从NGSS看我国生物学课程的发展——基于对美国NGSS生命科学概念体系的深入解读

刘 杨，任媛媛，王 飞，李高峰

美国于2013 年4 月发布的《下一代科学标准》（Next Generation Science Standards，NGSS）特别强调学科核心概念（Disciplinary Core Idea），“以确保学生获得关于世界的图像不是一些相互无关的断言的集合体，而是一些相互有联系的组件”［1］（P52）。NGSS提炼了反映生命科学统一原则的四个核心概念：核心概念1 是“从分子到生物体：结构与过程”；核心概念2是“生态系统：相互作用、能量和动态”；核心概念3是“遗传：性状的遗传与变异”；核心概念4 是“生物进化：统一性和多样性”。［2］核心概念是高度抽象的，并与学生的实际经验相去甚远，因此子概念需要有效地连结核心概念与学生的学习经验，将核心概念“落地”。［3］（P10）四个核心概念分别具有2至4个子概念，子概念是对其上位概念的进一步细化，旨在使学生明晰核心概念的知识体系。核心概念及其子概念构成的整体框架，有利于学生形成完整的认知结构、构建全面的思维体系。

核心概念1 是基于“细胞是生命的基本单位”提出的，阐述了从分子到生物体的结构变化和生命现象，解释了生物体由哪些结构组成及这些结构如何施行功能来支持机体生长、发育、行为和繁殖，包括4个子概念，分别是：结构与功能、生物体的生长和发育、生物体物质组织和能量流动、信息处理。核心概念2探索的是生物体之间的相互作用及其与周围无机环境的相互影响，内容主要包括生物如何获得资源，如何改变周围环境；正在变化的环境因素如何影响生物和生态系统；社交行为和群体行为如何在物种内和物种之间发生，包括4个子概念，分别是：生态系统中的相互依赖关系；生态系统中的物质循环和能量流动；生态系统的动态、功能和恢复；社会交往和群体行为。核心概念3叙述的是世代间性状的遗传和变异，侧重于遗传信息在世代之间的流动；解释了遗传的机制，描述了影响基因突变和基因表达的遗传物质因素与环境因素，包括两个子概念：性状的遗传、性状的变异。核心概念4 主要从生物进化的角度解释了生物的统一性和多样性，探讨了种群特征随着时间推移的变化以及物种统一性和多样性的原因，包括4个子概念：共同祖先和多样性的证据、自然选择、适应、生物多样性和人类。（表1）通过深入分析核心概念及其子概念构成的概念体系，笔者在生物学课程标准的修订、教材的编写及教学的建议等方面形成几点思考，望与同行研讨。

表1 . NGSS生命科学概念体系

一、统筹规划幼儿园至高中的科学课程体系

落实核心素养，必须统筹规划幼儿园、小学、初中和高中的课程体系，通过每一学段各学科素养的积累，使学生能够养成综合的核心素养。这就需要课程设计者“统筹学前、小学、初中、高中、本专科、研究生等学段的课程结构”［4］；以系统论和历史发展论为指导思想，统整学前至高中的课程体系，以核心概念为中轴，以学习进阶为设计理念，统筹规划学生发展核心素养的路径（见图1）。

（一）从幼儿园开始实施科学教育

在许多科学家、科学教育学家、科学课程专家的不懈努力下，2017年我国颁布的《义务教育小学科学课程标准》终于将1～2 年级学生纳入科学教育的范畴。［5］（P5）然而，应该看到，无论是1996 年的《美国国家科学教育标准》，还是2013年的NGSS，都将科学教育的起始学段设定为幼儿园。“所有的学生，无论他们将来成为医院的技术人员、在高科技制造工厂工作，还是博士研究人员，都必须要有从幼儿园到12 年级的扎实的科学教育。”［2］我国要培养全面发展的人，也要“从娃娃抓起”，从幼儿园开始即实施科学教育。

图1 课程体系设计思路

（二）以“核心概念”编制各学段生物学课程标准

新修订的小学科学课标和中学生物学课标特别重视“大概念理念”［6］（P36），并向“大概念”的方向迈进了一大步，但是还没有到位。首先，要统一“大概念”的术语。《义务教育小学科学课程标准（2017年版）》（以下简称“小学科学课标”），用的术语是“主要概念”，而《义务教育生物学课程标准（2011 年版）》（以下简称“初中生物学课标”）和《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称“高中生物学课标”）用的都是“重要概念”（见表1），这种不统一会使教学论教师、教研员、中小学科学教师陷入“术语”内涵的纠结中。作为国家指令性文件的课程标准，要统一用词，比如都用“核心概念”。其次，统一以“核心概念”呈现课程内容。虽说都是修订版课标，但是“初中生物学课标”仍以10 个一级主题来编制课程内容（见表2），这与“小学科学课标”和“高中生物学课标”的编制理念是不一致的。小学、初中、高中的科学课程，至少是生物学课程内容，应统一以“核心概念”来编制。

表2 . 小学、初中、高中课标中的“生物学课程内容”

（三）依据一个尺度，确定一套核心概念

“小学科学课标”选择了6 个适合小学生学习的生命科学主要概念，“初中生物学课标”选择了50个“处于学科中心位置”，“对学生学习生物学及相关科学具有重要的支撑作用”［2］的重要概念，“高中生物学课标”确定了4个重要概念。这些概念不在一个维度上，而且确定的尺度相异。课程标准还具有比较大的完善空间，首先，核心概念确定的依据要统一。核心概念的确定不能只依据学习者，而要以学科为首要和主要依据。这些生物学概念，必须是：生物学科中的重要组织性概念；可以用来理解更为复杂的生物学概念；与学生的兴趣和生活经历相关；可以在各个年级进行教学，随着年级的升高，其内涵不断增多。其次，小学、初中、高中生物学核心概念要一致。现在小学生学习6 个生命科学核心概念，到了初中学习50个，升至高中学习4个。不同学段的生物学具有不一样的核心概念，在不同学段学习不一样的生命科学核心概念——这样的“学科核心概念”和“学生头脑中的核心概念”是要受到质疑的。应依据一个尺度，在生命科学中确定“少数几个”核心概念，“这些概念和过程必须能够在幼儿园至12年级教育期间以一种由浅入深的方式表达，让学生体会。”［7］（P139）

二、突出学习进阶，明确概念的进展过程

科学教育要设置正确的“导航路线”，指明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［1］（P10），引导学生从思维起点有序地进行探索、思考，规避那些由直觉形成的非科学概念，使学生对事物的理解随着经验的增长，不断“演进”，不断增加复杂性。这就需要学习进阶，明确概念进展的方向和特性。无论课标、教材还是教学，不仅要提炼出核心概念，而且要明晰概念的发展路径。作为知识载体的核心概念，若没有明确的进展过程，学生会毫无头绪，在头脑中会形成杂乱无章的概念图式（见图2），难以形成有序的知识结构。所以，课标、课程和教学，都应重视学习进阶的理念，通过分析学生的认知发展规律以及概念之间的逻辑关系（复杂的概念是基于哪些简单概念建构的），明确概念的进展路径，使学生有序地、渐进地学习。这样，学生便会像“穿针引线”一样将各个孤立的概念串联起来，在头脑中形成系统的概念图式（见图3）。

图2 缺乏进展过程的概念图式

图3 基于学习进阶的概念图式

例如，高中生要形成的核心概念“细胞是生物体结构与生命活动的基本单位”，在小学一年级时就开始建构了，首先要认识到“动物和植物都是生物”；二年级时要明确“生物与非生物具有不同特点”；小学毕业前（5～6 年级）形成“细胞是生物体的基本组成单位”。在初中阶段（7～9 年级），要基于1～6 年级的理解，进一步学习5 个子概念；到了高中，继续进阶，扩展内涵——“细胞由多种多样的分子组成……”“细胞各部分结构既分工又合作……”“各种细胞具有相似的基本结构……”。持续12 年的学习，最后形成核心概念“细胞是生物体结构与生命活动的基本单位”（见图4）。

图4 核心概念“细胞是生物体结构与生命活动的基本单位”的学习进阶

三、侧重于评价核心概念，不评价惰性知识

对科学学习的成绩进行评价，一定“要集中在对学生最重要的科学内容上”［7］（P99）、“最被重视的内容上”［7］（121）。评价的目的不在于看学生是否获得了大量的信息、所有的事实，而是看其是否掌握了足够的核心知识，以后是否可以自我学习、终身学习。为此，不要评价惰性知识，即支离破碎的知识，而要侧重于核心概念的评价：一是不仅要将核心概念跨学年的具体内涵整合起来，而且要将多个核心概念整合起来进行评价；二是不要测评学生对核心概念的记忆和复述，而要测评其对核心概念的深入理解和运用；三是要将核心概念与科学和工程实践结合起来进行评价；四是创设新的情境，在不同的情境下测评，也就是说，测评学生是否能够“展示各种情境和科学工程实践中的知识”。［2］

例题：2003年，两匹名叫“宝石”和“星星”的骡子在美国出生了。它们是由一只经常在赛跑中夺冠的骡子克隆的。宝石和星星看起来都很健康，它们分别被送到了不同的地方去饲养、训练赛跑。到目前为止，宝石比星星的比赛成绩突出，因为宝石和几匹普通骡子比赛，赢了好几场。它们的兄弟、第三个克隆骡子“先锋”没有参加过比赛。

A.这几匹骡子的基因完全相同。你如何解释宝石在几场比赛中优于星星的事实？

B.你认为为什么会有一匹克隆骡不参加比赛？

C.科学家们正在仔细监测实验的进展。你认为从这些动物身上可以得到什么类型的数据？［8］（P120）

参考答案：

A.它们是在不同的地方饲养和训练的，所以影响它们竞技能力的是环境因素。

B.“先锋”作为控制组，看看不把它训练成一匹赛跑的骡子，它的状况怎样。

C.关于饮食、驾驭、训练强度的影响等方面的数据资料，还有骡子的脾气、奔跑速度、耐力等方面的数据资料。［9］（P120）

这个试题在新的情境中，测评了学生对“变异”、“繁殖”、“生物技术（克隆）”以及“科学探究”四个核心概念的理解和运用，没有测评事实性的知识，亦没有测评零碎的记忆性知识。