大概念的特征及其對科學教學的啟示

鄭青岳

(浙江省玉環市教育教學研究中心，浙江 臺州 317600)

大概念是近年來逐漸走進基礎教育界,并逐漸被教育科學研究者和廣大教師關注的一個重要課題．英國學者溫·哈倫在《科學教育的原則和大概念》一書中指出:所謂“大概念是指可以適用于一定范圍內物體和現象的概念”;[1]而小概念是指“只運用于特定觀察和實驗的概念”.[1]對于大概念的作用,美國學者格蘭特·威金斯和杰伊·麥克泰格在《追求理解的教學設計》一書中指出:“大概念可以幫助學生將各個知識聯系起來．大概念作為教師教學的得力助手,發揮著‘概念魔術貼’的作用,它有助于知識和技能的整合,并使之在大腦里得以鞏固．”[2]大概念具有哪些典型的特征,這些特征對于科學教學能夠提供哪些有益的啟示?

1 抽象性

大概念并非由小概念堆積而成,而是由小概念抽象概括出來的,它反映的是事物更為隱蔽、更為本質的東西．當概念逐漸變大時,建構概念的事實的外殼就被逐漸剝掉,它離實際事物的距離也就更遠,呈現的形式就更為抽象．例如,功能與結構相適應是一個大概念,它不像耳廓的喇叭形結構能夠使聲波得以放大這個小概念那么具體地反映事物之間的關系．但正是大概念的這種抽象性,使它成為具有廣泛應用的概念．這也啟示我們,科學知識的建構雖然需要大量事實材料的支撐,但科學并不是事實材料的簡單堆積．科學教育應當讓學生趨向這樣的目標——“逐步提高闡明物體特性的能力,能考慮到用不直接觀察到的特征來闡明物體的特性”．[1]以大概念理念進行科學教育,要求我們不能滿足于讓學生去記住一個個孤立的事實,而應當引導學生透過事實理解其深刻的本質．

但是,大概念的抽象性并不是對具體事物(小概念)的離棄,而是它擁抱了更為豐富多樣的具體事物．大概念的建立使我們的思維擺脫了具體事物的束縛,從而使自己的視線得以放高、視野得以放大,它既為已知的具體事物建立了理解的框架,又將更多相關的具體事物納入這個框架之中．在這里,抽象的大概念為具體的事物起到統轄的作用,而具體的事物則對大概念建立起到奠基的作用．如果沒有大量具體事物的支持,抽象的大概念就容易變成空中樓閣,成為“沒有被充分理解的惰性知識,而支撐大概念的具體案例越豐富越多樣,它的可遷移性就越強”．[3]事實上,人們頭腦里的抽象概念也正是在不斷返回新的具體事物的過程中,才得以逐漸變大的．專家的思維雖然是以大概念來組織的,但專家的知識常常鑲嵌在應用的情境之中．專家的思維總是自由地行走在抽象和具體之間,他們既能善于從具體的事物中抽象出大概念,使自己能夠從高位俯瞰具體的事物,又能將抽象的大概念應用于具體的事物之中,用大量鮮活的具體事物去豐富、檢驗、修正大概念,賦予大概念成長的活力,拓展大概念馳騁的疆域．所以,專家在解決問題中能夠做到既總攬全局,抓住事物的本質,又不放過影響全局的關鍵細節,表現出極高的思維力．

大概念的抽象性以及抽象和具體的協同性啟示我們,在科學教學中,我們不能停留在具體知識的教學,而應及時將具體的知識抽象化,當引出更為抽象的高位概念后,又要及時將它返回到對更多具體事物的認識上．例如,當學生得出力的平行四邊形定則后,我們應當將它進展到所有矢量的合成都遵守平行四邊形定則這一大概念．然后讓學生利用這一大概念進行位移、速度和加速度的合成,從而使矢量合成的大概念得到廣泛的遷移．

2 統整性

大概念又稱為核心概念或框架概念,它是一個學科中最精華、最有價值的內容．說大概念為核心概念,是因為大概念處于學科的中心,反映的是一個學科最有價值的內容．說大概念是框架概念,是因為大概念能夠幫助學習者對自然現象和實驗現象,以及相關的小概念建立起理解的框架．

大概念聯系著許多小概念,是眾多小概念的上位概念,具有更大的統領性和適用面．大概念使許多下位知識有了固著點,它將許多看似雜亂的經驗和孤立的事實組織起來,從而使知識系統化、連貫化、結構化,而“相互有聯系的知識要比分離的知識碎片更容易用于新遇到的情況”．[4]威金斯、麥克泰格把大概念比作一個車轄(如圖1箭頭所指)．車轄能夠將車輪固定在車軸上,而大概念可以將眾多的知識建立起有層次結構的整體．溫·哈倫還用拼圖來類比大概念對知識的統整作用．如圖2是一個大象的樹葉拼圖,如果沒有拼成大象,這些形狀各異的樹葉是彼此孤立的,正是大象的圖像把這些樹葉組織成一個有機的整體．大概念就類似于大象的圖像,而與大概念相關聯的各個下位的小概念就類似于構成大象拼圖的各片樹葉．正是大概念把眾多的知識組織成一個存在內在關聯的整體,否則,這些知識就會成為彼此孤立的碎片化的知識．

圖1

圖2

大概念的統整性啟示我們,科學教學要防止知識的碎片化,要積極引導學生尋找各個相關知識的上位概念,用處于上位的大概念把相關知識統整起來．

案例1.功與能的關系

功是能量轉化的量度(即W=ΔE),這是科學中的一個大概念．這個大概念與其眾多的下位概念構成一個邏輯結構嚴密的整體(如圖3)．

圖3

在這里,“功是能量轉化的量度”這一大概念將各種不同類型的功與相應的能量變化關系統整在一起,形成富有邏輯層次的結構．各個下位知識使抽象的大概念具體化,從而使我們豐富對大概念的理解;大概念則是各個小概念的上位知識,它使學習者理解各個小概念有了一個堅固的錨點．

3 遷移性

知識的遷移是以理解為基礎的．遷移有低通路的遷移和高通路的遷移,低通路的遷移是在新事物與原事物相似的情況下發生的,其遷移模式是“具體→具體”．例如,液體和氣體都具有流動性,將液體對流的知識遷移到氣體的對流上;將液體壓強與流速的關系遷移到氣體壓強與流速的關系上,都屬于低通路的遷移．高通路的遷移是在新事物與原事物不相似的情況下發生的,其遷移模式是“具體→抽象→具體”,在這一過程中,前一階段是由特殊到一般的過程,運用的是歸納思維;后一階段是由一般到特殊的過程,運用的是演繹思維．可見,高通路的遷移需要以概括為中介,而大概念是概括的成果,它為高通路遷移奠定了基礎．

大概念的可遷移性啟示我們,在科學教學中,在善于引導學生異中比同,發現貌似不同的事物深處的共同原理,以及解決不同問題的共同策略,以促進知識在廣泛的范圍內發生有效的遷移,從而極大地提高學習的效率和思維的經濟性．

案例2.功的原理

學生在學習簡單機械知識時,對杠桿和滑輪有一定的認識，如圖4(a)、(b)．從功的角度考慮,我們還可以得出(推導過程從略):不計摩擦和杠桿自重時,利用杠桿將重物舉到相同高度所做的功,等于直接將重物舉到同樣高度所做的功;不計摩擦和動滑輪自重時,利用動滑輪將重物舉高所做的功,等于直接將重物舉到相同高度所做的功．由此可以概括出:如果不考慮機械自重和機械的摩擦,利用機械對物體做的功,等于直接對物體做的功．如果考慮機械自重和機械的摩擦,利用機械對物體做的功,要大于直接對物體做的功,即利用機械不省功．這就是功的原理．

(a)

功的原理是一個大概念,它普遍適用于一切機械．我們可以將這一大概念遷移到輪軸、斜面、螺旋、液壓機等各類機械上,推導出利用這些機械工作時用力的表達式．

大概念涉及的是更為基礎性、一般性的知識,因而具有更為廣泛的遷移效應．正如布蘭思福特在《人是如何學習的》一書所說的:“在學習特定主題或技能之前,沒能在一個更大的基礎性框架背景下認清這些主題或技能所處的情境,這樣的教學是不經濟的……對基礎性原則和觀點的理解是培養遷移能力的主要途徑．將事物作為一般性事例(意味著更具基礎性的框架)的一個特例來理解,就是不僅僅要學習該特例,還要將其作為其他可能遇到的類似事物的模型來理解．”這里所說的“更大的基礎性框架”“基礎性原則和觀點”“一般性事例”“其他可能遇到的類似事物的模型”,實際上就是指大概念．

4 相對性

在談論大概念這一話題時,人們很自然會問:多大的概念才稱得上大概念?事實上,概念的大小是相對的．正如溫·哈倫所說的:“任何對較少現象適用的概念,都會聯系到一個適用于數量更多現象的較大概念,以此類推,較大的概念又可以歸入一個更大的、更廣泛的概念．”《追求理解的教學設計》一書也表達了類似的觀點,該書指出:“多‘大’才算是‘大概念’?如果拋開課程和學科目標,這個問題是沒有答案的．有些概念確實明顯比其他概念大,即概念的內涵更廣泛,有更強的可遷移性和影響力．”

大概念的相對性啟示我們,在科學的每一個方面,都存在由不同層級的概念構成的概念序列．層級越高的概念,反映的是事物更為本質的屬性或特點．在物理教學中,我們不但要關注處于頂極位置的大概念,同時也要關注眾多處于中間位置的大概念,要引導學生尋找每一個概念的上位概念,并將較低層級的大概念向較高層級的大概念推進,從而對物理知識的理解逐漸深化和擴大,使知識發生更為廣泛的遷移效應．

5 多樣性

大概念中的“概念”與我們平常所說的力、速度、電流、電壓等科學概念不同,其意義是非常寬泛的．對于大概念的內容,溫·哈倫在《科學教育的原則和大概念》一書中提出了如下14個科學大概念.

科學概念

(1) 宇宙中所有的物質都是由很小的微粒構成的．

(2) 物體可以對一定距離以外的其他物體產生作用．

(3) 改變一個物體的運動狀態需要有凈力作用于其上．

(4) 當事物發生變化或被改變時,會發生能量的轉化,但是在宇宙中能量的總量總是不變的．

(5) 地球的構成和它的大氣圈以及在其中發生的過程,影響著地球表面的狀況和氣候．

(6) 宇宙中存在著數量極大的星系,太陽系只是其中一個星系——銀河系中很小的一部分．

(7) 生物體是由細胞組成的．

(8) 生物需要能量和營養物質,為此它們經常依賴其他生物或與其他生物競爭．

(9) 生物體的遺傳信息會一代代傳遞下去．

(10) 生物的多樣性、存活和滅絕都是進化的結果．

關于科學的概念

(11) 科學認為每一種現象都具有一個或多個原因．

(12) 科學上給出的解釋、理論和模型都是在特定的時期內與事實最為吻合的．

(13) 科學發現的知識可以用于開發技術和產品,為人類服務．

(14) 科學的應用經常會對倫理、社會、經濟和政治產生影響．

需要指出的是,以上這14個大概念是從大的視角提出的,它對科學課程的設計具有指導性的作用．但是,對科學教學來說,大概念的內容是非常豐富的,我們不能囿于這14個大概念．實際上,只要從某些下位知識抽象概括出來的上位知識,都具有大概念的意義和功能,因此也都可以看作大概念．從形式上看,大概念是多樣的,它可以是一個核心概念、一個正式理論、一個觀念,也可以是一條原則、一個思想方法、一個基本問題,等等．

大概念的多樣性啟示我們,在物理教學時,不但要重視物理知識的教學,也要重視物理觀念、物理的思想方法,以及物理信念的教學;注意發揮物理觀念、物理思想方法以及科學信念的大概念在問題解決中的作用．

案例3.有相同的結果,也許有相同的原因

在教學杠桿知識時,為了幫助學生建立力臂概念,有的教師用如圖5所示的圓形轉盤做實驗．實驗時,在轉盤上A點掛1個鉤碼,然后再用彈簧測力計先后豎直向下拉B、C、D點,使圓盤在A、C兩點處于同一水平線的位置平衡．結果發現:雖然拉力的作用點改變了,但彈簧測力計的讀數卻相等．教師指出:使圓盤在同一位置保持平衡,雖然拉力的作用點不同,但拉力的大小卻相同．有相同的結果,也許有共同的原因．三種情形中,究竟存在什么共同的因素呢?在教師的引導下,學生發現:在三個位置,拉力的作用線相同．用一個量去描述,即支點(圓盤轉軸)到力的作用線的距離相同．由此建立起力臂概念,并認識到力和力臂是影響杠桿轉動效果的兩個因素． “有相同的結果,也許有相同的原因．”是一個觀念,也是一種思想方法,屬于大概念的范疇,因為這種思想方法可以在廣泛的場合得到遷移．例如,在高中物理學習產生感應電流的條件時,學生通過實驗觀察到,在圖6a所示的電路中,當導體AB做切割磁感線運動時,電路中會產生感應電流;在圖6b所示的電路中,當改變變阻器的電阻,使通過線圈A的電流發生改變,通過線圈B的磁場的磁感應強度變化時,線圈B中也會產生感應電流．為了尋找產生感應電路的條件,教師指出:有相同的結果,也許有相同的原因．兩個情境中產生感應電流的共同原因究竟是什么?由此引導學生透過表面上的差異,揭示兩者的相同點:通過閉合回路的磁通量發生改變,由此揭示出產生感應電流的條件．

圖5

圖6