以大概念的理念进行科学教育

　　作者简介：韦钰，中国工程院院士、国家教育咨询委员会委员、东南大学儿童发展与学习科学重点实验室名誉主任；

　　科学教育的目的是培养知情的决策者，使学生具有进行正确决策的知识基础和能力。

　　科学教育大概念的提出

　　科学技术的发展颠覆性地改变了科学技术与社会、科学技术与人之间的关系。科学素质成为21世纪公民必不可少的基本素质，决定着一个国家民主的进程、竞争的实力和国家的安危。

　　由于预见到即将到来的这种巨大变化以及公民具备科学素质的重要性，在上世纪90年代，许多国家着手启动了新一轮中小学科学教育改革。1994年，十多位科学家和教育家聚集在位于巴黎的世界科学联盟(ICSU)总部，成立了国际科学能力建设委员会(ICSU-CCBS)。成立该委员会的目的是在世界范围内推进中小学科学教育改革，委员会的主席由两位诺贝尔物理奖的获得者——法国的夏帕克(G.Charpak)和美国的勒德曼(L.Lederman)担任。进入21世纪以后，以这个委员会主要成员为核心，成立了世界科学院联合组织(IAP)的探究式科学教育专家委员会(IAP-IBSE)。这个委员会致力于交流各国科学教育改革发展的经验和研究成果、组织相关的国际会议以及发表具有指导性的有关文献。接下来，IBSE又在各大洲建立了地区委员会，以推动探究式科学教育在各国的发展。

　　2009年10月，来自墨西哥、智利、中国、加拿大、美国、法国、英国的10位专家聚集在苏格兰的罗斯湖畔，召开了一次有关探究式科学教育的国际研讨会。这10位专家主要来自IAP-IBSE专家委员会。会议在总结各国科学教育研究和实践的基础上，探讨了在知识爆炸性增长、科学技术快速发展的形势下，基础教育阶段的科学教育应该如何进行，特别是如何选择学习内容等问题。作为这次具有广泛代表性的高水平会议的成果，《科学教育的原则和大概念》一书诞生了。该书由英国科学教育专家哈伦女士(WynneHarlen)执笔，与会专家参与讨论和修改过程。该书明确提出了科学教育的10项原则和基础教育阶段应该学习的14个科学大概念，其中14个科学大概念包括10个有关科学内容的大概念和4个关于科学本身的大概念。

　　《科学教育的原则和大概念》一书的英文版出版之后，被译成了包括法文、中文、西班牙文、塞尔维亚文、希腊文在内的多个版本，在国际科学教育界受到了广泛的重视和欢迎。书中所论及的科学教育的原则和大概念，得到了不同国家的科学教育研究者和标准制定者的认同。

　　在该书出版之后的5年里，社会经济的发展不断对科学教育提出了新的要求，在科学教育研究和实践方面也有了新的进展。在上述背景下，2014年9月，由哈伦女士召集的同一组专家重新聚集在会议原址，研讨因需求而再版该书的问题。作为第二次研讨会的成果，《以大概念的理念进行科学教育》(以下简称《大概念》)一书出版。《大概念》一书并未对五年前出版的《科学教育的原则和大概念》一书做原则性的改动，但是总结了近五年来科技的新进展对科学教育提出的新要求、科学教育研究取得的新成果以及成功的实践经验。该书在实证性科学研究的支持下，进一步明确了科学教育改革的方向，涉及了科学教育的内容、学习方法，学生评价、对教学过程的评估以及改进教师教育与培训等诸多方面的内容。《大概念》一书受到联合国教科文组织和IAP的强烈推荐，已有多个文字版本正式出版。该书现已译成中文，即将问世。

　　学生在科学课上

　　笔者有幸从1994年开始就参与了上述委员会的工作，并自2001年开始在中国做了一些教改实验，有了一些亲身的体验。因此，本文拟从实证研究的角度，就以大概念理念进行科学教育对培养创新人才的重要性这一问题做一些初步的解读。目的是以此为例，探讨中国教育改革之路，也是尝试回答“钱学森之问”。

　　科学大概念是有组织、有结构的科学知识和模型

　　《大概念》的重要特点是明确提出：科学教育的目的是培养知情的决策者，使学生具有进行正确决策的知识基础和能力。科学教育要培养学生在学校期间以及在毕业以后继续前行的人生中，成为对自己生活方式、生涯选择、事业发展以及对事关环境、能源、科学技术应用、科学伦理等涉及社会经济发展的关键问题，作出知情、明智抉择的理性人。基于这样的目的，基础教育阶段科学教育的学习内容应该要少一点，但深一点，教师应该把学习组织为趋向于大概念的、连续的、有联系的学习进程。

　　首先在内容上，科学教育不是给学生讲授一些零碎的、不连贯的知识片段和堆积在一起的科学定律，而是需要围绕涉及重要科学领域的有结构、有联系的科学核心概念和模型——大概念来进行学习。科学家彭加莱曾经说过：科学是基于事实之上的，就好像房子是用砖石来砌成的一样。但是，一些事实的堆积并不是科学，就像堆在一起的一堆砖石并不是房子一样。《大概念》中给出学生需要学习的这些科学大概念是有组织、有结构的科学知识和模型，它们能够解释较大范围内的一系列相关现象。不管学生将来是否进一步学习科学，是否直接从事科技工作，这些大概念对于他们理解所观察到的自然界以及依据科学知识参与那些影响自己和他人生活质量的决策都是十分必要的。

　　就学习方法而言，不单单是探究，以大概念进行科学教育还强调整个基础教育阶段的科学学习过程是不可分割的，是趋向于整体目标不断上升的建构过程。学生从小开始就应该学习如何从周围的现象中抓住体现现象本质的问题进行探索，学习如何提出问题，如何找寻解决问题的思路和方法，由易到难，由浅入深。就像培养优秀的围棋运动员一样，必须从小开始，让他逐渐掌握难度逐层加深的棋谱；像培养钢琴家一样，让他不断挑战难度逐步加深的琴谱。《大概念》一书依据近五年来发达国家的教育实践，提供了不同年龄阶段围绕14个大概念的学习内容。学生从5岁开始就学习如何探究，从可能不那么正确的想法开始，逐渐建构出科学大概念。

　　《大概念》一书还指出，科学教育改革要取得实效必须将内容、方法和评测视为相互联系、不可分割的整体，并认真实施下去，否则教育改革只会成为过场。

　　能否掌握概念和建立模型会影响决策判断能力和创新能力

　　以大概念理念进行科学教育能够从小培养学生的创新能力。创新是人类进行信息处理的一种基本能力。创新可以在不同的层次上发生，既有高水平创新，也有普通创新，前者只有极少数天才能够达到，后者是所有人都可以具有的能力。但是无论哪一种创新，基本过程都包括找出实质性的关键问题，并做出解决问题的决策，这正与《大概念》中提出的科学教育的培养目标相吻合。

　　人是怎样形成决策能力的呢？我们可以看看那些进行高水平创新的伟人们是怎样描述他们的创新过程的。

　　爱因斯坦说：对表面现象之后隐藏的规律的感觉使我们产生直觉。彭加莱说：逻辑用于证明，直觉用于发明。丘成桐说：有很多重要的创造发明是学者在有深厚感情的潜意识中完成的。杨振宁还进一步指出：对于基本概念的理解要变成直觉。

　　这些话语体现了科学大师对创新思维的理解，虽然描述的语言不同，但其中都包含了创新思维的一些本质特征：

　　1.创新思维是一种直觉，而不是一个逻辑推理的过程。

　　2.创新思维过程需要特定情感的伴随。

　　3.创新思维的产生需要有认知的基础：对一些基本概念的理解要进入潜意识即直觉中。

　　20世纪中叶，认知科学作为一门交叉学科问世，主要研究人的学习、记忆和思维过程，其中思维过程包括与创新有关的发散思维、专家思维和顿悟等。认知科学家研究人是怎样决策的，面对同样的问题专家为什么可以看出“门道”，能够较快、较好地解决问题，甚至会有创新的想法，而外行却只能看热闹，对解决问题摸不着头脑，更谈不上有创新思维了。

　　2002年“诺贝尔经济学奖”获得者、普林斯顿大学的卡讷曼(D.Kahneman)，毕生从事有关人决策行为的研究。他得到这样的结论：人有两类决策系统，第一类是直觉决策系统，第二类是推理决策系统。

　　直觉决策系统又分成两种：一种是依靠当时直接获得的感知来形成判断。儿童在做判断时常常使用的是这种决策方式。比如儿童会凭借第一眼的印象，说你是坏人或你是好人；情侣“一见钟情”作出的抉择也常常是凭直觉。另一种是需要建立在已经获得的概念和模型之上，也就是需要有相应领域的知识积累，然后在一种激昂的或是特别沉浸的情绪状态下，依靠直觉来进行决策。这类决策过程是快速、平行、自动的处理过程，常常需要启动联想思维，而不是依靠有意识的搜寻。这个过程通常也是不明晰的。专家在判断他熟悉的专业问题时，便会启动这种直觉的决策过程。

　　创新思维常常是一种直觉的思维过程，有时也称之为灵感。

　　推理决策系统是一个较慢的、串联的、可控的、费力的、有规则可循的过程。这个过程是可以训练的，比如我们学习概念和模型的过程就是启动推理决策系统。

　　这两类决策系统会在人们解决问题时交替出现。但是，不管是直觉决策系统还是推理判断决策系统，掌握概念和建立模型都是决策必要的基础。学什么概念，如何建立模型必然会影响决策判断能力和创新能力。

　　为什么专家要比生手善于解决问题呢？

　　认知科学家基于实证的科学研究表明，在具有一定智力基础上，创新能力与专家的知识结构、认知模型有关。专家之所以能看出“门道”，能解决问题，是因为他们的思维至少具有以下三方面的特点：

　　1.专家具有他们所熟悉领域的知识，而且能够把这些知识和周围的实际事件相联系，有过找出问题症结和解决问题的训练。

　　2.专家所具有的知识是有组织的，也就是说有清晰的概念和表达概念之间联系的认知模型。

　　3.专家对自己的认知和决策过程能够监测，具有反思和元认知的能力。

　　科学教育应该为学生提供好的、由浅入深的“棋谱”

　　近年来，科学技术的发展特别是无损脑成像技术和分子生物学的发展，为我们有效地研究人脑提供了可能，神经教育学应运而生。

　　对人长期记忆的分子生物学研究揭示：当人形成长期记忆时，神经元连接处的结构会发生变化。所以人的心智发展，实际上伴随着脑中生物结构的变化。因此当你脑中存储某个概念时，便不会轻易再改变。这个前概念会影响你的下一步学习。脑图像研究还证明，对概念理解的直觉反应直接影响到对后继概念的学习。这表明，依照不同年龄脑的发展规律，使用不同的学习方法来学习不同的内容十分重要。

　　科学家还研究了专家和非专家在解决问题时脑区的活动过程。例如，日本科学家利用功能核磁共振成像，对一种类似象棋的棋类游戏的棋手进行了研究。他们比较了专业选手和业余人士两类人在下棋过程中做决策时的脑激活区域，得到的结果表明，专业选手和业余选手在看棋谱以及做出下一步棋子移动抉择时，脑激活的区域是不同的。专业选手一看到棋谱，可以做出快速决策，激活的脑区是位于边缘系统中的基底核。基底核所保存的记忆是非陈述性记忆，它需要经过模仿、学习和积累经验的过程才能形成。这表明专业选手在做快速决策时依靠的是他们经过长期训练而习得的有关棋谱的某种模型，决策的正确度和速度与经过训练已经掌握的棋谱知识有关，也就是说他们利用的是直觉决策过程。而业余选手激活的脑区则十分分散，他们需要启动前额皮层的工作记忆区，是否熟悉所见到的棋谱会影响他们的自信，从而影响取得的效果。这项研究对学习专业知识需要围绕概念和模型来进行这一观点提供了有力的实证支持。脑电的研究也证实了大脑在有意识决策启动以前，已经先启动了无意识的知识提取过程。东南大学朱艳梅博士的研究更加证实了科学教学方法的不同会导致学生形成科学概念的直觉反应不同，这从脑电的波形上就可以分辨出来。

　　以上研究都说明了以大概念的理念进行科学教育的必要性。科学教育应该为学生提供好的、由浅入深的“棋谱”，逐步培养他们运用这些“棋谱”的能力，这样才能把学生培养成知情的决策者和有创新能力的人。

　　2001年，在国务院领导的指示下，中国教育部和法国科学院签订了进行探究式科学教育的合作协议，并开展了由中国教育部和中国科协共同推进的“做中学”科学教育实验项目(5-12岁儿童基于探究的科学教育实验项目)。这之后的几年里，试点项目进展得非常顺利。在教育部和中国科协领导的支持下，经过参与项目的研究团队、实验区教师和教研员的共同努力，实验项目从三个城市的十几所学校起步，到目前涵盖的学校学生数量总计已达到20万，其中包括了陕西的部分农村地区的学校。2006年，由国内外专家共同研制的“做中学”科学教育标准正式出版，“做中学”科学教育实验项目取得的成绩获得了国内外的认可。