科学教育与儿童科学学习进程

科学教育与儿童科学学习进程周建中周建中教育部儿童发展与学习科学重点实验室（东南大学）教育部儿童发展与学习科学重点实验室（东南大学）中国科协中国科协“做中学做中学”科学教育改革实验项目教学中心（东南大学）科学教育改革实验项目教学中心（东南大学）江苏汉博教育培训中心江苏汉博教育培训中心2011-09-07 南京南京提 纲学习进程的概念学习进程的概念学习进程的关键特征学习进程的关键特征学习进程的研究意义学习进程的研究意义一个学习进程的案例一个学习进程的案例原子原子-分子理论的学习进程分子理论的学习进程成熟的科学知识多样而复杂，科学学习依赖于系统的知识建构与评成熟的科学知识多样而复杂，科学学习依赖于系统的知识建构与评价实践，这些知识和实践与儿童带入学校的概念和意义建构经验是不同价实践，这些知识和实践与儿童带入学校的概念和意义建构经验是不同的。虽然儿童将丰富的知识与经验带到科学学习任务中，但这些知识与的。虽然儿童将丰富的知识与经验带到科学学习任务中，但这些知识与经验仍有待于重构、充实和转化。经验仍有待于重构、充实和转化。所以，对教育者而言，科学教育颇具挑战性。挑战之一是分析出在所以，对教育者而言，科学教育颇具挑战性。挑战之一是分析出在时间和资源都有限的条件下，最需要教的是什么时间和资源都有限的条件下，最需要教的是什么最重要的最重要的“核心概核心概念念”有哪些？这些核心概念既应当使学生理解科学的价值，又应当为他有哪些？这些核心概念既应当使学生理解科学的价值，又应当为他们未来的科学学习做好准备。另一个挑战是找到在学习的基点和终点之们未来的科学学习做好准备。另一个挑战是找到在学习的基点和终点之间搭建桥梁的途径间搭建桥梁的途径这就是学习进程。这就是学习进程。学习进程的概念学习进程的概念许多学者描述了学习进程的定义：许多学者描述了学习进程的定义：学习进程是一幅纵向的发展路线图，提供对典型技能和知识的学习学习进程是一幅纵向的发展路线图，提供对典型技能和知识的学习序列的描述。学生按照这个路线图，在某一领域中逐渐进步。序列的描述。学生按照这个路线图，在某一领域中逐渐进步。学习进程以论述或者举例的方式，描述儿童在学习过程中对某一概学习进程以论述或者举例的方式，描述儿童在学习过程中对某一概念的逐步完善的理解。念的逐步完善的理解。学习进程是详细的、依次排列的建构模块，由技能和有效的知识组学习进程是详细的、依次排列的建构模块，由技能和有效的知识组成。学生必须掌握这些模块，才能向着更远的课程目标前进。成。学生必须掌握这些模块，才能向着更远的课程目标前进。学习进程基于多项研究和对概念的分析，描述在一个内容领域中学学习进程基于多项研究和对概念的分析，描述在一个内容领域中学生应当学习的连续的、逐步深入的推理方式。生应当学习的连续的、逐步深入的推理方式。学习进程的概念美国国家研究理事会（美国国家研究理事会（National Research Council,NRC）编写的）编写的Taking Science to School:Learning and Teaching Science in Grades K-8 一一书将学习进程阐述为：书将学习进程阐述为：儿童逐级深入地学习和研究某个主题的一系列步骤。这些步骤相互儿童逐级深入地学习和研究某个主题的一系列步骤。这些步骤相互衔接，循序渐进，完成所有步骤需要很长时间（例如衔接，循序渐进，完成所有步骤需要很长时间（例如6-8年）。年）。学习进程在我国的研究尚未有实质性的进展，在国外的研究也并不学习进程在我国的研究尚未有实质性的进展，在国外的研究也并不详尽。美国国家研究理事会的这一概念得到了大多数学者的认同。详尽。美国国家研究理事会的这一概念得到了大多数学者的认同。学习进程的关键特征 有科学的依据。有科学的依据。围绕核心概念，发展知识体系。围绕核心概念，发展知识体系。着眼于建构知识的实践。着眼于建构知识的实践。关注学生对认知方法的理解。关注学生对认知方法的理解。描述学生理解一个主题所需经历的过程，反映科学能力的各个方面描述学生理解一个主题所需经历的过程，反映科学能力的各个方面及其联系，以及各学习步骤间的联系。及其联系，以及各学习步骤间的联系。提供评测方法，以确认学生在学习进程中达到的水平。提供评测方法，以确认学生在学习进程中达到的水平。十分依赖教师的教学。十分依赖教师的教学。需要实践的检验。需要实践的检验。学习进程的关键特征特征一：有科学的依据特征一：有科学的依据学生入学时所具有的知识和推理能力学生入学时所具有的知识和推理能力 学生应当学习的知识（核心概念）和实践学生应当学习的知识（核心概念）和实践关于学生学习与发展的研究和教学实践关于学生学习与发展的研究和教学实践科学能力的各个方面科学能力的各个方面了解、使用和阐述对自然界的科学性解释了解、使用和阐述对自然界的科学性解释产生、评估科学证据和解释产生、评估科学证据和解释理解科学知识的本质和发展理解科学知识的本质和发展积极参与科学实践和对科学的讨论积极参与科学实践和对科学的讨论学习进程的关键特征特征一：有科学的依据特征一：有科学的依据科学能力的各个方面科学能力的各个方面学习进程的关键特征学习进程应尽可能地反映儿童科学能力的各个方面，并关注各种能学习进程应尽可能地反映儿童科学能力的各个方面，并关注各种能力之间的联系。力之间的联系。科学能力的各个方面科学能力的各个方面特征一：有科学的依据特征一：有科学的依据学习进程的关键特征核心概念是现代科学的主要理论架构，而不是被当前的一些科学课核心概念是现代科学的主要理论架构，而不是被当前的一些科学课程看重的系统、交互作用、模型和度量等非常抽象的或各领域通用的概程看重的系统、交互作用、模型和度量等非常抽象的或各领域通用的概念。人们正逐渐认识到，具体的内容和背景对思考和学习具有重要作用。念。人们正逐渐认识到，具体的内容和背景对思考和学习具有重要作用。在确定核心概念的同时，学习进程也应找出一些用于建构核心概念在确定核心概念的同时，学习进程也应找出一些用于建构核心概念的分解概念，相对于科学理论本身，它们在教育的起始阶段更易被接受，的分解概念，相对于科学理论本身，它们在教育的起始阶段更易被接受，为组织儿童学习新事实、探究和解释提供可靠的知识框架。为组织儿童学习新事实、探究和解释提供可靠的知识框架。特征二：围绕核心概念，发展知识体系特征二：围绕核心概念，发展知识体系学习进程的关键特征例如，关于进化论的学习进程包括以下分解概念：例如，关于进化论的学习进程包括以下分解概念：（a）生物多样性：地球上存在着不同种类的生物；）生物多样性：地球上存在着不同种类的生物；（b）结构）结构/功能：生物有执行重要生物功能的结构；功能：生物有执行重要生物功能的结构；（c）生态）生态/相互关系：生物占据一个栖息地，并与栖息地中的其他事相互关系：生物占据一个栖息地，并与栖息地中的其他事物相互影响（例如捕食者和被捕食者的关系）；物相互影响（例如捕食者和被捕食者的关系）；（d）变异：一个物种中的个体的性状会发生变化；）变异：一个物种中的个体的性状会发生变化；（e）生物在不同时间和生态尺度上发生着变化（例如，成长是个体）生物在不同时间和生态尺度上发生着变化（例如，成长是个体在生命周期中的变化；经过多个世代，种群的特征可能也会发生变化）；在生命周期中的变化；经过多个世代，种群的特征可能也会发生变化）；（f）地质过程：地球随时间而发生着规律的变化（例如，山的形成、）地质过程：地球随时间而发生着规律的变化（例如，山的形成、沉积物的分层、火山爆发；化石为地球的历史提供线索）。沉积物的分层、火山爆发；化石为地球的历史提供线索）。特征二：围绕核心概念，发展知识体系特征二：围绕核心概念，发展知识体系学习进程的关键特征理解一个概念需要借助许多有助于使用和发展这一概念的实践，让理解一个概念需要借助许多有助于使用和发展这一概念的实践，让学生在各种实践中实现理解。学生在各种实践中实现理解。实践的种类繁多，包括：应用概念提出问题、预测、设计研究方案、实践的种类繁多，包括：应用概念提出问题、预测、设计研究方案、描述、分类、识别、测量描述、分类、识别、测量/比较、解释、收集数据、用各种方式呈现（符比较、解释、收集数据、用各种方式呈现（符号化）概念和数据、推理、评估概念号化）概念和数据、推理、评估概念/论证、在新情境中应用关键概念。论证、在新情境中应用关键概念。学习进程应描述学生各个阶段所需的实践。学习进程应描述学生各个阶段所需的实践。这些实践必须以一定概念为目标。这些实践必须以一定概念为目标。特征三：着眼于建构知识的实践特征三：着眼于建构知识的实践学习进程的关键特征对核心科学概念的理解也包括理解概念的认知方法。即使是幼儿也对核心科学概念的理解也包括理解概念的认知方法。即使是幼儿也拥有一些能作为科学学习之基础的初步的认知策略，随着学习的深入，拥有一些能作为科学学习之基础的初步的认知策略，随着学习的深入，这些策略可以被充实和改进。因此，学习进程的基本概念除了包括具体这些策略可以被充实和改进。因此，学习进程的基本概念除了包括具体领域的科学概念外，也包括基本的认知方法。领域的科学概念外，也包括基本的认知方法。当前的研究发现，儿童具有反映元认知的能力：他们不仅会问自己当前的研究发现，儿童具有反映元认知的能力：他们不仅会问自己“我知道什么我知道什么”或者或者“我应该做什么我应该做什么”，也会问，也会问“我怎样才能知我怎样才能知道道”“”“为什么应该这样做为什么应该这样做”。将重要的基本认知法包含在学习进程内，。将重要的基本认知法包含在学习进程内，正是与这样的研究结果相符的。正是与这样的研究结果相符的。越来越多的证据表明，如果儿童清楚地理解某种做法的意义，将十越来越多的证据表明，如果儿童清楚地理解某种做法的意义，将十分有利于灵活和自主地运用这种做法。分有利于灵活和自主地运用这种做法。特征四：关注学生对认知方法的理解特征四：关注学生对认知方法的理解学习进程的关键特征与课程标准相比，学习进程是纵向的、连贯的，它强调学习步骤之与课程标准相比，学习进程是纵向的、连贯的，它强调学习步骤之间的递进关系，而并不需要具体规定各个年级要达到的目标。同时，学间的递进关系，而并不需要具体规定各个年级要达到的目标。同时，学习进程应描述科学能力的各个方面之间是如何相互联系和促进的。习进程应描述科学能力的各个方面之间是如何相互联系和促进的。相反，许多分年级的课程标准则是横向的，它囊括所有的学习领域，相反，许多分年级的课程标准则是横向的，它囊括所有的学习领域，将各领域的学习内容将各领域的学习内容“塞进塞进”某个年级中。某个年级中。划分年级并不是学习进程必需的。学习进程的基本功能是描述学生划分年级并不是学习进程必需的。学习进程的基本功能是描述学生的发展。相同年级的学生可能处于学习进程的不同阶段，但他们的发展的发展。相同年级的学生可能处于学习进程的不同阶段，但他们的发展经过是一样的。有些学习进程根据对儿童学习的研究划分了年级，这样经过是一样的。有些学习进程根据对儿童学习的研究划分了年级，这样也许对课标、课程和教学有更好的指导。也许对课标、课程和教学有更好的指导。特征五：描述学生理解一个主题所需经历的过程，特征五：描述学生理解一个主题所需经历的过程，反映科学能力的各方面间的联系、各学习步骤间的联系反映科学能力的各方面间的联系、各学习步骤间的联系学习进程的关键特征评测是学习进程的一个必需的部分。识别学生达到了进程的哪一个评测是学习进程的一个必需的部分。识别学生达到了进程的哪一个水平，是评测所应发挥的作用。进程的开发者应具体描述一些学习成效水平，是评测所应发挥的作用。进程的开发者应具体描述一些学习成效的指标，以说明学生的想法、理解和能进行的实践。的指标，以说明学生的想法、理解和能进行的实践。学习进程中的评价是形成性评价，为了判断学生的水平，以确定下学习进程中的评价是形成性评价，为了判断学生的水平，以确定下一步的教学内容，而不是为了辨别学生之间的差异。一步的教学内容，而不是为了辨别学生之间的差异。特征六：提供评测方法，以确认学生在学习进程中达到的水平特征六：提供评测方法，以确认学生在学习进程中达到的水平学习进程的关键特征学习进程不是自发往前推进的，需要教师采用进行合适的教学。所学习进程不是自发往前推进的，需要教师采用进行合适的教学。所以，学习进程的制定者应当说明各阶段的教学策略。以，学习进程的制定者应当说明各阶段的教学策略。特征七：十分依赖教师的教学特征七：十分依赖教师的教学学习进程的关键特征学习进程制定好之后，它仍有待实践的检验，需要证实大多数学生学习进程制定好之后，它仍有待实践的检验，需要证实大多数学生确实通过预设的途径发展了科学能力。确实通过预设的途径发展了科学能力。特征八：需要实践的检验特征八：需要实践的检验学习进程的研究意义学习进程是儿童学习的固有需求学习进程是儿童学习的固有需求目前的课程标准不能为设计有效的课程序列提供足够的基础目前的课程标准不能为设计有效的课程序列提供足够的基础“过程技能过程技能”的观念对课程设计产生着负面影响的观念对课程设计产生着负面影响课程设计和实践中出现了问题课程设计和实践中出现了问题学习进程对课标、课程设计、教学、评价与评测等许多环节都有指学习进程对课标、课程设计、教学、评价与评测等许多环节都有指导意义和促进作用。导意义和促进作用。成熟的科学知识和实践与儿童带入学校的概念和意义建构经验不同。成熟的科学知识和实践与儿童带入学校的概念和意义建构经验不同。儿童已有的知识与经验需要重构、充实和转化。儿童已有的知识与经验需要重构、充实和转化。所以，科学教育需要分析最需要教的所以，科学教育需要分析最需要教的“核心概念核心概念”，需要找到在学，需要找到在学习的基点和终点之间搭建桥梁的学习进程。习的基点和终点之间搭建桥梁的学习进程。学习终点是复杂而与有悖于直觉的，这样的学习必然需要经历很长学习终点是复杂而与有悖于直觉的，这样的学习必然需要经历很长时间。然而目前的课程往往不具有这种长期性；面对丰富的科学知识，时间。然而目前的课程往往不具有这种长期性；面对丰富的科学知识，在什么是真正基础和重要的教学内容上也没有达成明确的共识。在什么是真正基础和重要的教学内容上也没有达成明确的共识。学习进程的研究意义学习进程是儿童学习的固有需求学习进程是儿童学习的固有需求目前的标准更多地以编写者的价值观和个人经验为依据，而非基于目前的标准更多地以编写者的价值观和个人经验为依据，而非基于对儿童学习的研究或对科学知识与实践的细致分析；包含了太多缺乏联对儿童学习的研究或对科学知识与实践的细致分析；包含了太多缺乏联系、不分次序的主题，没有指出哪些主题可能是最核心或最重要的；相系、不分次序的主题，没有指出哪些主题可能是最核心或最重要的；相同主题重复出现，深度不足；仅通过简单的陈述提出关键概念，却没有同主题重复出现，深度不足；仅通过简单的陈述提出关键概念，却没有阐明理解那些概念需要基于对物质世界的哪些探索和推理。阐明理解那些概念需要基于对物质世界的哪些探索和推理。国家科学教育标准国家科学教育标准（National Science Education Standards）或）或科学素养的基准科学素养的基准（Benchmarks for Science Literacy）等标准确实减）等标准确实减少了科学主题的数量，但是它们保留的主题仍然偏多，并且没有识别出少了科学主题的数量，但是它们保留的主题仍然偏多，并且没有识别出最核心或最重要的主题。最核心或最重要的主题。学习进程的研究意义目前的课程标准不能为设计有效的课程序列提供足够的基础目前的课程标准不能为设计有效的课程序列提供足够的基础目前的标准很少提出跨年级的学习序列；或者没有依据关于儿童理目前的标准很少提出跨年级的学习序列；或者没有依据关于儿童理解力发展的研究来安排学习序列，而主要以各学科的知识结构作为分析解力发展的研究来安排学习序列，而主要以各学科的知识结构作为分析的基础。的基础。我们建议对儿童学习和前概念的研究应当更加深入地指导学习序列。我们建议对儿童学习和前概念的研究应当更加深入地指导学习序列。目前的标准未清晰地阐明如何将学生的科学实践与对科学概念的学目前的标准未清晰地阐明如何将学生的科学实践与对科学概念的学习结合在一起。科学能力的各个方面是被分别阐述的，所以儿童在一方习结合在一起。科学能力的各个方面是被分别阐述的，所以儿童在一方面的进步如何联系并支持其他方面并未被说明。面的进步如何联系并支持其他方面并未被说明。学习进程的研究意义目前的课程标准不能为设计有效的课程序列提供足够的基础目前的课程标准不能为设计有效的课程序列提供足够的基础在心理学家加涅关于科学和学习过程的任务分析理论的影响下，在心理学家加涅关于科学和学习过程的任务分析理论的影响下，20世纪世纪60年代的年代的Science:A Process Approach 课程推荐了一系列课程推荐了一系列“过程技能过程技能”（process skills），至今仍影响着科学教育界。），至今仍影响着科学教育界。这种观念更多地基于理性的任务分析，而非基于有关儿童如何理解这种观念更多地基于理性的任务分析，而非基于有关儿童如何理解科学概念的研究成果；着眼于培养普遍适用于众多对象的过程能力，而科学概念的研究成果；着眼于培养普遍适用于众多对象的过程能力，而不能帮助儿童建构相互联系的科学概念不能帮助儿童建构相互联系的科学概念例如，儿童练习观察或测量，例如，儿童练习观察或测量，却不关心他们观察或测量的是什么。却不关心他们观察或测量的是什么。学习进程的研究意义“过程技能过程技能”的观念对课程设计产生着负面影响的观念对课程设计产生着负面影响“过程技能过程技能”理论对于教师和课程开发者具有吸引力，因为它将复杂理论对于教师和课程开发者具有吸引力，因为它将复杂的任务分解成简单的元素，归纳出许多按照一定顺序发展且构成科学思的任务分解成简单的元素，归纳出许多按照一定顺序发展且构成科学思维基础的基本过程技能，并且提供了让儿童实践这些技能的具体练习。维基础的基本过程技能，并且提供了让儿童实践这些技能的具体练习。但是，它忽视了意义、内容和背景的关键作用，并且将科学视作一系列但是，它忽视了意义、内容和背景的关键作用，并且将科学视作一系列空洞的空洞的“技能技能”，因而这些技能往往成为无意义的程序。，因而这些技能往往成为无意义的程序。“过程技能过程技能”理论以一些关于儿童推理和学习能力的错误假设作为理论以一些关于儿童推理和学习能力的错误假设作为基础基础例如幼儿只能进行具体思维而不能进行抽象思维、儿童只有观例如幼儿只能进行具体思维而不能进行抽象思维、儿童只有观察能力而没有解释能力。察能力而没有解释能力。学习进程的研究意义“过程技能过程技能”的观念对课程设计产生着负面影响的观念对课程设计产生着负面影响在这一理论的指导下，小学低年级只关心观察、测量、预测等一小在这一理论的指导下，小学低年级只关心观察、测量、预测等一小部分科学过程技能，较多的高级技能（例如假设、控制变量、解释数据）部分科学过程技能，较多的高级技能（例如假设、控制变量、解释数据）仅在小学高年级和中学被引入，其他许多重要的科学理解活动（建模、仅在小学高年级和中学被引入，其他许多重要的科学理解活动（建模、表征、论述等）则被完全忽视了。表征、论述等）则被完全忽视了。当前对科学教育的研究强调了具体领域的知识和推理，建模、表征当前对科学教育的研究强调了具体领域的知识和推理，建模、表征和论述在促进概念理解中的重要性，以及幼儿所具有的广泛的能力。加和论述在促进概念理解中的重要性，以及幼儿所具有的广泛的能力。加涅最初将科学作为一些无内容的过程的想法已经遭到了科学教育者的普涅最初将科学作为一些无内容的过程的想法已经遭到了科学教育者的普遍反对。但是，目前的政策和实践仍患有它所引发的顽固后遗症。许多遍反对。但是，目前的政策和实践仍患有它所引发的顽固后遗症。许多课本和课程依旧包含有关科学探究、科学过程或科学方法的独立章节。课本和课程依旧包含有关科学探究、科学过程或科学方法的独立章节。学习进程的研究意义“过程技能过程技能”的观念对课程设计产生着负面影响的观念对课程设计产生着负面影响目前的课程缺乏长期性和递进关系。目前的课程缺乏长期性和递进关系。科学知识和实践区别于儿童带入学校的概念和意义建构经验。所以科学知识和实践区别于儿童带入学校的概念和意义建构经验。所以对于儿童来说，科学学习的终点是复杂而与直觉相冲突的，这样的学习对于儿童来说，科学学习的终点是复杂而与直觉相冲突的，这样的学习必然要经过很长的时间和努力。然而，目前的课程往往并没有这种长期必然要经过很长的时间和努力。然而，目前的课程往往并没有这种长期的视角和态度。短暂的、缺乏全面考虑的教学很难帮助学生形成科学的的视角和态度。短暂的、缺乏全面考虑的教学很难帮助学生形成科学的认识论、深入且结构良好的知识储备，以及对于科学的目标和方法的牢认识论、深入且结构良好的知识储备，以及对于科学的目标和方法的牢固理解。固理解。学习进程的研究意义课程设计和实践中出现了问题课程设计和实践中出现了问题当前美国当前美国K-8年级科学课程的序列年级科学课程的序列几乎不是递进地设置的，也不几乎不是递进地设置的，也不是从学生已有知识和经验出发、指向科学能力发展的。虽然有一些课程是从学生已有知识和经验出发、指向科学能力发展的。虽然有一些课程材料试图遵循这种方法，但它们往往仅包含有限的一点内容，它们持续材料试图遵循这种方法，但它们往往仅包含有限的一点内容，它们持续的课时也通常限于几个星期之内。的课时也通常限于几个星期之内。对美国科学课程的分析表明，它们基本上不能实现有效的知识建构。对美国科学课程的分析表明，它们基本上不能实现有效的知识建构。由美国科学促进协会（由美国科学促进协会（American Association for the Advancement of Science,AAAS）2061计划工作组领衔开展的评估表明，美国主流商业教计划工作组领衔开展的评估表明，美国主流商业教材系列的确至少在学习序列方面采取了长期的视角，但它们在内容和对材系列的确至少在学习序列方面采取了长期的视角，但它们在内容和对学生前概念的关注等方面存在着严重的缺陷。学生前概念的关注等方面存在着严重的缺陷。学习进程的研究意义课程设计和实践中出现了问题课程设计和实践中出现了问题目前的课程中的教学内容目前的课程中的教学内容“宽而浅宽而浅”，没有围绕大概念系统地展开。，没有围绕大概念系统地展开。教材涵盖太多主题，却没有一个主题开发得足够深。同时，教材中的课教材涵盖太多主题，却没有一个主题开发得足够深。同时，教材中的课堂活动既与学习关键科学概念无关，也不能帮助学生将他们的实践与实堂活动既与学习关键科学概念无关，也不能帮助学生将他们的实践与实践背后的概念联系起来。践背后的概念联系起来。学习进程的研究意义课程设计和实践中出现了问题课程设计和实践中出现了问题一项对美国科学课程与在国际数学和科学学习趋势（一项对美国科学课程与在国际数学和科学学习趋势（the Trends in International Mathematics and Science Study）中科学成绩测试最好的）中科学成绩测试最好的10个国家的课程进行的比较发现，美国的科学课程明显宽而浅，所涉及的个国家的课程进行的比较发现，美国的科学课程明显宽而浅，所涉及的主题很多，却几乎没有关注概念之间的联系。主题很多，却几乎没有关注概念之间的联系。“这些课本中的内容的宽这些课本中的内容的宽度是以牺牲深度为代价的。因此，对于每个主题，美国的教材只能敷衍度是以牺牲深度为代价的。因此，对于每个主题，美国的教材只能敷衍了事了事”。教材和教师按照州和地方提供的主题清单上的条目一条一条地、。教材和教师按照州和地方提供的主题清单上的条目一条一条地、机械地工作机械地工作很少考虑甚至不考虑建立不同主题之间的联系。这就使很少考虑甚至不考虑建立不同主题之间的联系。这就使学生误以为他们学习的概念是杂乱零散的，而不是在一个完整的学科框学生误以为他们学习的概念是杂乱零散的，而不是在一个完整的学科框架内。架内。学习进程的研究意义课程设计和实践中出现了问题课程设计和实践中出现了问题在美国各学区的科学课程中，科学在美国各学区的科学课程中，科学“套件套件”（science kits）越来越流）越来越流行。一组行。一组“套件套件”可以满足学生可以满足学生6或或8周的学习，有时还能提供连贯且符周的学习，有时还能提供连贯且符合逻辑发展的学习活动。虽然套件至少在单元的层面上为科学课程增加合逻辑发展的学习活动。虽然套件至少在单元的层面上为科学课程增加了一些连贯性，但基于套件的科学教学模式仍然存在问题：许多时候，了一些连贯性，但基于套件的科学教学模式仍然存在问题：许多时候，学生面对的是模块化单元所提供的一批毫无联系的课题。这些课题基本学生面对的是模块化单元所提供的一批毫无联系的课题。这些课题基本上可以互换位置且不具有累积性，知识不够的教师很可能会跳过那些太上可以互换位置且不具有累积性，知识不够的教师很可能会跳过那些太不熟悉的课题。不熟悉的课题。将许多科学知识片段教给学生是远远不够的。将课程作为一种脚手将许多科学知识片段教给学生是远远不够的。将课程作为一种脚手架，帮助学生建构围绕核心概念的、结构化的牢固的知识体系，在学生架，帮助学生建构围绕核心概念的、结构化的牢固的知识体系，在学生的科学能力的培养中起着关键的支持作用。的科学能力的培养中起着关键的支持作用。学习进程的研究意义课程设计和实践中出现了问题课程设计和实践中出现了问题案例：一个原子-分子理论的学习进程1965年诺贝尔物理奖得主，美国物理学家理查德年诺贝尔物理奖得主，美国物理学家理查德费曼有一个著名的费曼有一个著名的言论：如果，在某次大灾难里，所有的科学知识都要被毁灭，只有一句言论：如果，在某次大灾难里，所有的科学知识都要被毁灭，只有一句话可以留存给新世代的生物，哪句话可以用最少的字包含最多的信息呢？话可以留存给新世代的生物，哪句话可以用最少的字包含最多的信息呢？我相信那会是原子假说：构成万物的是原子我相信那会是原子假说：构成万物的是原子一种永恒转动的微粒，一种永恒转动的微粒，一旦相距较远就相互吸引，挤在一起时却相互排斥。一旦相距较远就相互吸引，挤在一起时却相互排斥。原子原子-分子理论是解释力广泛而强大的核心概念。分子理论是解释力广泛而强大的核心概念。案例：一个原子-分子理论的学习进程原子原子-分子分子理论可以解理论可以解释的问题释的问题第一组大概念第一组大概念第二组大概念第二组大概念编编号号概念概念编编号号概念概念物体是由什物体是由什么组成的？么组成的？我们怎样解我们怎样解释它们的性释它们的性质？质？1 1【物质和材料物质和材料】物体由物质组成，物质物体由物质组成，物质表现为各种不同的材料。表现为各种不同的材料。物体的性质取决于所含物体的性质取决于所含物质的多少和组成物体物质的多少和组成物体的材料种类，可以进行的材料种类，可以进行测量。测量。1 1A AM M【从原子从原子-分子水平上理解物质和材料分子水平上理解物质和材料】地球上的所有物质都是由有限种类的原子（目前发现了略超地球上的所有物质都是由有限种类的原子（目前发现了略超过过100100种）组成的。原子一般会结合在一起，构成分子或网种）组成的。原子一般会结合在一起，构成分子或网状结构。每个原子都占据空间，具有质量，并且永不停息地状结构。每个原子都占据空间，具有质量，并且永不停息地运动。组成物体和材料的原子与分子的性质、排列和运动决运动。组成物体和材料的原子与分子的性质、排列和运动决定了物体的质量、重量和体积，以及材料的性质。定了物体的质量、重量和体积，以及材料的性质。物体发生转物体发生转化时，改变化时，改变的是什么，的是什么，不变的是什不变的是什么？么？2 2【物质和材料的守恒与物质和材料的守恒与转化转化】在物理和化学过程中，在物理和化学过程中，物质可以被转化，但不物质可以被转化，但不可能产生或消失。可能产生或消失。2 2A AM M【从原子从原子-分子水平上解释守恒和转化分子水平上解释守恒和转化】物理和化学变化中质量和重量的守恒是由于既没有新原子产物理和化学变化中质量和重量的守恒是由于既没有新原子产生，也没有旧原子消失。化学变化中产生新物质是由于原子生，也没有旧原子消失。化学变化中产生新物质是由于原子重新排列为新的分子。原子本身并没有变化。在物理变化中，重新排列为新的分子。原子本身并没有变化。在物理变化中，分子改变了排列或运动，但其本身并未变化，所以化学成分分子改变了排列或运动，但其本身并未变化，所以化学成分保持不变。保持不变。我们如何知我们如何知道这些？道这些？3 3【认识世界的方法认识世界的方法】我们可以通过测量、建我们可以通过测量、建模和论证认识世界。模和论证认识世界。3 3A AM M【原子原子-分子理论的认知方法分子理论的认知方法】原子太小了，以至于无法直接使用教室里的工具观察。原子原子太小了，以至于无法直接使用教室里的工具观察。原子和分子的性质与变化能解释相关的宏观性质和现象。我们通和分子的性质与变化能解释相关的宏观性质和现象。我们通过假设过假设-演绎推理法间接地认识原子和分子的性质。演绎推理法间接地认识原子和分子的性质。概念（科学概念、认知方法）结构概念（科学概念、认知方法）结构案例：一个原子-分子理论的学习进程原子原子-分子分子理论可以解理论可以解释的问题释的问题第一组大概念第一组大概念第二组大概念第二组大概念编编号号概念概念编编号号概念概念物体是由什物体是由什么组成的？么组成的？我们怎样解我们怎样解释它们的性释它们的性质？质？1 1【物质和材料物质和材料】物体由物质组成，物质物体由物质组成，物质表现为各种不同的材料。表现为各种不同的材料。物体的性质取决于所含物体的性质取决于所含物质的多少和组成物体物质的多少和组成物体的材料种类，可以进行的材料种类，可以进行测量。测量。1 1A AM M【从原子从原子-分子水平上理解物质和材料分子水平上理解物质和材料】地球上的所有物质都是由有限种类的原子（目前发现了略超地球上的所有物质都是由有限种类的原子（目前发现了略超过过100100种）组成的。原子一般会结合在一起，构成分子或网种）组成的。原子一般会结合在一起，构成分子或网状结构。每个原子都占据空间，具有质量，并且永不停息地状结构。每个原子都占据空间，具有质量，并且永不停息地运动。组成物体和材料的原子与分子的性质、排列和运动决运动。组成物体和材料的原子与分子的性质、排列和运动决定了物体的质量、重量和体积，以及材料的性质。定了物体的质量、重量和体积，以及材料的性质。物体发生转物体发生转化时，改变化时，改变的是什么，的是什么，不变的是什不变的是什么？么？2 2【物质和材料的守恒与物质和材料的守恒与转化转化】在物理和化学过程中，在物理和化学过程中，物质可以被转化，但不物质可以被转化，但不可能产生或消失。可能产生或消失。2 2A AM M【从原子从原子-分子水平上解释守恒和转化分子水平上解释守恒和转化】物理和化学变化中质量和重量的守恒是由于既没有新原子产物理和化学变化中质量和重量的守恒是由于既没有新原子产生，也没有旧原子消失。化学变化中产生新物质是由于原子生，也没有旧原子消失。化学变化中产生新物质是由于原子重新排列为新的分子。原子本身并没有变化。在物理变化中，重新排列为新的分子。原子本身并没有变化。在物理变化中，分子改变了排列或运动，但其本身并未变化，所以化学成分分子改变了排列或运动，但其本身并未变化，所以化学成分保持不变。保持不变。我们如何知我们如何知道这些？道这些？3 3【认识世界的方法认识世界的方法】我们可以通过测量、建我们可以通过测量、建模和论证认识世界。模和论证认识世界。3 3A AM M【原子原子-分子理论的认知方法分子理论的认知方法】原子太小了，以至于无法直接使用教室里的工具观察。原子原子太小了，以至于无法直接使用教室里的工具观察。原子和分子的性质与变化能解释相关的宏观性质和现象。我们通和分子的性质与变化能解释相关的宏观性质和现象。我们通过假设过假设-演绎推理法间接地认识原子和分子的性质。演绎推理法间接地认识原子和分子的性质。概念（科学概念、认知方法）结构概念（科学概念、认知方法）结构 物体是由什么组成的？我们怎样解释它们的性质？物体是由什么组成的？我们怎样解释它们的性质？物体发生转化时，改变的是什么，不变的是什么？物体发生转化时，改变的是什么，不变的是什么？我们如何知道这些？我们如何知道这些？原子原子-分子理论可以分子理论可以解释的三个问题解释的三个问题案例：一个原子-分子理论的学习进程原子原子-分子分子理论可以解理论可以解释的问题释的问题第一组大概念第一组大概念第二组大概念第二组大概念编编号号概念概念编编号号概念概念物体是由什物体是由什么组成的？么组成的？我们怎样解我们怎样解释它们的性释它们的性质？质？1 1【物质和材料物质和材料】物体由物质组成，物质物体由物质组成，物质表现为各种不同的材料。表现为各种不同的材料。物体的性质取决于所含物体的性质取决于所含物质的多少和组成物体物质的多少和组成物体的材料种类，可以进行的材料种类，可以进行测量。测量。1 1A AM M【从原子从原子-分子水平上理解物质和材料分子水平上理解物质和材料】地球上的所有物质都是由有限种类的原子（目前发现了略超地球上的所有物质都是由有限种类的原子（目前发现了略超过过100100种）组成的。原子一般会结合在一起，构成分子或网种）组成的。原子一般会结合在一起，构成分子或网状结构。每个原子都占据空间，具有质量，并且永不停息地状结构。每个原子都占据空间，具有质量，并且永不停息地运动。组成物体和材料的原子与分子的性质、排列和运动决运动。组成物体和材料的原子与分子的性质、排列和运动决定了物体的质量、重量和体积，以及材料的性质。定了物体的质量、重量和体积，以及材料的性质。物体发生转物体发生转化时，改变化时，改变的是什么，的是什么，不变的是什不变的是什么？么？2 2【物质和材料的守恒与物质和材料的守恒与转化转化】在物理和化学过程中，在物理和化学过程中，物质可以被转化，但不物质可以被转化，但不可能产生或消失。可能产生或消失。2 2A AM M【从原子从原子-分子水平上解释守恒和转化分子水平上解释守恒和转化】物理和化学变化中质量和重量的守恒是由于既没有新原子产物理和化学变化中质量和重量的守恒是由于既没有新原子产生，也没有旧原子消失。化学变化中产生新物质是由于原子生，也没有旧原子消失。化学变化中产生新物质是由于原子重新排列为新的分子。原子本身并没有变化。在物理变化中，重新排列为新的分子。原子本身并没有变化。在物理变化中，分子改变了排列或运动，但其本身并未变化，所以化学成分分子改变了排列或运动，但其本身并未变化，所以化学成分保持不变。保持不变。我们如何知我们如何知道这些？道这些？3 3【认识世界的方法认识世界的方法】我们可以通过测量、建我们可以通过测量、建模和论证认识世界。模和论证认识世界。3 3A AM M【原子原子-分子理论的认知方法分子理论的认知方法】原子太小了，以至于无法直接使用教室里的工具观察。原子原子太小了，以至于无法直接使用教室里的工具观察。原子和分子的性质与变化能解释相关的宏观性质和现象。我们通和分子的性质与变化能解释相关的宏观性质和现象。我们通过假设过假设-演绎推理法间接地认识原子和分子的性质。演绎推理法间接地认识原子和分子的性质。概念（科学概念、认知方法）结构概念（科学概念、认知方法）结构第一组大概念：第一组大概念：1.物体由物质组成，物质表现为各种不同的材料。物体由物质组成，物质表现为各种不同的材料。物体的性质取决于所含物质的多少和组成物体的材料物体的性质取决于所含物质的多少和组成物体的材料种类，可以进行测量。种类，可以进行测量。2.在物理和化学过程中，物质可以被转化，但不可在物理和化学过程中，物质可以被转化，但不可能产生或消失。能产生或消失。3.我们可以通过测量、建模和论证认识世界。我们可以通过测量、建模和论证认识世界。与三个问题对应的两组大概念与三个问题对应的两组大概念案例：一个原子-分子理论的学习进程原子原子-分子分子理论可以解理论可以解释的问题释的问题第一组大概念第一组大概念第二组大概念第二组大概念编编号号概念概念编编号号概念概念物体是由什物体是由什么组成的？么组成的？我们怎样解我们怎样解释它们的性释它们的性质？质？1 1【物质和材料物质和材料】物体由物质组成，物质物体由物质组成，物质表现为各种不同的材料。表现为各种不同的材料。物体的性质取决于所含物体的性质取决于所含物质的多少和组成物体物质的多少和组成物体的材料种类，可以进行的材料种类，可以进行测量。测量。1 1A AM M【从原子从原子-分子水平上理解物质和材料分子水平上理解物质和材料】地球上的所有物质都是由有限种类的原子（目前发现了略超地球上的所有物质都是由有限种类的原子（目前发现了略超过过100100种）组成的。原子一般会结合在一起，构成分子或网种）组成的。原子一般会结合在一起，构成分子或网状结构。每个原子都占据空间，具有质量，并且永不停息地状结构。每个原子都占据空间，具有质量，并且永不停息地运动。组成物体和材料的原子与分子的性质、排列和运动决运动。组成物体和材料的原子与分子的性质、排列和运动决定了物体的质量、重量和体积，以及材料的性质。定了物体的质量、重量和体积，以及材料的性质。物体发生转物体发生转化时，改变化时，改变的是什么，的是什么，不变的是什不变的是什么？么？2 2【物质和材料的守恒与物质和材料的守恒与转化转化】在物理和化学过程中，在物理和化学过程中，物质可以被转化，但不物质可以被转化，但不可能产生或消失。可能产生或消失。2 2A AM M【从原子从原子-分子水平上解释守恒和转化分子水平上解释守恒和转化】物理和化学变化中质量和重量的守恒是由于既没有新原子产物理和化学变化中质量和重量的守恒是由于既没有新原子产生，也没有旧原子消失。化学变化中产生新物质是由于原子生，也没有旧原子消失。化学变化中产生新物质是由于原子重新排列为新的分子。原子本身并没有变化。在物理变化中，重新排列为新的分子。原子本身并没有变化。在物理变化中，分子改变了排列或运动，但其本身并未变化，所以化学成分分子改变了排列或运动，但其本身并未变化，所以化学成分保持不变。保持不变。我们如何知我们如何知道这些？道这些？3 3【认识世界的方法认识世界的方法】我们可以通过测量、建我们可以通过测量、建模和论证认识世界。模和论证认识世界。3 3A AM M【原子原子-分子理论的认知方法分子理论的认知方法】原子太小了，以至于无法直接使用教室里的工具观察。原子原子太小了，以至于无法直接使用教室里的工具观察。原子和分子的性质与变化能解释相关的宏观性质和现象。我们通和分子的性质与变化能解释相关的宏观性质和现象。我们通过假设过假设-演绎推理法间接地认识原子和分子的性质。演绎推理法间接地认识原子和分子的性质。概念（科学概念、认知方法）结构概念（科学概念、认知方法）结构第二组大概念，在初中和高中引入：第二组大概念，在初中和高中引入：1AM.地球上的所有物质都是由有限种类的原子地球上的所有物质都是由有限种类的原子（目前发现了略超过（目前发现了略超过100种）组成的。原子一般会结合种）组成的。原子一般会结合在一起，构成分子或网状结构。每个原子都占据空间，在一起，构成分子或网状结构。每个原子都占据空间，具有质量，并且永不停息地运动。组成物体和材料的具有质量，并且永不停息地运动。组成物体和材料的原子与分子的性质、排列和运动决定了物体的质量、原子与分子的性质、排列和运动决定了物体的质量、重量和体积，以及材料的性质。重量和体积，以及材料的性质。与三个问题对应的两组大概念与三个问题对应的两组大概念案例：一个原子-分子理论的学习进程原子原子-分子分子理论可以解理论可以解释的问题释的问题第一组大概念第一组大概念第二组大概念第二组大概念编编号号概念概念编编号号概念概念物体是由什物体是由什么组成的？么组成的？我们怎样解我们怎样解释它们的性释它们的性质？质？1 1【物质和材料物质和材料】物体由物质组成，物质物体由物质组成，物质表现为各种不同的材料。表现为各种不同的材料。物体的性质取决于所含物体的性质取决于所含物质的多少和组成物体物质的多少和组成物体的材料种类，可以进行的材料种类，可以进行测量。测量。1 1A AM M【从原子从原子-分子水平上理解物质和材料分子水平上理解物质和材料】地球上的所有物质都是由有限种类的原子（目前发现了略超地球上的所有物质都是由有限种类的原子（目前发现了略超过过100100种）组成的。原子一般会结合在一起，构成分子或网种）组成的。原子一般会结合在一起，构成分子或网状结构。每个原子都占据空间，具有质量，并且永不停息地状结构。每个原子都占据空间，具有质量，并且永不停息地运动。组成物体和材料的原子与分子的性质、排列和运动决运动。组成物体和材料的原子与分子的性质、排列和运动决定了物体的质量、重量和体积，以及材料的性质。定了物体的质量、重量和体积，以及材料的性质。物体发生转物体发生转化时，改变化时，改变的是什么，的是什么，不变的是什不变的是什么？么？2 2【物质和材料的守恒与物质和材料的守恒与转化转化】在物理和化学过程中，在物理和化学过程中，物质可以被转化，但不物质可以被转化，但不可能产生或消失。可能产生或消失。2 2A AM M【从原子从原子-分子水平上解释守恒和转化分子水平上解释守恒和转化】物理和化学变化中质量和重量的守恒是由于既没有新原子产物理和化学变化中质量和重量的守恒是由于既没有新原子产生，也没有旧原子消失。化学变化中产生新物质是由于原子生，也没有旧原子消失。化学变化中产生新物质是由于原子重新排列为新的分子。原子本身并没有变化。在物理变化中，重新排列为新的分子。原子本身并没有变化。在物理变化中，分子改变了排列或运动，但其本身并未变化，所以化学成分分子改变了排列或运动，但其本身并未变化，所以化学成分保持不变。保持不变。我们如何知我们如何知道这些？道这些？3 3【认识世界的方法认识世界的方法】我们可以通过测量、建我们可以通过测量、建模和论证认识世界。模和论证认识世界。3 3A AM M【原子原子-分子理论的认知方法分子理论的认知方法】原子太小了，以至于无法直接使用教室里的工具观察。原子原子太小了，以至于无法直接使用教室里的工具观察。原子和分子的性质与变化能解释相关的宏观性质和现象。我们通和分子的性质与变化能解释相关的宏观性质和现象。我们通过假设过假设-演绎推理法间接地认识原子和分子的性质。演绎推理法间接地认识原子和分子的性质。概念（科学概念、认知方法）结构概念（科学概念、认知方法）结构第二组大概念，在初中和高中引入：第二组大概念，在初中和高中引入：2AM.物理和化学变化中质量和重量的守恒是由于物理和化学变化中质量和重量的守恒是由于既没有新原子产生，也没有旧原子消失。化学变化中既没有新原子产生，也没有旧原子消失。化学变化中产生新物质是由于原子重新排列为新的分子。原子本产生新物质是由于原子重新排列为新的分子。原子本身并没有变化。在物理变化中，分子改变了排列或运身并没有变化。在物理变化中，分子改变了排列或运动，但其本身并未变化，所以化学成分保持不变。动，但其本身并未变化，所以化学成分保持不变。与三个问题对应的两组大概念与三个问题对应的两组大概念案例：一个原子-分子理论的学习进程原子原子-分子分子理论可以解理论可以解释的问题释的问题第一组大概念第一组大概念第二组大概念第二组大概念编编号号概念概念编编号号概念概念物体是由什物体是由什么组成的？么组成的？我们怎样解我们怎样解释它们的性释它们的性质？质？1 1【物质和材料物质和材料】物体由物质组成，物质物体由物质组成，物质表现为各种不同的材料。表现为各种不同的材料。物体的性质取决于所含物体的性质取决于所含物质的多少和组成物体物质的多少和组成物体的材料种类，可以进行的材料种类，可以进行测量。测量。1 1A AM M【从原子从原子-分子水平上理解物质和材料分子水平上理解物质和材料】地球上的所有物质都是由有限种类的原子（目前发现了略超地球上的所有物质都是由有限种类的原子（目前发现了略超过过100100种）组成的。原子一般会结合在一起，构成分子或网种）组成的。原子一般会结合在一起，构成分子或网状结构。每个原子都占据空间，具有质量，并且永不停息地状结构。每个原子都占据空间，具有质量，并且永不停息地运动。组成物体和材料的原子与分子的性质、排列和运动决运动。组成物体和材料的原子与分子的性质、排列和运动决定了物体的质量、重量和体积，以及材料的性质。定了物体的质量、重量和体积，以及材料的性质。物体发生转物体发生转化时，改变化时，改变的是什么，的是什么，不变的是什不变的是什么？么？2 2【物质和材料的守恒与物质和材料的守恒与转化转化】在物理和化学过程中，在物理和化学过程中，物质可以被转化，但不物质可以被转化，但不可能产生或消失。可能产生或消失。2 2A AM M【从原子从原子-分子水平上解释守恒和转化分子水平上解释守恒和转化】物理和化学变化中质量和重量的守恒是由于既没有新原子产物理和化学变化中质量和重量的守恒是由于既没有新原子产生，也没有旧原子消失。化学变化中产生新物质是由于原子生，也没有旧原子消失。化学变化中产生新物质是由于原子重新排列为新的分子。原子本身并没有变化。在物理变化中，重新排列为新的分子。原子本身并没有变化。在物理变化中，分子改变了排列或运动，但其本身并未变化，所以化学成分分子改变了排列或运动，但其本身并未变化，所以化学成分保持不变。保持不变。我们如何知我们如何知道这些？道这些？3 3【认识世界的方法认识世界的方法】我们可以通过测量、建我们可以通过测量、建模和论证认识世界。模和论证认识世界。3 3A AM M【原子原子-分子理论的认知方法分子理论的认知方法】原子太小了，以至于无法直接使用教室里的工具观察。原子原子太小了，以至于无法直接使用教室里的工具观察。原子和分子的性质与变化能解释相关的宏观性质和现象。我们通和分子的性质与变化能解释相关的宏观性质和现象。我们通过假设过假设-演绎推理法间接地认识原子和分子的性质。演绎推理法间接地认识原子和分子的性质。概念（科学概念、认知方法）结构概念（科学概念、认知方法）结构第二组大概念，在初中和高中引入：第二组大概念，在初中和高中引入：3AM.原子太小了，以至于无法直接使用教室里的原子太小了，以至于无法直接使用教室里的工具观察。原子和分子的性质与变化能解释相关的宏工具观察。原子和分子的性质与变化能解释相关的宏观性质和现象。我们通过假设观性质和现象。我们通过假设-演绎推理法间接地认识演绎推理法间接地认识原子和分子的性质。原子和分子的性质。与三个问题对应的两组大概念与三个问题对应的两组大概念案例：一个原子-分子理论的学习进程大概念大概念1的学习序列的学习序列问题和大概念问题和大概念大概念的分解大概念的分解K-2K-23-53-56-86-8物体是由什么组成的？物体是由什么组成的？我们怎样解释它们的我们怎样解释它们的性质？性质？1.1.物体由物质组成，物体由物质组成，物质表现为各种不同物质表现为各种不同的材料。物体的性质的材料。物体的性质取决于所含物质的多取决于所含物质的多少和组成物体的材料少和组成物体的材料种类，可以进行测量。种类，可以进行测量。物质的存在和材料种类的物质的存在和材料种类的多样性多样性物体具有可被测量和解释物体具有可被测量和解释的性质。质量、重量和体的性质。质量、重量和体积是三个重要的性质。积是三个重要的性质。不同材料具有可被测量和不同材料具有可被测量和解释的特性。解释的特性。案例：一个原子-分子理论的学习进程大概念大概念1的学习序列的学习序列问题和大概念问题和大概念大概念的分解大概念的分解K-2K-23-53-56-86-8物