基于科學大概念進階的美國分級科普讀物研究
——以《Science》中能量大概念為例*

胡輝杰 成素萍 王偉群

1.蘇州大學材料與化學化工學部

2.宿遷蘇州外國語學校

0 引言

歐洲理事會“ET2010”補充性報告《終身學習的關鍵能力》明確指出：科學技術能力是終身學習的關鍵能力之一，是公民在知識經濟時代實現個人發展、促進就業與社會融合中所應必備的關鍵能力[1]。然而人類文明發展至今，特別是在自然科學方面的知識越來越多，廣度和深度日益加深，有限的科學課程時間和“無限”的科學知識之間矛盾日益突出。為了使學生在有限的學習時段全面而有效地提高科學素養，“科學大概念”的教學成為近年來科學教育研究的熱點。美國[2]、加拿大[3]、澳大利亞[4]、新加坡[5]等國家在課程標準中都含有具有相同功能的概念表述，我國課程標準也明確提出要以大概念構建課程內容體系[6-7]。

科學大概念是指能涵蓋所有自然學科并居于統領地位的知識，是科學知識能夠不斷豐富拓展的結構框架，也是學生能夠運用終生的核心知識。將科學大概念落實在不同科學學科的學習，貫穿于學生科學學習的始終，是各國科學大概念教學的基本舉措。但如何進行有效教學，使這些科學大概念能入心入腦，成為學生認識世界的指導觀念、解決實際問題的科學工具，美國的經驗值得借鑒。

1 分級科普讀物分析的緣起

在教育中提倡公平、倡導學生在興趣中進行學習、強調實踐和理論的有機結合、發展主要概念及提升科學能力等是美國這一輪科學教育的重要理念。將知識上升以大概念（Big Ideas）和學習進階（LPs）形式為主[8]，強調學生參與科學實踐過程，以“科學與工程實踐”作為向導完成學習任務，進行跨學科領悟科學大概念，進一步理清各學科概念之間的關聯性[9]。其中科學大概念進階教學是分級科普讀物出版的緣起。

1.1 課程標準倡導科學大概念教學

1996 年，美國國家科學院在美國歷史上第一部《國家科學教育標準》[10]中就提出了科學核心概念，2011 年美國正式出臺綱領性教育文件《K-12 年級科學教育的框架：實踐，跨學科概念和核心概念》（以下簡稱《框架》)[11]，給出制定過程中大概念的遴選原則：a.學科顯著性；b.解釋能力；c.一般性；d.與生活實際緊密關聯；e.持續延伸性。2013 年發布的《Next Generation Science Standards》（以下簡稱NGSS），把4 個科學領域的13 個核心概念作為課程內容的主軸，以“學習進階（Learning Progressions）”的方式導航K-12 年級的科學課程，形成前后一致、逐級深入、螺旋上升的整體結構框架[12]。

科學大概念“能量”在《NGSS》中每個年級（K-12）都會涉及，四個領域中包含能量（Energy）、能量轉化（Energy Transfer）、能量守恒（Conservation of Energy）、能量與力的關系（Relationship Between Energy and Forces）及化學過程和日常生活中的能量（Energy in Chemical Processes and Everyday Life）等多個方面，且知識內容呈現不斷進階。

G1-G6（小學階段）側重于學生生活出發對能量定義及相關能量的宏觀理解，并逐漸轉入微觀層面的研究；MS（初中階段）研究能量定義、守恒及轉移，注重于動植物對各種能量的利用和轉化；HS（高中階段）研究的能量及化學反應，范圍從原子核、水、動植物、天氣、地球板塊、地球、太陽直到宇宙，從宏觀深入到微觀各個層面研究能量的形式及轉化方式。

在課程標準中，小學階段能量的學習過程也具有舉足輕重的地位，且概念不斷進階。在K-3 年級涉及的能量為太陽能、食物和植物需要光能等，而G4 的大概念中明確指出“能量的定義”“能量守恒和能量轉移”及“能源”，跨學科概念涉及“能量可以通過多種方式在物體之間傳遞”；G5-G6 的大概念中包含生活中的能源、生物體中物質和能量的流動以及生態系統中物質和能量的循環，跨學科概念中包含能量與物質——能量能在物體之間（系統內外）傳遞。

在K-6 年段，以“能量”大概念統領諸多分散知識，體現從低到高呈現由淺到深由具體到抽象的學習進階模式。關于能量的概念圖如圖1 所示，從小學低年級到高年級發展中，低年級主要以太陽能為起點，闡述植物生長離不開太陽能，并以水作為生長原料，介紹動物的活動來源以食物為基礎；小學高年級由簡單物質切入至系統的能量轉移，能量在自然系統的循環以及各類能源在生活生產中的應用。

圖1 《NGSS》中能量的概念圖

1.2 科學教材以大概念組織教學內容

在課程標準的引領下，美國的科學教材圍繞科學大概念編寫和組織內容。以2018 年美國霍頓·米夫林出版公司（Houghton Mifflin Harcourt Group）出版的《Science Dimensions（科學維度）》中關于“能源”的編寫為例，從小學一年級到六年級的學習，涉及學生生活中常見的能量種類、能量的利用及能量之間的轉化。如四年級教材的第二單元是“能量”，涉及能量的定義、守恒及轉移等方面，通過物體運動、碰撞等活動體現不同能量之間的顯示和轉移（見表1）。

表1 G4-U2對“能量”的關鍵問題、核心概念及重要概念的闡述

統計小學一年級到六年級的教材，形成如圖2所示的能量相關概念圖，相比于《NGSS》，教材中涉及的能量種類不斷擴大，且內容從身邊的能量種類及其應用，到探究能量轉化及能量的守恒，內容不斷抽象和深入。

圖2 《Science Dimensions（科學維度）》中能量的概念圖

然而學校的科學教育畢竟空間有局限，課堂的教學時間也有限，因此科學學習的內容、方式都存在局限性。而美國豐富的科學課外讀物，融通科學大概念與豐富的生產生活，可加深學生對科學大概念的理解。

2 美國加州分級科普讀物的解讀

《Science（科學）》是由美國麥格勞-希爾教育集團（McGraw-Hill Education）出版的科普讀物。該集團在中小學教材和計算機、工程等學科的學術專著和大眾暢銷書方面都名列前茅，在全世界40 余個國家設立辦事處，為全球輸送優質知識信息?！禨cience》是美國加州基礎教育最重要的課外圖書之一，最早在2008 年刊出第一版，目前已在2018 年發布第三版科普讀物，官網[13]顯示該讀物在加利福尼亞得到180 萬小學生及其家長的支持，占比約為34.6%?？破兆x物共分G1-G6 六個年級的內容，其中G1 有59 冊，G2 有62 冊，G3 有53 冊，G4 有60 冊，G5 有54 冊，G6 有42 冊，內容涉及物質科學、生命科學、地球與空間科學和工程、技術與科學的應用四大學科領域所有的科學大概念，突出了科學大概念與生產、生活的聯系，在個人生活、國家利益及人類發展中的作用。下面以“能量”大概念為例，分析讀物的編寫。

2.1 主題豐富，能量呈現形式多

以“能量”大概念為例，與此直接相關的讀物共有18 冊。G1 簡單闡述太陽能給予光和熱到太陽能屋頂及車輛的使用；G2 則討論電是什么，家中如何使用電及電池是什么；G3 進階介紹電，并以知名科學家和典型電發明作為歷史，簡單了解生活中的各類能量，包括自然資源、太陽能、風能、水能及核能等簡單利用和簡單轉化方式，并了解食物是如何在身體中轉化為能量；G4 階段介紹發電的能源，簡單闡述原子核內的質子和電子，詳細介紹水力發電中的三座大壩；G5 階段更加深入地介紹電能的來源，了解火力、水力、風車發電廠及核力發電廠等的發電原理，潮汐能、地熱能等各類能量及其轉化形式，包括可再生和不可再生能源；G6 系統地介紹各類能源，從辯證角度分析使用太陽能和化石燃料時的利與弊，并表示人類會更加偏向使用清潔能源和可再生能源。

如圖3 所示，相較于美國教材，科普讀物對于能量的詮釋更加豐富，涉及廣度遠大于美國教材，并且深度從宏觀逐漸深入到微觀。

圖3 科普讀物《Science》中關于能量的概念圖

2.2 概念進階，內容從簡單到復雜

在《Science》的G1-G6 讀物中，把讀物分為三個難度階層，分別為低級（low，含G1-G2 年級）、中級（middle，含G3-G4 年級）和高級（high，含G5-G6 年級），能夠滿足不同層次讀者的閱讀需求（見表2）。三個階段對能量內容的闡述由淺入深，在縱向上將同種能量在不同年級進行不同廣度和深度的介紹。

表2 加州讀物中部分能量知識內容進階表

以能量中的電能為例，如圖4～圖6 所示，在G1-G2 階段，介紹電在生活中的各種用途，包括簡單的家庭用電設備，如電燈、電扇及電池等。在G3-G4階段，除了了解家中收音機、電視、電腦等用電設備，如圖7～圖9 所示，學生還需要了解對“電”發明和發展作出巨大貢獻的重要科學家，如本·富蘭克林、邁克爾·法拉第及托馬斯·愛迪生等，典型發明為避雷針、電動機、電燈等，了解著名科學家觀察自然和探究電能的過程，培養利用科學知識造福社會的積極思維。

圖4 家中的用電器

圖5 利用電燈閱讀

圖6 手電筒中的電池

圖7 本·富蘭克林

圖8 邁克爾·法拉第

圖9 托馬斯·愛迪生

在G5-G6 階段，介紹新型清潔能源如太陽能、風能、地熱能等知識，如圖10～圖11 所示，還原火力發電站的發電原理，還原汽輪發電機的工作過程，此階段豐富了電能來源的途徑，從各類發電方式中體現“能量”的轉化過程。

圖10 火力發電站示意圖

圖11 汽輪發電機工作示意圖

2.3 作者多樣，科普環境優良

分級科普讀物《Science》的作者來自各行各業，不僅有從事科普工作的工作人員，還有物理、地理、天文、動植物等各學科領域的科學家，更有來自國際環境局、景區、發電廠、知名高校的專家。統計330 冊讀物中作者的相關工作，去掉同一作者、未查詢到來源的作者后剩余258 名，得到以下數據表（見表3）。

表3 加州讀物作者來源表

在《Science》讀物的作者來源中，科學家的占比最高（36.4%），其次為科普專家（34.5%），最后是領域專家（29.1%）?？茖W家和領域專家的參與保障讀物的科學性，科普專家保障讀物能夠適合學生的認知水平，多方努力能夠提高讀物質量。

2.4 欄目導讀，增加校社聯動

每份讀物最后的活動均分為三部分：“泛讀”（Responding to Science）、“精讀”（Summarize）、“比較”（Think and Compare），活動形式多樣，拉近了學校、家庭和社會之間的關系。如圖12 所示，“泛讀”主要向G2 階段讀者提問：“1.通過閱讀了解到的知識；2.思考電的重要性；3.想像沒有電的生活會是什么樣子”。學生在校期間可以隨時和同學、教師交流相關問題。如圖13 所示，“精讀”要求學生總結讀物內容并完成一份摘要表格，此過程建議在家長的指導下共同完成。如圖14 所示，完成“精讀”之后，需要學生進一步思考關于該主題的社會問題，包括“環境問題”“國家能源利用占比”“開發新能源”等，培養學生關注社會問題、共同參與社會問題的討論。

圖12 泛讀

圖13 精讀

圖14 比較

加州讀物《Science》以“能量”大概念統領，低年段學生以認識身邊利用“能量”的現象為主；中年段學生進一步全面地了解電器的使用，以能源發電過程闡述不同能量之間的轉化；高年段學生從熟知的火力發電到清潔能源的利用發電，形成科學大概念的進階過程。讀物由來自不同工作領域的作家所編著，給學生普及更加專業和豐富的科學知識，并通過活動在學校、家庭和社會中建立起一定聯系，為我國編寫科普讀物提供借鑒經驗。

3 對我國科普讀物編寫和推廣的啟示

提高公民科學素養的工作中，科普讀物起到非常重要的作用[14]。我國也設立科普獎鼓勵科普工作人員，據國家科學技術獎勵工作辦公室數據顯示，共有4 項科普項目獲得2016 年度國家科技進步獎，雖然獲獎項目增多，但仍有專家表示這并不意味我國科普作品整體上有較大提升[15]，我國科普讀物創作環境尚存在一些問題。如何利用多方合力，提高公民科學素養，讓公眾了解科技發展，理解科學本質，培養科技人才，科普工作面臨挑戰。借鑒國際科普的有效經驗，可促進科普讀物的編寫。

3.1 以科學大概念統領科普讀物

我國科普事業正處于持續發展時期，但科普知識的零散性使得學生在閱讀時不能很好地建立知識之間的聯系。如《十萬個為什么》《百科全書》等百科全書式的科普讀物在青少年科普中曾發揮巨大的作用，但這類讀物主要強調學科門類的齊全，知識點面廣量大；另一類是某領域的科普讀物，如《寂靜的春天》《元素的盛宴》，更多展現的是真實情境中的知識，但離學生學習實際距離較遠，使師生對課外科普讀物產生一定的排斥情緒。

美國加州以“科學大概念”編寫出版的《Science》科普讀物，讓我們看到科學大概念涵蓋物理、生物、化學、天文、地理等在內的所有自然學科，在科學知識中居于統領地位，像黏合劑一樣將一顆顆“碎玻璃”進行粘合，使知識點之間彼此關聯。同時這些科學大概念不再是一個名詞或者符號，而是蘊藏著極為豐富的世界，與科學發展、社會發展和日常生活緊密相關。實際上，這些科學大概念也是學生科學學科的核心內容。以科學大概念統領系列科普讀物，豐富的主題，不同的欄目，讓學生的課內知識隨著科普讀物內容不斷填充和擴展，不僅開闊視野，使知識學習有血有肉，而且能夠隨著讀者生活經驗和認知水平的提高不斷深入，產生潛移默化乃至終身運用的作用。

3.2 以分級模式輻射不同層次的讀者

《中華人民共和國科學技術普及法》提出要深化開展科學普及，應當采用公眾易于理解、接受、參與的方式[16]。按受眾的層次和需求不同，我國目前出版的科普圖書種類有高端科普、青少年科普及少兒科普等[17]，其中高端科普面對的是成人。在2011-2021年全國優秀科普作品入選作品調查中，原創性仍為評選主要因素，且受眾以青少年讀者為主，入選作品沒有百科全書式的系列科普讀物，說明這個系列的科普讀物編寫缺少創新[18]。不同群體讀者的知識、經驗、興趣各異，對科普作品的內容要求和難度要求也不同，但很少有科普讀物考慮到進階問題，更缺乏與校內學習的科學大概念相匹配的系列科普圖書。

美國加州以“科學大概念”編寫出版的《Science》科普讀物，依據國家《下一代科學標準》，以學生就讀年級分級，給予全新視角。圍繞科學大概念，學生從年幼到年長的過程也是將科學概念從具體的事實逐漸發展成大概念的過程。雖然對于低齡讀者來說，對每個科學大概念的理解程度比較低，但可以結合幼兒日常發展等比較具體的概念，逐漸進階。特別是對于幼兒及青少年來說，科普圖書是依據課標要求及教材內容編寫的，直接可作為課堂科學學習的延伸。對于成人而言，也能在更高層次上關注科學大概念在國際、社會、工作及家庭方面的應用，深刻理解科學的本質。

3.3 多領域人才合作科普創作

新中國成立以來，國家一直關心和重視科普工作。老一代科學家如竺可楨、嚴濟慈、華羅庚，稍晚一輩的王梓坤、李啟斌、高士其等，以深厚的科學知識和扎實的文字功底創作了不少具有影響力的科普作品，他們既是科技專家又是科普專家，大手筆寫小文章。但目前這樣的人才非常稀缺，許多科學家、工程師雖懂專業，但科研壓力大，又不太了解青少年需要怎樣的知識[19]，創作的科普讀物的可讀性有待提高；而專門從事科普的工作人員對現代高新技術的準確把握難度較大，導致一些科普作品存在科學錯誤，也就難以保證科學性。

美國加州分級讀物《Science》的編寫人員多元化，他們把多領域的工作人員、科學家、高校教師等同時引入編寫團隊，科學家保證了內容的專業性、科學性，科普專家則保證了這些讀物能體現科學教育方式的變革，促進學生學習方式的變化。

然而，科普工作在很多人眼中是“小兒科”，并不被重視，要把這樣一群人集聚在一起協同創作并不容易。建議各級政府、出版集團、科普單位搭建更多的平臺，支持各類人員共同參與科普讀物的編寫。各類科研機構、學校單位也應該把科普作為自己份內事，鼓勵更多的專業人員積極參與科普工作。編寫團隊應打破行業界限，實現跨學科拓展，滿足讀者多方位的需求，這也是各類人員實現自我發展的契機。

3.4 校內校外聯動推廣科普讀物

我國科普讀物的內容遠離學校教學內容，因此科普閱讀往往被排斥在學?？茖W教育之外。一些教師和家長會認為課外的科學閱讀只會占用學生的學習時間，遠遠不如做題對學生科學成績的幫助大、見效快[20]。所以只有幼兒園或小學階段的學生純粹依據興趣閱讀科普讀物，到初中后的學生因為應試，幾乎只讀教科書。

然而，教育的“生態環境”是一個廣闊的環境，包括學校、家庭以及博物館等。學校是正式的學習環境，學生應當充分利用該環境，增加課外閱讀并和同學、朋友進行交流。學生學習還會發生在非正式環境中，不少科學家就是早期通過課外科普作品的閱讀愛上科學，迷上科學，最終走上科學探究的道路。所以非正式環境也是學習科學的重要方式，讀物中涉及家庭活動，不僅能發揮讀物增長科學知識的功能，更能密切家庭成員與孩子之間的關系。而對于社會環境，讀物可以結合社會熱點和現代新技術，發揮讀物的科普功能，也可以適時組織義務科普活動，集結學校、家庭和社會的力量，為學生創造全方位的科學教育環境，進一步提高學生的科學素養。