以大概念的理念進(jìn)行科學(xué)教育

科學(xué)教育大概念的提出

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展顛覆性地改變了科學(xué)技術(shù)與社會(huì)、科學(xué)技術(shù)與人之間的關(guān)系?？茖W(xué)素質(zhì)成為21世紀(jì)公民必不可少的基本素質(zhì)，決定著一個(gè)國家民主的進(jìn)程、競爭的實(shí)力和國家的安危。

由于預(yù)見到即將到來的這種巨大變化以及公民具備科學(xué)素質(zhì)的重要性，在上世紀(jì)90年代，許多國家著手啟動(dòng)了新一輪中小學(xué)科學(xué)教育改革。1994年，十多位科學(xué)家和教育家聚集在位于巴黎的世界科學(xué)聯(lián)盟（ICSU）總部，成立了國際科學(xué)能力建設(shè)委員會(huì)（ICSU-CCBS）。成立該委員會(huì)的目的是在世界范圍內(nèi)推進(jìn)中小學(xué)科學(xué)教育改革，委員會(huì)的主席由兩位諾貝爾物理獎(jiǎng)的獲得者——法國的夏帕克（G..Charpak）和美國的勒德曼（L.Lederman）擔(dān)任。進(jìn)入21世紀(jì)以后，以這個(gè)委員會(huì)主要成員為核心，成立了世界科學(xué)院聯(lián)合組織（IAP）的探究式科學(xué)教育專家委員會(huì)（IAP-IBSE）。這個(gè)委員會(huì)致力于交流各國科學(xué)教育改革發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)和研究成果、組織相關(guān)的國際會(huì)議以及發(fā)表具有指導(dǎo)性的有關(guān)文獻(xiàn)。接下來，IBSE又在各大洲建立了地區(qū)委員會(huì)，以推動(dòng)探究式科學(xué)教育在各國的發(fā)展。

2009年10月，來自墨西哥、智利、中國、加拿大、美國、法國、英國的10位專家聚集在蘇格蘭的羅斯湖畔，召開了一次有關(guān)探究式科學(xué)教育的國際研討會(huì)。這10位專家主要來自IAP-IBSE專家委員會(huì)。會(huì)議在總結(jié)各國科學(xué)教育研究和實(shí)踐的基礎(chǔ)上，探討了在知識(shí)爆炸性增長、科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的形勢(shì)下，基礎(chǔ)教育階段的科學(xué)教育應(yīng)該如何進(jìn)行，特別是如何選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容等問題。作為這次具有廣泛代表性的高水平會(huì)議的成果，《科學(xué)教育的原則和大概念》一書誕生了。該書由英國科學(xué)教育專家哈倫女士（WynneHarlen）執(zhí)筆，與會(huì)專家參與討論和修改過程。該書明確提出了科學(xué)教育的10項(xiàng)原則和基礎(chǔ)教育階段應(yīng)該學(xué)習(xí)的14個(gè)科學(xué)大概念，其中14個(gè)科學(xué)大概念包括10個(gè)有關(guān)科學(xué)內(nèi)容的大概念和4個(gè)關(guān)于科學(xué)本身的大概念。

《科學(xué)教育的原則和大概念》一書的英文版出版之后，被譯成了包括法文、中文、西班牙文、塞爾維亞文、希臘文在內(nèi)的多個(gè)版本，在國際科學(xué)教育界受到了廣泛的重視和歡迎。書中所論及的科學(xué)教育的原則和大概念，得到了不同國家的科學(xué)教育研究者和標(biāo)準(zhǔn)制定者的認(rèn)同。

在該書出版之后的5年里，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不斷對(duì)科學(xué)教育提出了新的要求，在科學(xué)教育研究和實(shí)踐方面也有了新的進(jìn)展。在上述背景下，2014年9月，由哈倫女士召集的同一組專家重新聚集在會(huì)議原址，研討因需求而再版該書的問題。作為第二次研討會(huì)的成果，《以大概念的理念進(jìn)行科學(xué)教育》（以下簡稱《大概念》）一書出版?！洞蟾拍睢芬粫⑽磳?duì)五年前出版的《科學(xué)教育的原則和大概念》一書做原則性的改動(dòng)，但是總結(jié)了近五年來科技的新進(jìn)展對(duì)科學(xué)教育提出的新要求、科學(xué)教育研究取得的新成果以及成功的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。該書在實(shí)證性科學(xué)研究的支持下，進(jìn)一步明確了科學(xué)教育改革的方向，涉及了科學(xué)教育的內(nèi)容、學(xué)習(xí)方法，學(xué)生評(píng)價(jià)、對(duì)教學(xué)過程的評(píng)估以及改進(jìn)教師教育與培訓(xùn)等諸多方面的內(nèi)容?！洞蟾拍睢芬粫艿铰?lián)合國教科文組織和IAP的強(qiáng)烈推薦，已有多個(gè)文字版本正式出版。該書現(xiàn)已譯成中文，即將問世。

筆者有幸從1994年開始就參與了上述委員會(huì)的工作，并自2001年開始在中國做了一些教改實(shí)驗(yàn)，有了一些親身的體驗(yàn)。因此，本文擬從實(shí)證研究的角度，就以大概念理念進(jìn)行科學(xué)教育對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要性這一問題做一些初步的解讀。目的是以此為例，探討中國教育改革之路，也是嘗試回答“錢學(xué)森之問”。

科學(xué)大概念是有組織、有結(jié)構(gòu)的科學(xué)知識(shí)和模型

《大概念》的重要特點(diǎn)是明確提出：科學(xué)教育的目的是培養(yǎng)知情的決策者，使學(xué)生具有進(jìn)行正確決策的知識(shí)基礎(chǔ)和能力?？茖W(xué)教育要培養(yǎng)學(xué)生在學(xué)校期間以及在畢業(yè)以后繼續(xù)前行的人生中，成為對(duì)自己生活方式、生涯選擇、事業(yè)發(fā)展以及對(duì)事關(guān)環(huán)境、能源、科學(xué)技術(shù)應(yīng)用、科學(xué)倫理等涉及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵問題，作出知情、明智抉擇的理性人。基于這樣的目的，基礎(chǔ)教育階段科學(xué)教育的學(xué)習(xí)內(nèi)容應(yīng)該要少一點(diǎn)，但深一點(diǎn)，教師應(yīng)該把學(xué)習(xí)組織為趨向于大概念的、連續(xù)的、有聯(lián)系的學(xué)習(xí)進(jìn)程。

首先在內(nèi)容上，科學(xué)教育不是給學(xué)生講授一些零碎的、不連貫的知識(shí)片段和堆積在一起的科學(xué)定律，而是需要圍繞涉及重要科學(xué)領(lǐng)域的有結(jié)

構(gòu)、有聯(lián)系的科學(xué)核心概念和模型大概念來進(jìn)行學(xué)習(xí)。科學(xué)家彭加萊曾經(jīng)說過：科學(xué)是基于事實(shí)之上的，就好像房子是用磚石來砌成的一樣。但是，一些事實(shí)的堆積并不是科學(xué)，就像堆在一起的一堆磚石并不是房子一樣。《大概念》中給出學(xué)生需要學(xué)習(xí)的這些科學(xué)大概念是有組織、有結(jié)構(gòu)的科學(xué)知識(shí)和模型，它們能夠解釋較大范圍內(nèi)的一系列相關(guān)現(xiàn)象。不管學(xué)生將來是否進(jìn)一步學(xué)習(xí)科學(xué)，是否直接從事科技工作，這些大概念對(duì)于他們理解所觀察到的自然界以及依據(jù)科學(xué)知識(shí)參與那些影響自己和他人生活質(zhì)量的決策都是十分必要的。

就學(xué)習(xí)方法而言，不單單是探究，以大概念進(jìn)行科學(xué)教育還強(qiáng)調(diào)整個(gè)基礎(chǔ)教育階段的科學(xué)學(xué)習(xí)過程是不可分割的，是趨向于整體目標(biāo)不斷上升的建構(gòu)過程。學(xué)生從小開始就應(yīng)該學(xué)習(xí)如何從周圍的現(xiàn)象中抓住體現(xiàn)現(xiàn)象本質(zhì)的問題進(jìn)行探索，學(xué)習(xí)如何提出問題，如何找尋解決問題的思路和方法，由易到難，由淺入深。就像培養(yǎng)優(yōu)秀的圍棋運(yùn)動(dòng)員一樣，必須從小開始，讓他逐漸掌握難度逐層加深的棋譜；像培養(yǎng)鋼琴家一樣，讓他不斷挑戰(zhàn)難度逐步加深的琴譜?！洞蟾拍睢芬粫罁?jù)近五年來發(fā)達(dá)國家的教育實(shí)踐，提供了不同年齡階段圍繞14個(gè)大概念的學(xué)習(xí)內(nèi)容。學(xué)生從5歲開始就學(xué)習(xí)如何探究，從可能不那么正確的想法開始，逐漸建構(gòu)出科學(xué)大概念。

《大概念》一書還指出，科學(xué)教育改革要取得實(shí)效必須將內(nèi)容、方法和評(píng)測(cè)視為相互聯(lián)系、不可分割的整體，并認(rèn)真實(shí)施下去，否則教育改革只會(huì)成為過場(chǎng)。

能否掌握概念和建立模型會(huì)影響決策判斷能力和創(chuàng)新能力

以大概念理念進(jìn)行科學(xué)教育能夠從小培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。創(chuàng)新是人類進(jìn)行信息處理的一種基本能力。創(chuàng)新可以在不同的層次上發(fā)生，既有高水平創(chuàng)新，也有普通創(chuàng)新，前者只有極少數(shù)天才能夠達(dá)到，后者是所有人都可以具有的能力。但是無論哪一種創(chuàng)新，基本過程都包括找出實(shí)質(zhì)性的關(guān)鍵問題，并做出解決問題的決策，這正與《大概念》中提出的科學(xué)教育的培養(yǎng)目標(biāo)相吻合。

人是怎樣形成決策能力的呢？我們可以看看那些進(jìn)行高水平創(chuàng)新的偉人們是怎樣描述他們的創(chuàng)新過程的。

愛因斯坦說：對(duì)表面現(xiàn)象之后隱藏的規(guī)律的感覺使我們產(chǎn)生直覺。彭加萊說：邏輯用于證明，直覺用于發(fā)明。丘成桐說：有很多重要的創(chuàng)造發(fā)明是學(xué)者在有深厚感情的潛意識(shí)中完成的。楊振寧還進(jìn)一步指出：對(duì)于基本概念的理解要變成直覺。

這些話語體現(xiàn)了科學(xué)大師對(duì)創(chuàng)新思維的理解，雖然描述的語言不同，但其中都包含了創(chuàng)新思維的一些本質(zhì)特征：

1.創(chuàng)新思維是一種直覺，而不是一個(gè)邏輯推理的過程。

2.創(chuàng)新思維過程需要特定情感的伴隨。

3.創(chuàng)新思維的產(chǎn)生需要有認(rèn)知的基礎(chǔ)：對(duì)一些基本概念的理解要進(jìn)入潛意識(shí)即直覺中。

20世紀(jì)中葉，認(rèn)知科學(xué)作為一門交叉學(xué)科問世，主要研究人的學(xué)習(xí)、記憶和思維過程，其中思維過程包括與創(chuàng)新有關(guān)的發(fā)散思維、專家思維和頓悟等。認(rèn)知科學(xué)家研究人是怎樣決策的，面對(duì)同樣的問題專家為什么可以看出“門道”，能夠較快、較好地解決問題，甚至?xí)袆?chuàng)新的想法，而外行卻只能看熱鬧，對(duì)解決問題摸不著頭腦，更談不上有創(chuàng)新思維了。

2002年“諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)”獲得者、普林斯屯頁大學(xué)的卡訥曼（D.Kahneman），畢生從事有關(guān)人決策行為的研究。他得到這樣的結(jié)論：人有兩類決策系統(tǒng)，第一類是直覺決策系統(tǒng)，第二類是推理決策系統(tǒng)。（見下圖）

直覺決策系統(tǒng)又分成兩種：一種是依靠當(dāng)時(shí)直接獲得的感知來形成判斷。兒童在做判斷時(shí)常常使用的是這種決策方式。比如兒童會(huì)憑借第一眼的印象，說你是壞人或你是好人；情侶“一見鐘情”作出的抉擇也常常是憑直覺。另一種是需要建立在已經(jīng)獲得的概念和模型之上，也就是需要有相應(yīng)領(lǐng)域的知識(shí)積累，然后在一種激昂的或是特別沉浸的情緒狀態(tài)下，依靠直覺來進(jìn)行決策。這類決策過程是快速、平行、自動(dòng)的處理過程，常常需要啟動(dòng)聯(lián)想思維，而不是依靠有意識(shí)的搜尋。這個(gè)過程通常也是不明晰的。專家在判斷他熟悉的專業(yè)問題時(shí)，便會(huì)啟動(dòng)這種直覺的決策過程。

創(chuàng)新思維常常是一種直覺的思維過程，有時(shí)也稱之為靈感。

推理決策系統(tǒng)是一個(gè)較慢的、串聯(lián)的、可控的、費(fèi)力的、有規(guī)則可循的過程。這個(gè)過程是可以訓(xùn)練的，比如我們學(xué)習(xí)概念和模型的過程就是啟動(dòng)推理決策系統(tǒng)。

這兩類決策系統(tǒng)會(huì)在人們解決問題時(shí)交替出現(xiàn)。但是，不管是直覺決策系統(tǒng)還是推理判斷決策系統(tǒng)，掌握概念和建立模型都是決策必要的基礎(chǔ)。學(xué)什么概念，如何建立模型必然會(huì)影響決策判斷能力和創(chuàng)新能力。

為什么專家要比生手善于解決問題呢？

認(rèn)知科學(xué)家基于實(shí)證的科學(xué)研究表明，在具有一定智力基礎(chǔ)上，創(chuàng)新能力與專家的知識(shí)結(jié)構(gòu)、認(rèn)知模型有關(guān)。專家之所以能看出“門道”，能解決問題，是因?yàn)樗麄兊乃季S至少具有以下三方面的特點(diǎn)：

1.專家具有他們所熟悉領(lǐng)域的知識(shí)，而且能夠把這些知識(shí)和周圍的實(shí)際事件相聯(lián)系，有過找出問題癥結(jié)和解決問題的訓(xùn)練。

2.專家所具有的知識(shí)是有組織的，也就是說有清晰的概念和表達(dá)概念之間聯(lián)系的認(rèn)知模型。

3.專家對(duì)自己的認(rèn)知和決策過程能夠監(jiān)測(cè)，具有反思和元認(rèn)知的能力。

科學(xué)教育應(yīng)該為學(xué)生提供好的、由淺入深的“棋譜”

近年來，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展特別是無損腦成像技術(shù)和分子生物學(xué)的發(fā)展，為我們有效地研究人腦提供了可能，神經(jīng)教育學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。

對(duì)人長期記憶的分子生物學(xué)研究揭示：當(dāng)人形成長期記憶時(shí)，神經(jīng)元連接處的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化。所以人的心智發(fā)展，實(shí)際上伴隨著腦中生物結(jié)構(gòu)的變化。因此當(dāng)你腦中存儲(chǔ)某個(gè)概念時(shí)，便不會(huì)輕易再改變。這個(gè)前概念會(huì)影響你的下一步學(xué)習(xí)。腦圖像研究還證明，對(duì)概念理解的直覺反應(yīng)直接影響到對(duì)后繼概念的學(xué)習(xí)。這表明，依照不同年齡腦的發(fā)展規(guī)律，使用不同的學(xué)習(xí)方法來學(xué)習(xí)不同的內(nèi)容十分重要。

科學(xué)家還研究了專家和非專家在解決問題時(shí)腦區(qū)的活動(dòng)過程。例如，日本科學(xué)家利用功能核磁共振成像，對(duì)一種類似象棋的棋類游戲的棋手進(jìn)行了研究。他們比較了專業(yè)選手和業(yè)余人士兩類人在下棋過程中做決策時(shí)的腦激活區(qū)域，得到的結(jié)果表明，專業(yè)選手和業(yè)余選手在看棋譜以及做出下一步棋子移動(dòng)抉擇時(shí)，腦激活的區(qū)域是不同的。專業(yè)選手一看到棋譜，可以做出快速?zèng)Q策，激活的腦區(qū)是位于邊緣系統(tǒng)中的基底核。基底核所保存的記憶是非陳述性記憶，它需要經(jīng)過模仿、學(xué)習(xí)和積累經(jīng)驗(yàn)的過程才能形成。這表明專業(yè)選手在做快速?zèng)Q策時(shí)依靠的是他們經(jīng)過長期訓(xùn)練而習(xí)得的有關(guān)棋譜的某種模型，決策的正確度和速度與經(jīng)過訓(xùn)練已經(jīng)掌握的棋譜知識(shí)有關(guān)，也就是說他們利用的是直覺決策過程。而業(yè)余選手激活的腦區(qū)則十分分散，他們需要啟動(dòng)前額皮層的工作記憶區(qū)，是否熟悉所見到的棋譜會(huì)影響他們的自信，從而影響取得的效果。這項(xiàng)研究對(duì)學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)需要圍繞概念和模型來進(jìn)行這一觀點(diǎn)提供了有力的實(shí)證支持。腦電的研究也證實(shí)了大腦在有意識(shí)決策啟動(dòng)以前，已經(jīng)先啟動(dòng)了無意識(shí)的知識(shí)提取過程。東南大學(xué)朱艷梅博士的研究更加證實(shí)了科學(xué)教學(xué)方法的不同會(huì)導(dǎo)致學(xué)生形成科學(xué)概念的直覺反應(yīng)不同，這從腦電的波形上就可以分辨出來。

以上研究都說明了以大概念的理念進(jìn)行科學(xué)教育的必要性?？茖W(xué)教育應(yīng)該為學(xué)生提供好的、由淺入深的“棋譜”，逐步培養(yǎng)他們運(yùn)用這些“棋譜”的能力，這樣才能把學(xué)生培養(yǎng)成知情的決策者和有創(chuàng)新能力的人。

2001年，在國務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)的指示下，中國教育部和法國科學(xué)院簽訂了進(jìn)行探究式科學(xué)教育的合作協(xié)議，并開展了由中國教育部和中國科協(xié)共同推進(jìn)的“做中學(xué)”科學(xué)教育實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（5-12歲兒童基于探究的科學(xué)教育實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目）。這之后的幾年里，試點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)展得非常順利。在教育部和中國科協(xié)領(lǐng)導(dǎo)的支持下，經(jīng)過參與項(xiàng)目的研究團(tuán)隊(duì)、實(shí)驗(yàn)區(qū)教師和教研員的共同努力，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目從三個(gè)城市的十幾所學(xué)校起步，到目前涵蓋的學(xué)校學(xué)生數(shù)量總計(jì)已達(dá)到20萬，其中包括了陜西的部分農(nóng)村地區(qū)的學(xué)校。2006年，由國內(nèi)外專家共同研制的“做中學(xué)”科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)正式出版，“做中學(xué)”科學(xué)教育實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目取得的成績獲得了國內(nèi)外的認(rèn)可。

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