基于科学大概念进阶的美国分级科普读物研究——以《Science》中能量大概念为例*

胡辉杰 成素萍 王伟群

1.苏州大学材料与化学化工学部

2.宿迁苏州外国语学校

0 引言

欧洲理事会“ET2010”补充性报告《终身学习的关键能力》明确指出：科学技术能力是终身学习的关键能力之一，是公民在知识经济时代实现个人发展、促进就业与社会融合中所应必备的关键能力[1]。然而人类文明发展至今，特别是在自然科学方面的知识越来越多，广度和深度日益加深，有限的科学课程时间和“无限”的科学知识之间矛盾日益突出。为了使学生在有限的学习时段全面而有效地提高科学素养，“科学大概念”的教学成为近年来科学教育研究的热点。美国[2]、加拿大[3]、澳大利亚[4]、新加坡[5]等国家在课程标准中都含有具有相同功能的概念表述，我国课程标准也明确提出要以大概念构建课程内容体系[6-7]。

科学大概念是指能涵盖所有自然学科并居于统领地位的知识，是科学知识能够不断丰富拓展的结构框架，也是学生能够运用终生的核心知识。将科学大概念落实在不同科学学科的学习，贯穿于学生科学学习的始终，是各国科学大概念教学的基本举措。但如何进行有效教学，使这些科学大概念能入心入脑，成为学生认识世界的指导观念、解决实际问题的科学工具，美国的经验值得借鉴。

1 分级科普读物分析的缘起

在教育中提倡公平、倡导学生在兴趣中进行学习、强调实践和理论的有机结合、发展主要概念及提升科学能力等是美国这一轮科学教育的重要理念。将知识上升以大概念（Big Ideas）和学习进阶（LPs）形式为主[8]，强调学生参与科学实践过程，以“科学与工程实践”作为向导完成学习任务，进行跨学科领悟科学大概念，进一步理清各学科概念之间的关联性[9]。其中科学大概念进阶教学是分级科普读物出版的缘起。

1.1 课程标准倡导科学大概念教学

1996 年，美国国家科学院在美国历史上第一部《国家科学教育标准》[10]中就提出了科学核心概念，2011 年美国正式出台纲领性教育文件《K-12 年级科学教育的框架：实践，跨学科概念和核心概念》（以下简称《框架》)[11]，给出制定过程中大概念的遴选原则：a.学科显著性；b.解释能力；c.一般性；d.与生活实际紧密关联；e.持续延伸性。2013 年发布的《Next Generation Science Standards》（以下简称NGSS），把4 个科学领域的13 个核心概念作为课程内容的主轴，以“学习进阶（Learning Progressions）”的方式导航K-12 年级的科学课程，形成前后一致、逐级深入、螺旋上升的整体结构框架[12]。

科学大概念“能量”在《NGSS》中每个年级（K-12）都会涉及，四个领域中包含能量（Energy）、能量转化（Energy Transfer）、能量守恒（Conservation of Energy）、能量与力的关系（Relationship Between Energy and Forces）及化学过程和日常生活中的能量（Energy in Chemical Processes and Everyday Life）等多个方面，且知识内容呈现不断进阶。

G1-G6（小学阶段）侧重于学生生活出发对能量定义及相关能量的宏观理解，并逐渐转入微观层面的研究；MS（初中阶段）研究能量定义、守恒及转移，注重于动植物对各种能量的利用和转化；HS（高中阶段）研究的能量及化学反应，范围从原子核、水、动植物、天气、地球板块、地球、太阳直到宇宙，从宏观深入到微观各个层面研究能量的形式及转化方式。

在课程标准中，小学阶段能量的学习过程也具有举足轻重的地位，且概念不断进阶。在K-3 年级涉及的能量为太阳能、食物和植物需要光能等，而G4 的大概念中明确指出“能量的定义”“能量守恒和能量转移”及“能源”，跨学科概念涉及“能量可以通过多种方式在物体之间传递”；G5-G6 的大概念中包含生活中的能源、生物体中物质和能量的流动以及生态系统中物质和能量的循环，跨学科概念中包含能量与物质——能量能在物体之间（系统内外）传递。

在K-6 年段，以“能量”大概念统领诸多分散知识，体现从低到高呈现由浅到深由具体到抽象的学习进阶模式。关于能量的概念图如图1 所示，从小学低年级到高年级发展中，低年级主要以太阳能为起点，阐述植物生长离不开太阳能，并以水作为生长原料，介绍动物的活动来源以食物为基础；小学高年级由简单物质切入至系统的能量转移，能量在自然系统的循环以及各类能源在生活生产中的应用。

图1 《NGSS》中能量的概念图

1.2 科学教材以大概念组织教学内容

在课程标准的引领下，美国的科学教材围绕科学大概念编写和组织内容。以2018 年美国霍顿·米夫林出版公司（Houghton Mifflin Harcourt Group）出版的《Science Dimensions（科学维度）》中关于“能源”的编写为例，从小学一年级到六年级的学习，涉及学生生活中常见的能量种类、能量的利用及能量之间的转化。如四年级教材的第二单元是“能量”，涉及能量的定义、守恒及转移等方面，通过物体运动、碰撞等活动体现不同能量之间的显示和转移（见表1）。

表1 G4-U2对“能量”的关键问题、核心概念及重要概念的阐述

统计小学一年级到六年级的教材，形成如图2所示的能量相关概念图，相比于《NGSS》，教材中涉及的能量种类不断扩大，且内容从身边的能量种类及其应用，到探究能量转化及能量的守恒，内容不断抽象和深入。

图2 《Science Dimensions（科学维度）》中能量的概念图

然而学校的科学教育毕竟空间有局限，课堂的教学时间也有限，因此科学学习的内容、方式都存在局限性。而美国丰富的科学课外读物，融通科学大概念与丰富的生产生活，可加深学生对科学大概念的理解。

2 美国加州分级科普读物的解读

《Science（科学）》是由美国麦格劳-希尔教育集团（McGraw-Hill Education）出版的科普读物。该集团在中小学教材和计算机、工程等学科的学术专著和大众畅销书方面都名列前茅，在全世界40 余个国家设立办事处，为全球输送优质知识信息。《Science》是美国加州基础教育最重要的课外图书之一，最早在2008 年刊出第一版，目前已在2018 年发布第三版科普读物，官网[13]显示该读物在加利福尼亚得到180 万小学生及其家长的支持，占比约为34.6%。科普读物共分G1-G6 六个年级的内容，其中G1 有59 册，G2 有62 册，G3 有53 册，G4 有60 册，G5 有54 册，G6 有42 册，内容涉及物质科学、生命科学、地球与空间科学和工程、技术与科学的应用四大学科领域所有的科学大概念，突出了科学大概念与生产、生活的联系，在个人生活、国家利益及人类发展中的作用。下面以“能量”大概念为例，分析读物的编写。

2.1 主题丰富，能量呈现形式多

以“能量”大概念为例，与此直接相关的读物共有18 册。G1 简单阐述太阳能给予光和热到太阳能屋顶及车辆的使用；G2 则讨论电是什么，家中如何使用电及电池是什么；G3 进阶介绍电，并以知名科学家和典型电发明作为历史，简单了解生活中的各类能量，包括自然资源、太阳能、风能、水能及核能等简单利用和简单转化方式，并了解食物是如何在身体中转化为能量；G4 阶段介绍发电的能源，简单阐述原子核内的质子和电子，详细介绍水力发电中的三座大坝；G5 阶段更加深入地介绍电能的来源，了解火力、水力、风车发电厂及核力发电厂等的发电原理，潮汐能、地热能等各类能量及其转化形式，包括可再生和不可再生能源；G6 系统地介绍各类能源，从辩证角度分析使用太阳能和化石燃料时的利与弊，并表示人类会更加偏向使用清洁能源和可再生能源。

如图3 所示，相较于美国教材，科普读物对于能量的诠释更加丰富，涉及广度远大于美国教材，并且深度从宏观逐渐深入到微观。

图3 科普读物《Science》中关于能量的概念图

2.2 概念进阶，内容从简单到复杂

在《Science》的G1-G6 读物中，把读物分为三个难度阶层，分别为低级（low，含G1-G2 年级）、中级（middle，含G3-G4 年级）和高级（high，含G5-G6 年级），能够满足不同层次读者的阅读需求（见表2）。三个阶段对能量内容的阐述由浅入深，在纵向上将同种能量在不同年级进行不同广度和深度的介绍。

表2 加州读物中部分能量知识内容进阶表

以能量中的电能为例，如图4～图6 所示，在G1-G2 阶段，介绍电在生活中的各种用途，包括简单的家庭用电设备，如电灯、电扇及电池等。在G3-G4阶段，除了了解家中收音机、电视、电脑等用电设备，如图7～图9 所示，学生还需要了解对“电”发明和发展作出巨大贡献的重要科学家，如本·富兰克林、迈克尔·法拉第及托马斯·爱迪生等，典型发明为避雷针、电动机、电灯等，了解著名科学家观察自然和探究电能的过程，培养利用科学知识造福社会的积极思维。

图4 家中的用电器

图5 利用电灯阅读

图6 手电筒中的电池

图7 本·富兰克林

图8 迈克尔·法拉第

图9 托马斯·爱迪生

在G5-G6 阶段，介绍新型清洁能源如太阳能、风能、地热能等知识，如图10～图11 所示，还原火力发电站的发电原理，还原汽轮发电机的工作过程，此阶段丰富了电能来源的途径，从各类发电方式中体现“能量”的转化过程。

图10 火力发电站示意图

图11 汽轮发电机工作示意图

2.3 作者多样，科普环境优良

分级科普读物《Science》的作者来自各行各业，不仅有从事科普工作的工作人员，还有物理、地理、天文、动植物等各学科领域的科学家，更有来自国际环境局、景区、发电厂、知名高校的专家。统计330 册读物中作者的相关工作，去掉同一作者、未查询到来源的作者后剩余258 名，得到以下数据表（见表3）。

表3 加州读物作者来源表

在《Science》读物的作者来源中，科学家的占比最高（36.4%），其次为科普专家（34.5%），最后是领域专家（29.1%）。科学家和领域专家的参与保障读物的科学性，科普专家保障读物能够适合学生的认知水平，多方努力能够提高读物质量。

2.4 栏目导读，增加校社联动

每份读物最后的活动均分为三部分：“泛读”（Responding to Science）、“精读”（Summarize）、“比较”（Think and Compare），活动形式多样，拉近了学校、家庭和社会之间的关系。如图12 所示，“泛读”主要向G2 阶段读者提问：“1.通过阅读了解到的知识；2.思考电的重要性；3.想像没有电的生活会是什么样子”。学生在校期间可以随时和同学、教师交流相关问题。如图13 所示，“精读”要求学生总结读物内容并完成一份摘要表格，此过程建议在家长的指导下共同完成。如图14 所示，完成“精读”之后，需要学生进一步思考关于该主题的社会问题，包括“环境问题”“国家能源利用占比”“开发新能源”等，培养学生关注社会问题、共同参与社会问题的讨论。

图12 泛读

图13 精读

图14 比较

加州读物《Science》以“能量”大概念统领，低年段学生以认识身边利用“能量”的现象为主；中年段学生进一步全面地了解电器的使用，以能源发电过程阐述不同能量之间的转化；高年段学生从熟知的火力发电到清洁能源的利用发电，形成科学大概念的进阶过程。读物由来自不同工作领域的作家所编著，给学生普及更加专业和丰富的科学知识，并通过活动在学校、家庭和社会中建立起一定联系，为我国编写科普读物提供借鉴经验。

3 对我国科普读物编写和推广的启示

提高公民科学素养的工作中，科普读物起到非常重要的作用[14]。我国也设立科普奖鼓励科普工作人员，据国家科学技术奖励工作办公室数据显示，共有4 项科普项目获得2016 年度国家科技进步奖，虽然获奖项目增多，但仍有专家表示这并不意味我国科普作品整体上有较大提升[15]，我国科普读物创作环境尚存在一些问题。如何利用多方合力，提高公民科学素养，让公众了解科技发展，理解科学本质，培养科技人才，科普工作面临挑战。借鉴国际科普的有效经验，可促进科普读物的编写。

3.1 以科学大概念统领科普读物

我国科普事业正处于持续发展时期，但科普知识的零散性使得学生在阅读时不能很好地建立知识之间的联系。如《十万个为什么》《百科全书》等百科全书式的科普读物在青少年科普中曾发挥巨大的作用，但这类读物主要强调学科门类的齐全，知识点面广量大；另一类是某领域的科普读物，如《寂静的春天》《元素的盛宴》，更多展现的是真实情境中的知识，但离学生学习实际距离较远，使师生对课外科普读物产生一定的排斥情绪。

美国加州以“科学大概念”编写出版的《Science》科普读物，让我们看到科学大概念涵盖物理、生物、化学、天文、地理等在内的所有自然学科，在科学知识中居于统领地位，像黏合剂一样将一颗颗“碎玻璃”进行粘合，使知识点之间彼此关联。同时这些科学大概念不再是一个名词或者符号，而是蕴藏着极为丰富的世界，与科学发展、社会发展和日常生活紧密相关。实际上，这些科学大概念也是学生科学学科的核心内容。以科学大概念统领系列科普读物，丰富的主题，不同的栏目，让学生的课内知识随着科普读物内容不断填充和扩展，不仅开阔视野，使知识学习有血有肉，而且能够随着读者生活经验和认知水平的提高不断深入，产生潜移默化乃至终身运用的作用。

3.2 以分级模式辐射不同层次的读者

《中华人民共和国科学技术普及法》提出要深化开展科学普及，应当采用公众易于理解、接受、参与的方式[16]。按受众的层次和需求不同，我国目前出版的科普图书种类有高端科普、青少年科普及少儿科普等[17]，其中高端科普面对的是成人。在2011-2021年全国优秀科普作品入选作品调查中，原创性仍为评选主要因素，且受众以青少年读者为主，入选作品没有百科全书式的系列科普读物，说明这个系列的科普读物编写缺少创新[18]。不同群体读者的知识、经验、兴趣各异，对科普作品的内容要求和难度要求也不同，但很少有科普读物考虑到进阶问题，更缺乏与校内学习的科学大概念相匹配的系列科普图书。

美国加州以“科学大概念”编写出版的《Science》科普读物，依据国家《下一代科学标准》，以学生就读年级分级，给予全新视角。围绕科学大概念，学生从年幼到年长的过程也是将科学概念从具体的事实逐渐发展成大概念的过程。虽然对于低龄读者来说，对每个科学大概念的理解程度比较低，但可以结合幼儿日常发展等比较具体的概念，逐渐进阶。特别是对于幼儿及青少年来说，科普图书是依据课标要求及教材内容编写的，直接可作为课堂科学学习的延伸。对于成人而言，也能在更高层次上关注科学大概念在国际、社会、工作及家庭方面的应用，深刻理解科学的本质。

3.3 多领域人才合作科普创作

新中国成立以来，国家一直关心和重视科普工作。老一代科学家如竺可桢、严济慈、华罗庚，稍晚一辈的王梓坤、李启斌、高士其等，以深厚的科学知识和扎实的文字功底创作了不少具有影响力的科普作品，他们既是科技专家又是科普专家，大手笔写小文章。但目前这样的人才非常稀缺，许多科学家、工程师虽懂专业，但科研压力大，又不太了解青少年需要怎样的知识[19]，创作的科普读物的可读性有待提高；而专门从事科普的工作人员对现代高新技术的准确把握难度较大，导致一些科普作品存在科学错误，也就难以保证科学性。

美国加州分级读物《Science》的编写人员多元化，他们把多领域的工作人员、科学家、高校教师等同时引入编写团队，科学家保证了内容的专业性、科学性，科普专家则保证了这些读物能体现科学教育方式的变革，促进学生学习方式的变化。

然而，科普工作在很多人眼中是“小儿科”，并不被重视，要把这样一群人集聚在一起协同创作并不容易。建议各级政府、出版集团、科普单位搭建更多的平台，支持各类人员共同参与科普读物的编写。各类科研机构、学校单位也应该把科普作为自己份内事，鼓励更多的专业人员积极参与科普工作。编写团队应打破行业界限，实现跨学科拓展，满足读者多方位的需求，这也是各类人员实现自我发展的契机。

3.4 校内校外联动推广科普读物

我国科普读物的内容远离学校教学内容，因此科普阅读往往被排斥在学校科学教育之外。一些教师和家长会认为课外的科学阅读只会占用学生的学习时间，远远不如做题对学生科学成绩的帮助大、见效快[20]。所以只有幼儿园或小学阶段的学生纯粹依据兴趣阅读科普读物，到初中后的学生因为应试，几乎只读教科书。

然而，教育的“生态环境”是一个广阔的环境，包括学校、家庭以及博物馆等。学校是正式的学习环境，学生应当充分利用该环境，增加课外阅读并和同学、朋友进行交流。学生学习还会发生在非正式环境中，不少科学家就是早期通过课外科普作品的阅读爱上科学，迷上科学，最终走上科学探究的道路。所以非正式环境也是学习科学的重要方式，读物中涉及家庭活动，不仅能发挥读物增长科学知识的功能，更能密切家庭成员与孩子之间的关系。而对于社会环境，读物可以结合社会热点和现代新技术，发挥读物的科普功能，也可以适时组织义务科普活动，集结学校、家庭和社会的力量，为学生创造全方位的科学教育环境，进一步提高学生的科学素养。