大概念研究早已有之，科学大概念(bigideasofscience)则于2010年由英国教育家温·哈伦(Harlen)在《科学教育的原则和大概念》一书中正式提出，受到科学教育领域广泛关注，美国、日本、韩国等国家纷纷以大概念建构本国的科学教育课程。2017年2月。我国教育部颁布的《小学科学课程标准》突出了科学大概念对于教学内容的统领和安排。基于科学大概念引领课程与教学的科学教育浪潮已经拉开序幕。

 (一)科学教育的自省

       作为科学发展基石的科学教育已经延续数百年，百年间科学教育范式的变革让科学教育不断焕发新的生机并日益成为全球化时代背景下各国提升综合国力的战略共识。与此同时，为了实现更加公平、更有质量的新时期科学教育，响应时代需求，顺应学生发展，科学教育工作者仍在不断地追问和反思当前科学教育所陷人的迷途及所面临的困境。

 1、科学教育的破碎迷途 

       科学教育应是完整的，而非破碎的，这种完整性强调科学教育的结构完整性与功能完整性，对于科学教育完整性认识不足是其陷人破碎迷途的主要原因。首先，结构完整性是指科学教育内容是完整的与系统的。不少国家和地区的科学教育缺乏严密的科学内容逻辑体系支撑，科学内容呈现出学科间割裂化与学科内碎片化的状态。学科间割裂化主要是指传统分科教学使科学内容分科化编排倾向明显，物理、化学等各个科学学科间没有清晰的联络节点，科学教育的逻辑框架比较混乱。学科内碎片化主要是指为了减轻学生学习负担而对科学内容采取的删减策略与选择自由，使得科学内容出现彼此间的联系不畅，学生难以理解，教师难以教授。其次，功能完整性是指科学教育不仅仅传授知识，其价值功能是完整的，应包含知识、思维、方法、原则和精神五个方面的内容，知识是基础，思维、方法、原则是框架，精神则是核心。仅仅局限于知识的科学教育是教条的科学教育，失去了科学原则与精神的科学教育，会使科学教育偏离方向，甚至走向反科学之路。科学教育并不简单是作为一门学科教育而存在，更是作为形成学生认知模式与思维模式的一个过程而存在。

2、科学教育的落地困境 

       科学教育一直在探索如何在教学实践中更加有效．这种有效能够让学生具备其适应自身终身发展与社会发展的关键能力与必备品格。科学教育的最终目的是促进学生理解科学本质。提升学生科学素养。2011年，美国国家研究理事会(NRC)发布《K．12年级科学教育框架》，着重倡导科学探究转向科学实践。一直以来，科学探究被视为科学教育落实的核心，是在所有学科内通用的获取和理解知识的手段。但来自情境学习、科学家职业的社会学与人类学研究的证据显示．特定的科学内容是在特定的科学实践中生成和发展的，实践是先于知识而存在的。科学教育的实践转向使得科学教育工作者必须再次思考其所带来的诸多变化并为其做好准备。这主要包括四个方面：一是科学教育的重心将不再是科学事实。二是单一学科已经无法满足解决问题的需要，三是任何学科知识都需要在具体的实践活动中得以呈现、学习与理解，四是科学教育必须要指向所有人的终身学习实践。全新的科学教育观念要求教师必须面对如何更好地解释科学知识的本质，如何更好地建立生活情境与科学问题、方法等之间的联系．如何更好地打通不同领域之间的关系等诸多挑战，探索与讨论科学教育的新方法、新途径变得极其艰难但又异常重要。

(二)大概念的引入 

       大概念，英文bigidea(concept)，也有学者将其译为大观念。在教育领域，有关大概念的研究至少可以追溯到布鲁纳(Bruner．J．s)对于教育过程的研究。布鲁纳强调，无论教师教授哪类学科，一定要使学生理解该学科的基本结构，有助于学生解决课堂内外所遇到的各类问题。掌握事物的基本结构，就是以允许许多别的东西与它有意义地联系起来的方式去理解它，学习这种基本结构就是学习事物之间是怎样相互关联起来的。教师若掌握学科的基本概念架构，有助于学生对学科知识的记忆保留，并促进学习的迁移。

       有研究者从认知发展的角度阐述大概念，克拉克(Clark．E)基于布鲁纳等人的研究，在定义观念(concept)时提到，观念是理解和联结小观念的大概念(bigidea)，并将观念与大概念等同起来，认为它们提供了构建自己理解的认知框架或结构。怀特利(whiteley．M)强调大概念是理解的建筑材料，可以被认为是有意义的模式，用以使人们能够联结其他零散的知识点。

       有研究者从课程内容的角度界定大概念，埃里克森(H．L．Erickson)认为大概念是指向学科中的核心概念，是基于事实基础上抽象出来的深层次的、可迁移的概念。⑤威金斯和麦格泰(wiggins&Mctighe)提到大概念是出于课程学习中心位置的观念、主题、辩论、悖论、问题、理论或者是原则等，能够将多种知识有意义地联结起来．是不同环境中应用这些知识的关键。 

       也有研究者从学科教育的角度分析大概念。数学教育和科学教育研究尤其重视大概念的问题。查尔斯(charles．R．I)将大概念定义为对数学学习至关重要的观念的陈述，是数学学习的核心，能够把各种数学理解联系成一个连贯的整体。大概念使我们将数学看作一个连贯的大概念集合。哈伦(w．Harlen)从科学教育角度提出了14项科学教育的大概念，其认为大概念是能够用于解释和预测较大范围内物体和现象的概念，概念有大有小，大概念只是一个相对的概念。查莫斯(c．chalmers)在研究STEM的大概念时，认为其可以分为两种类别：内容大概念和过程大概念。内容大概念主要是原理、理论或者模型，例如加减法、原子理论、概率模型等；过程大概念是与获取和有效使用知识有关的技能，例如观察、实验、解释等。

       大概念是一个具有复杂内涵的教育理念，无论是宏观层面的认知框架，还是中观层面的课程线索，以及微观层面的教学设计，大概念都显示出独有的贡献。一般情况下，大概念是基于学科的基本结构和方法．它们不是具有简单的具体答案的事实问题，大概念指向的是具体知识背后的核心内容。深入把握大概念在教育领域中的价值。将有效推进我国的教育改革进程。

(三)科学大概念分析系统的建立 

       科学大概念是大概念在科学领域中的特定表现形式，是对科学领域的宏观概括认识，它的提出源自于2009年10月在苏格兰罗蒙湖举办的一次针对中小学科学教育问题的小型国际研讨会。会议由来自世界各地的科学家、工程师以及教育家等10位专家，通过会前收集资料、会上研究讨论以及会后持续通信，最终形成了报告——《科学教育的原则和大概念》，提出了中小学科学教育中有关科学知识及科学本身的大概念。2014年，原来的专家组成员增加至1l位，详细探讨了上述原则和大概念应用教学实践的特征及其所产生的影响，形成了第一次研讨会成果的后继之作——《以大概念理念进行科学教育》，指出科学教育不是知识片段的堆积。而是有结构的、有联系的模型。 

       围绕科学大概念进行科学教育需要对科学大概念进行更为清晰和深入的认识．建立科学大概念分析系统实属必要。事实上，科学大概念已经不单单是一个名词或者符号，其背后隐藏着一个意义世界，已经远远超出普通概念的内涵与外延，负载着整个科学理论体系。科学大概念的分析与考察可以经由三种路径。一是2013年美国颁布的《下一代科学教育标准》将科学大概念分为三种类型：第一种类型是统领各自领域内的大概念，也被称作学科核心概念；第二种类型是在各个领域中更通用、更上位的大概念，也被称作通用概念；第三种类型是对科学本质基本理解的大概念。这三类大概念并不是严格区分的，例如能量大概念既是学科核心概念又是通用概念。二是20世纪90年代HPs(科学史、科学哲学与科学社会学)开始进入科学教育，历史语境使学生按照科学真正的发生方式去理解科学概念，哲学思辨具有使学生理性判断科学的双刃剑功能．社会学让学生清晰认识到科学建构与社会形成之间的复杂关系。三是科学大概念的发展进程可以理解为是从小概念向大概念的转变，这个建构过程是复杂的，往往历经基础知识与技能、学科核心概念、跨学科主题以及哲学观点等过程。向科学大概念趋向的建构模式需要引起教师的特别注意。 

       从认识论上来看，科学大概念是学生认识科学世界的思维方式；从学习论上来看，科学大概念是学生研究科学世界的组织工具；从价值论上来看，科学大概念承担着引发学生思考、塑造学生科学素养的重要功能。通过以上讨论，我们认为，建立科学大概念分析系统需要三个子系统，即内容系统、哲学系统与课程系统，三个子系统形成首尾相接的科学大概念分析系统，如图l所示。其中，内容系统是指某一科学大概念的筛选策略及其基本内容。与课程系统形成一一对应；哲学系统是指某一科学大概念背后所隐匿的哲学观点与启示，由内容系统归纳迁移得出；课程系统是指某一科学大概念融入课程的原则与途径，根据哲学系统进行演绎迁移获得，并与内容系统融会贯通。