基于大概念与科学实践的连贯课程设计

周玉芝

关键词：连贯课程;大概念;科学实践;AP化学

美国大学先修课程（Advanced Placement Course，以下简称AP）是由美国大学理事会主持开发的面向学有余力的优秀高中生提供的大学先修课程。该课程可以帮助高中生提前学到大学课程（一般为大学一年级的水平），并有机会获得大学的学分。研究表明，在美国AP考试中取得3分或更高成绩的学生通常会在大学里获得更大的学业成功，这种成效的取得与其课程不断吸收先进的教育教学理念来优化课程内容和课程结构具有一定关系。美国AP化学课程以学科大概念为课程组织框架、强调基础知识与科学实践进行统整等特色已引起我国专家和学者的关注。2019年秋季，美国大学理事会又一次修订了AP化学、物理、生物等课程和考试说明（course and exam description），这是继2014年颁布的课程和考试说明后的再次修订。新修订的科学类AP课程不仅确定了新的学科大概念，而且基于大概念和科学实践为课程的组织要素，构建了外显的连贯性课程设计。

我国教育部在2018年发布的《普通高中课程方案（2017年版）》强调要形成以学科大概念为核心的结构化课程内容，促进学科核心素养的落实。研究美国AP化学课程基于大概念和科学实践的课程设计方法对一线教师开展学科核心素养培养为导向的化学教学设计具有参考和借鉴价值。

1美国AP化学课程设计方法及其分析

1.1构建以大概念为统领的学科知识内容结构

随着科学与技术的发展，新的科学知识与技术不断涌现，如何平衡课程内容广度和理解深度就成为课程设计中不得不面对的现实问题。对专家和新手的知识结构研究表明，专家具有围绕本领域内主要的组织原则和基本概念原理组织起来的高度关联的知识结构，这种知识结构可以帮助他们辨别问题的本质，并在提取和运用知识时更为快捷有效。因此，很多研究主張通过具有迁移价值和统摄价值的大概念来帮助学生构建合理的知识结构，使他们能够把所学知识进行举一反三和迁移应用，从而达到以少胜多的目的。

美国《下一代科学教育标准》强调科学课程要围绕一系列有限的大概念来组织展开，给学生足够的机会和时间去理解和实践，以帮助学生建立对科学更为深入、连贯、系统的知识结构。我国《普通高中化学课程标准（2017年版）》亦指出：重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化;化学教学内容的组织，应有利于促进学生从化学学科知识向化学学科核心素养的转化，而内容的结构化则是实现这种转化的关键。

美国AP化学课程构建了以大概念为统领的学科知识内容结构，该结构如图1所示。

最上位起到统领作用的是大概念，下一层级是对大概念展开所形成的多个重要概念（也称为持久理解），每一持久理解的下一层级为支持该持久理解形成所必需的基本知识。构建以上学科知识结构的好处是不必让学生去记忆大量的事实性知识，只需要选择最基本的支持大概念和持久理解的基本知识即可，教学重点更加聚焦于具有迁移价值的大概念及其持久理解。下面分别阐述大概念、持久理解和基本知识的确定。

1.1.1确定学科大概念

什么是大概念呢？美国下一代科学教育标准对大概念（core ideas）是这样界定的：大概念是具有解释力的概念，可以帮助学习者认识自然界的各个重要方面，而且大概念可以为新知识的获取提供组织结构。确定大概念的标准为：对于多个学科来说都是非常重要的或者是某一学科的关键性原理;为理解和研究更为复杂的概念和解决问题提供重要工具;与学生的兴趣和生活经验相关，或者关系到社会和个人的需要利用科学或技术知识来理解的利害关系;在各个年级都可以进行不同水平的教与学，概念的深度和复杂度随着年级的增长也日趋增长。

我国《普通高中生物学课程标准（2017年版）》指出：大概念是处于学科中心位置、对学生学习具有引领作用的基础知识。在生物学课程中，大概念包括了对原理、理论等的理解和解释，是生物学科知识的主干部分。

对于一个学科而言，确定哪些概念是学科大概念并非易事。2014年的美国《AP化学课程与考试说明》首次提出了AP化学课程的6个化学大概念（见表1）。这6个大概念涉及了物质的组成与构成、结构与性质、物质的变化、化学反应速率、化学热力学、化学键和分子问作用力等知识内容。

但在2019年美国AP化学课程中，化学大概念变为了4个，分别为“尺度、比例和数量”“结构与性质”“转化”和“能量”（见表1）。不仅新增了“尺度、比例和数量”和“能量”两个大概念，而且2019年美国AP化学课程中“转化”大概念的含义也与2014年美国AP化学课程中的“物质的变化包括原子的重排以及电子的转移”以及“化学反应速率由分子如何碰撞所决定”两个大概念的含义有所不同。

在2019年美国AP化学课程中，一些与数量、尺度相关的知识被组织到“尺度、比例和数量”这一大概念下，而在2014年美国AP化学课程中这些知识分别统摄在物质的组成和构成、结构与性质等大概念下。2019年美国AP化学课程还把动力学、热力学等主题中与能量相关的知识关联到了“能量”这一大概念下。例如，动力学主题中有关催化剂的知识放在了大概念“能量”下，而反应速率和粒子碰撞的频率之间有关系等知识则放在了大概念“转化”下。

通过美国AP化学课程大概念的变化可知，一门课程的学科大概念不是固定不变的。相比于2014年美国AP化学课程所提出的6个大概念，2019年美国AP化学课程所选定的大概念更加概括，也更倾向于跨学科，是从定量、结构、转化和能量四个视角构建学科知识结构。这种变化意味着对定量研究意识的强调和希望学生具有更加横向贯通的知识结构。

1.1.2确定大概念为统领的重要概念

在美国AP化学课程中，确定了学科大概念后，进而确定出一些相关的重要概念，这些重要概念被称为“持久理解”（enduring understanding），相当于是从不同角度和不同层面对大概念的理解。以“尺度、比例和数量”这一化学学科大概念为例，该大概念下有5个持久理解，见表2。

由表2可见，大概念“尺度、比例和数量”的持久理解涉及物质的量、化学式、物质的溶解度、质量守恒定律、溶液pH等知识，指导学生建立定量化研究与表征化学的观念。

1.1.3确定支持大概念持久理解学习的基本知识

在每个持久理解下还有若干支持其学习与理解的基本知识（essential knowledge）。例如，支持表2中的持久理解“Ideal.1摩尔使不同的单位能够进行比较”的基本知识有以下5项，见表3。

对比表2和表3，可以看到相比于大概念的持久理解，基本知识则更加具体，比较贴近教科书上的具体知识要点，由这些基本知识支持学生理解更具统摄性的持久理解。例如，学生通过认识物质的量、摩尔、阿伏伽德罗常数、摩尔质量以及相对原子质量的含义等来理解摩尔使不同的单位能够进行比较。

1.2从学科知识结构到教学组织结构

虽然依据学科大概念组织的知识结构进行教学有利于学生构建基于学科大概念为联结的知识结构，但还要考虑知识的难度以及单一主题的持续学习对学生学习兴趣可能引起的负面影响。2019年美国AP化学课程设置了原子结构与性质、分子和离子化合物的结构与性质、分子问作用力与性质、化学反应、化学动力学、化学热力学、化学平衡、酸和碱、化学热力学应用9个教学单元（unit）。这9个教学单元的内部是这样组织的：

（1）一个教学单元一般包含7～14个教学主题（topic），每一个主题的教学聚焦于一个大概念的持久理解。图2为这九个教学单元的主题所聚焦的大概念的持久理解。

（2）在每一教学单元的每一主题的教学聚焦于1个大概念的持久理解的同时，每一大概念的持久理解一般是经历2～3个教学主题的教学。如图2所示，单元1中的大概念的持久理解“Ideal.1摩尔使不同的单位能够进行比较”分别是主题1和主题2教学所聚焦的核心。这样设计的目的是既保证每一教学主题的知识内容是以学科大概念为主线的，又保证给予大概念的持久理解以充足的学习时间，让学生能够基于不同主题情境来发展对学科大概念的深入理解。

（3）每一单元的各个主题所聚焦的大概念相对比较集中。如图2所示，单元2的7个主题都是围绕大概念2的持久理解，单元3中13个主题里有10个主题是围绕大概念2的持久理解而进行教学。

另一方面，并不是一个大概念的所有持久理解均安排在一个教学单元中，而是进行了一定的切割。例如，大概念2的10项持久理解分割在单元1、单元2、单元3和单元8的教学中，这样安排的目的是为了使一个单元的教学时间不至于过于冗长，防止引起学生的认知疲劳，或为了降低学生学习的认知难度。

从整体来看，美国AP化学课程的组织要素是学科大概念的持久理解，构建了由主题到主题以及由单元到单元的基于大概念持久理解而形成的连贯学习序列。沿着学习进程的推进，大概念的持久理解也随之逐渐发展。如图2所示，从单元1到单元3，大概念的持久理解从Idea2.1进展到Idea2.8，到第8单元，再发展到Idea2.10。

1.3基于大概念和科学实践双主线的课程设计

除学科知识内容外，美国AP化学课程的另一基本组成要素为科学实践。美国AP化学课程要求发展以下6项科学实践：（1）确定科学问题和探究方法;（2）描述模型或表征;（3）分析和解释模型;（4）创立表征或模型;（5）运用数学方法;（6）科学论证。

对于每一项科学实践，美国AP化学课程与考试说明中均给出了细化的能力要求。例如，对于确定科学问题和探究方法这一科学实践，美国AP化学课程提出了以下能力要求：1.1根据观察、数据或模型确定可测试的科学问题;1.2提出假设或预测实验结果;1.3确定针对探究问题的实验程序;1.4在实验中进行观察或收集数据，同时注意实验数据的精密度;1.5识别或描述实验误差的潜在来源;1.6解释对实验程序的修改将如何改变结果。

美国AP化学课程的每一单元的每一主题的教学除了聚焦于一项持久理解外，还会有一项需要着重培养的科学实践能力。在每一单元的起始，均有一张关于本单元主题教学所聚焦的持久理解和科学实践能力培养的明细表（见表4）。

由表4可见，第1教学单元的每一主题除了聚焦于一项大概念的持久理解外，还聚焦一项科学实践能力培养。这样设计的目的是让每一教学主题重点发展一项细化的科学实践能力，从而避免简单地教科学探究程序的问题。

如果我们把美国AP化学课程中6项科学实践在各个单元的培养分布制作一张图（见图3），可以看到每一单元涉及不同的科学实践，但每一科学实践会在不同单元教学中反复出现，这就使学生能够基于不同的教学内容和不同的学习情境来反复练习科学实践技能，实现科学实践能力的螺旋式发展。

综上所述，美国AP化学课程是基于大概念和科学实践双主线的连贯课程设计（见图4），这种课程设计在有利于学生构建以大概念为统领的学科知识结构的同时，系统发展其科学实践能力。

2对核心素养导向教学设计的启示

2.1整体把握基于大概念的课程内容体系

美国科学促进协会“2061”计划委员会指出：连贯性是高质量的教学标准、课程安排、教学指导和评价体系的基本要求。连贯的课程为学生创造了这样一种可能：随着学生在学校学习的进步，他们可以用更高的水准来理解概念，从而发展他们对周围世界的认知能力。以核心素养为导向的教学更是需要通过连贯性的教学来促进关键能力和学科核心素养循序渐进地发展。美国AP化学课程提供了一种基于学科大概念进行整体课程设计的样例，建议一线教师在分析我国国家课程标准基础上，从大概念视角对本学科知识的结构进行梳理，把握学科知识结构;据此结合学生认知基础整体规划各个学年的教学单元和主题，通过聚焦于大概念及其理解的连贯教学来避免浅显地覆盖大量的主题，使学生能够有充分的时间进行探究与深度学习，促进学生形成专家型的学科知识结构，发展综合思维能力和问题解决能力。

2.2通过系统化设计培养学科核心素养

依据普通高中化学课程标准（2017年版），化学学科核心素养包括“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”5个方面，涉及证据推理、科学探究等重要学科能力的培养。学科能力和学科核心素养都需要循序渐进地进行培养，短期和缺乏系统性的学科能力培养活动势必无法真正促进学生核心素养发展。例如，很多教师将科学探究的教学目标定为初步体验或掌握科学探究的基本过程与程序，探究能力培养的教学成了教“探究流程”的教学，学生没有时问与机会进行深入的探究、思考、体验与发现，因而学生的实际获得较少。我们知道，即便学生掌握了科学探究的一般程序，但这并不意味他们具有诸如开发或使用多种类型的模型来预测现象、说明机理等进行真正科学探究所需要的能力，因此为学生提供真正的发展其科学探究能力的锻炼机会，有计划、有目的地培养其科学实践能力就变得十分必要。

美国AP化学课程在系统化设计科学实践能力培养方面的三项做法值得参考：首先是细化科学实践能力发展要求;第二是每一主题的教学聚焦于一项科学实践能力的培养，从而避免简单地教科学探究程序的问题;第三是设计科学实践能力的培养规划，即虽然每一主题仅聚焦一项科学实践能力培养，但会规划在不同单元教学中来逐步培养这一科学实践能力，使学生基于不同的教学内容和不同的学习情境来反复练习这些科学实践技能，实现科学实践能力的螺旋式发展。

2.3以发展的眼光看学科大概念

如前所述，2014年美国AP化学课程确定的是6个学科大概念，而2019年的美国AP化学课程的学科大概念修改为4个。相比于2014年美国AP化学课程所提出的6个大概念，2019年美国AP化学课程所选定的大概念更加概括，也更倾向于跨学科，是从定量、结构、转化和能量四个视角构建学科知識结构。美国AP化学课程的学科大概念的变化启示我们，学科大概念的确定以及相应的课程内容的组织是学科课程专家对学科课程内容以及学科教育期望研究的结果，并非一成不变。我们要以发展的眼光看学科大概念以及相应的知识体系，并通过对学科知识结构和学科课程培养目标的深入理解来不断审慎地优化学科大概念，确定有利于培养学生学科核心素养的大概念知识体系。