来离开学校且忘掉许多具体科学知识后仍能留下的思想观念，具有持久价值和迁移作用；核心观念是在具体的教学情境中通过对事实性知识和概念的学习而逐步形成的，对事实性知识的学习和应用具有统领和支配作用。但是，已有研究并未系统阐述科学核心观念的具体内涵及其框架层次。

事实上，科学研究是高级的思维和认识过程，是具有复杂性的，科学观念是对科学研究的过程、科学研究的结果（科学知识）及科学的应用价值等的概括性理解和认识。从科学本身的复杂性及人类认识的可上升性来说，科学观念的形成与建构并不是一蹴而就的，而应该是循序渐进的，是有层次性的。通过对我国普通高中科学课程标准及美国科学教育框架的分析，提炼出“科学核心观念”内涵的3个层次。endprint

一是学科核心概念，是居于学科中心地位的关键性的概念，可以统领和整合各学科（化学、物理、生物等）内部的事实性知識，具有概念层面的复杂性，具有学习的深度和阶段性，具有广泛的解释力。例如，化学学科中的“元素观”“微粒观”“化学变化观”等，物理学科中的“宇宙是由物质和能量构成的”“能量和电荷守恒”等，生命科学中的“生命的进化和自然选择”“生态平衡”等，地理学科中的“大陆板块构造理论”“地球的白转与公转”等，都可以统领各个学科的诸多事实件知识。

二是指跨学科概念，它们能够反映各学科（化学、物理、生物等）之间有意义的联系，在各个学科领域都具有解释价值，可以给学生提供一个将各个学科关联起来的组织架构，从而让学生建立起理解世界的一致性的科学视角。例如，《美国K-12科学教育框架》（2012）中提出的七个跨学科概念：（1）模型思想；（2）因果关系的机制与解释；（3）尺度、比例和数量；（4）系统和系统模型；（5）能量与物质的流动、循环与守恒；（6）结构与功能；（7）稳定与变化。这些都需要在各学科学习的基础上，通过提炼、概括和关联逐步形成和强化。

三是指在学习科学知识和科学探究实践中逐步形成的看待世界、社会、科学和人类未来发展的核心观念，如我国《基础教育课程改革纲要（试行）》（2001）中提到的“正确的世界观、人生观、价值观”，以及在国内外课程改革文件中提到的“环境观”“人与自然和谐发展的观念”“可持续发展的观念”“全球观”“科学本质观”等，这是在对各学科核心概念和跨学科概念理解的基础上认识的进一步螺旋上升。

这样从3个层面来把握科学核心观念的内涵，符合我国科学教育实行分科教学、螺旋上升的教学实践，也有利于教师有目的地分层实施基于科学核心观念教育的教学实践。

2科学核心观念的教育价值

2.1 科学核心观念教育是落实我国基础教育课程改革精神的必然选择

我国《基础教育课程改革纲要（试行）》（2001）指出：“改变课程过于注重知识传授的倾向，使获得基础知识与基本技能的过程同时成为学会学习和形成正确价值观的过程；改变课程结构过于强调学科本位、科目过多和缺乏整合的现状，体现课程结构的综合性；改变课程内容过于注重书本知识的现状，精选终身学习必备的基础知识和技能。”科学核心观念建构的教学能够让学生形成正确的价值观念；能够实现各学科间的有意义联系和整合，体现课程结构的整体性和综合性；能够让学生将来离开学校并忘记书本知识后，留下终身学习必备的科学观念、思想和方法，形成解决问题的能力。另外，在学校里形成的科学核心观念具有持久价值和迁移作用，它可以指导公民利用科学知识解决实际生活问题和参与社会决策；科学核心观念可以促进公民对爆炸式增长的知识和信息的理解、把握和统领；科学核心观念建构的教学是精简学科教学内容，改变“难、繁、偏、旧”弊端，抓住学科核心概念，减轻学生学习负担和教师教学压力，提高学生问题解决能力的必然选择。

例如，中学化学里要学习很多化学元素、化学物质及其性质、化学反应等具体知识。如果没有化学核心观念的统领，对于学生来说就是一个艰难的记忆过程，而且很容易遗忘却留不下什么有价值的东西。这会导致学生对化学学科的学习产生挫败感而失去学习兴趣，于是就有很多学生对化学产生了“理科中的文科”的误解和评价，他们学习化学只是为了在升学考试中获得较高分数而已。相反，如果在化学教学中注重利用元素观、微粒观、结构与性质的关系、分类观、化学变化观、化学价值观等化学学科核心概念来统领化学元素、化学物质及其性质、化学反应等具体知识，就会使学生的学习变得有系统、有组织、有规律，学生就可以结构化地理解、掌握和应用相关的事实性知识和核心概念。当学生在化学学习过程中逐渐明白世间万物皆由化学元素组成；丰富多彩的物质世界是由原子、分子、离子的排列组合和相互作用而决定的，可以利用化学实验来探寻其中的奥秘；对化学物质和化学反应可以分类学习，化学符号、宏观物质及现象、微观构成（原子、分子、离子的排列及相互作用）之间有密切的关系；化学为人类生活的改善和社会的发展做出了突出贡献，化学不仅创造了美丽的自然世界，而且人类利用化学义创造了一个人类生活的现实世界……学生就会从看似繁杂的化学元素、化学符号、化学物质、化学反应等具体的知识中跳出来，找到其中的宏观一微观一符号之间的逻辑关系，抓住化学的核心观念并用来统领具体的化学知识和事实性材料，就会觉得化学原来也有基本逻辑、基本规律和核心概念，化学并不难学，要正确地理解和看待大干世界就必须要学习化学、学好化学。同样地，物理教学中可以利用“物质和能量是宇宙的基本构成；宇宙的演化包含物质的相互作用和能量的转换，是通过力（重力、电磁力、核力等）和场（电场、磁场等）而发生的；能量和电荷在相互作用和转换中保持守恒；波传播能量”等物理学科的核心概念来统领；生物的学科核心概念包括细胞是生命活动的基本单位，细胞是由原有的细胞分裂而来；DNA是遗传物质的化学密码；生态系统及其平衡是生命体和非生命体之间相互作用的结果；生物体具有白我调节的能力；生命的进化和白然选择等；地理的学科核心概念包括大陆的板块构造；地球的白转与公转；天气与气候；自然资源与自然灾害；地质的演变；人类活动对地球的影响等。

2.2科学核心观念教育是对科学本质的回归

爱因斯坦（1954）指出“科学的目的，一方面是尽可能完整地理解所有感性经验之间的联系，另一方面是通过最少个数的基本概念和基本关系的使用来达到理解的目的。”爱因斯坦还认为：“科学并不是一些定律的汇集，也不是许多各不相关的事实的目录，它是人类头脑用其自由发明出来的观念和概念所作的创造。”科学的目的就是要找到纷繁复杂的大干世界里的各种事物和现象间的联系、规律，再建构科学理论，最终回答一些大问题，形成科学的核心观念。例如，生物要回答的大问题是生命的起源；物理要回答的大问题是宇宙的起源；化学要回答的大问题是如何保证社会的可持续发展。事实上，回顾科学发展的历史，它已经改变了人类的不少观念，宇宙学让人类意识到生活在一颗绕太阳转的微小行星上；进化论告诉我们地球上所有的生命都是一家人；化学告诉我们元素是万物之源；分子生物学告诉我们生命并不抽象，生命是物质的。endprint

可以看出，科学的发展反映了物质世界的普遍联系性，科学的目的不是堆砌事实材料，不是汇集事实的目录，而是要找到物质世界的基本联系和核心观念，科学知识之间是相互联系和渗透的关系，科学知识的发展具有层次性，最终形成人类看待世界的基本价值观念。因此，过去那种强调事实性知识的灌输和堆积，强调将越来越多的知识添加到学生记忆中的教学，是不符合科学本质的，是不能适应知识爆炸性增长的，无法达成提高学生科学素养的课程改革目标。而科学核心观念建构的教学正是对科学本质的回归，它强调各类知识间的基本联系，强调科学核心观念对教学的引领作用，重视学生结构化地学习和理解事实性的知识和核心概念，强调学生对科学本质的认识和理解，旨在提高学生的科学素养水平，使学生形成科学的自然观、科学一技术一社会一环境协调发展的核心观念、可持续发展的核心观念等。

2.3科学核心观念教育是对教育本质的回归

爱因斯坦在《论教育》中指出：“人们常常简单地认为学校就是把尽可能多的知识传授给学生的工具，这是错误的认识……学校的目标是培养能够独立思考、独立行为，又视对社会的奉献为其人生第一要义的个人……育就是忘记了在学校所学的一切之后剩下的东西。”学生在基础教育中学习了化学、物理、生物、地理等学科知识，掌握了大量的事实性知识。然而，当学生高中毕业后不再继续学习某些学科，很多在基础教育阶段学习的知识将逐渐被遗忘，最终还能剩下什么来体现教育的本质和价值呢？因此，教育的本质和根本目的不在于事实性知识的传授，而在于播撒知识、道德和信仰的种子，在于培养学生的独立思考能力、独立判断能力、独立行为能力，思考、判断和行为义是需要核心观念作为指导的。由此可以看出，科学核心观念建构的教学才能让我们在忘记了化学方程式、物理定律、生物种类、地理名称等具体知识后，剩下伴随一生的具有持久价值和迁移作用的核心观念，来帮助我们正确地看待世界、解决生活问题、参与社会决策等。从现实来看，日本福岛核事故后我国许多民众的“抢盐”事件，“张悟本的绿豆养生”事件，厦门、宁波、昆明等地的PX（对二甲苯）项目引发的风波等，都与科学核心观念（尤其是化學核心概念）、科学态度和科学素养的缺失有关，这样的状况对于落实科学发展观、实现可持续发展和建设和谐社会都是不利的。因此，科学核心观念建构的教学是对教育本质的回归，它能够让科学教育发挥持久的价值和作用，可以让学生科学地看待人类与自然的关系、科学与自然的关系、科学与社会的关系、科学与生命的关系，可以为学生未来生活质量的提高提供帮助，可以促进学生的未来发展，可以提高学生未来参与社会决策的能力，可以为人类的可持续发展提供根本的思想观念基础。科学核心观念建构的教学还可以让学生清楚科学究竟是什么，都有哪些分支学科，科学家究竟在干些什么，科学家是怎样思考和解决问题的，哪些工作的科技含量比较高，科学与人类的生活有怎样的联系，科学对社会发展和人类文明有怎样的作用和贡献，这可以激发学生学习科学的兴趣和动机。

2.4 科学核心观念教育是发展学生核心素养的必要途径

我国第八次基础教育课程改革制定了知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三位一体的三维课程目标。我国《基础教育课程改革纲要（试行）》在“课程目标”中指出：“要使学生具有爱国主义、集体主义精神，热爱社会主义；逐步形成正确的世界观、人生观、价值观；具有社会责任感，努力为人民服务；具有初步的创新精神、实践能力、科学和人文素养以及环境意识；使获得基础知识与基本技能的过程同时成为学会学习和形成正确价值观的过程等。”目前我国正在研制的学生发展核心素养体系是在三维目标基础上的整合与发展，其在教育实践层面的落实将离不开科学核心观念教育，否则将是空中楼阁。

可见，在三维目标中，使学生形成热爱国家、热爱集体、热爱人民、热爱学习、热爱科学等情感，形成为社会负责、为人民服务、环境意识等态度，形成正确的世界观、人生观、价值观，是最重要、最基础、最普适的目标，即核心素养中的必备品格，因为不可能每一个学生将来都成为一名化学家、物理学家、生物学家或者地理学家，而每一个学生将来都是一名社会公民，需要有未来社会合格公民应该具有的基本素质。然而，必备品格的形成不是空中楼阁，需要建立在各学科的基础知识与基本技能的学习基础上，需要在各学科的学习过程与思想方法的体验和领悟中逐步形成，正如课程改革纲要中提出的“获得基础知识与基本技能的过程同时成为学会学习和形成正确价值观的过程”，而科学核心观念的建构也需要建立在基本知识与基本技能的学习之上，也离不开学习过程与科学方法的体验。

因此，科学核心观念建构的教学可以实现三维目标的整合落实，是发展学生核心素养的必要途径。例如，科学发展观和可持续发展的观念不是一朝一夕就能够形成的，也不是听几个专家的报告就可以付诸行动的，它需要在科学教育阶段逐渐渗透，需要在学生学习化学、物理、生物和地理等课程内容的过程中逐步建构。当学生逐渐知道了人类面临的能源、水资源、矿产资源、公共卫生、食品安全、环境保护、材料开发、生命健康等的危机和挑战，理解了自然世界的本质以及生态环境与人类生活和社会发展的关系，理解了相关的化学、物理、生物、地理等学科的核心概念（绿色化学、能量守恒、核能及其利用、生态系统及其平衡、气候变化、人类活动对地球的影响等），理解了碳足迹、水足迹、白色污染、臭氧层空洞等与生活密切相关的概念，理解了科学家探索自然世界的过程和方法，就会逐步建立起根深蒂固的可持续发展观念，并落实在将来的个人生活和社会发展的决策和行动中。如此一来，整个社会才能形成可持续发展的文化，科学发展观才能得到真正落实。endprint