核心概念及核心概念体系的建构是帮助学生厘清知识点、深刻理解学科本质并能事半功倍解决实际问题的途径和重要方法。

 

摘要2017年颁布的《小学科学课程标准》是我国科学教育改革和发展的重要成果，2013年颁布的《新一代科学教育标准》是美国科学教育实践和理论研究的成果，两者都针对科学各个领域的知识内容进行梳理、集合，最终形成各具特色的知识层级结构。

文章以生命科学领域为例，分析中美科学课程标准中的知识布局、知识组织方式及核心概念层级结构的异同，剖析我国科学课程标准中的知识定位和知识层级结构的功能，与此同时评析美国科学课程标准中的优势，期待两大科学课程标准的研究对我国科学教育及一线科学教学有所启发。

学科核心概念的理解及核心概念体系建构是帮助学生深刻理解学科知识本质，提高学生学科素养的重要途径核心概念位居学科中心，是学科的基本骨架，蕴含了学科的核心和本质，科学学科的学习也不例外因此，学生要想对科学知识进行深入理解和学习，同时将掌握的科学知识应用到生活中，首要解决的问题是理解科学学科核心概念和建构科学核心概念体系。

 本文从科学课程标准中四大领域包含的核心概念出发，重点以“生命科学领域”为例，分析《新课标》与《NGSS》中本领域目标要求、本领域核心概念确立的背景，进而对比分析核心概念的特点（数量、内容、呈现形式、年级分布等内容）及核心概念的层级结构。

中美科学课程标准中的主要领域及核心概念的确立有关核心概念内涵的界定，国际上比较认可的是美国《框架》里面的说明：核心概念具有聚焦K-12年级在科学方面最重要的课程、教学和评测内容的功能尽管不是每一条核心概念都能满足所有的标准，但至少满足两个标准（而更好的一些核心概念则满足三个或四个标准）。

具体来说，一个K-12科学教育的核心概念应满足：① 具有广泛的跨科学或工程学的重要性，或是一个单一学科的关键组织原则② 能为理解或调查更复杂的思想和解决问题提供重要工具③ 涉及学生的兴趣和生活经历，或与社会或个人相关的、需要科学或技术知识解决的事宜。

④ 可随着深度和复杂程度的提高，在多个年级开展教与学即此概念能使年轻的学生充分理解，也有足够的广度和深度让学生进行持续数年的调查研究《新课标》课程内容包含四大领域：物质科学领域、生命科学领域、地球与宇宙科学领域和技术与工程领域。

小学阶段，为便于学生深刻理解各领域的知识间的逻辑关系及建构知识体系，《新课标》选择适合小学生学习的18个主要概念，其中物质科学领域6个，生命科学领域6个，地球与宇宙科学领域3个，技术与工程领域3个，如图1所示。

18个主要概念又被描述为75个子概念，每一个子概念以学习内容的形式进行表述，又被分解为1—2年级、3—4年级和5—6年级的学习目标，如图2展示的物质科学领域的主要概念2的内容分布概念2“水是一种常见而重要的单一物质”，分解的子概念为2.1“水在自然状态下有三种存在状态”和2.2“有些物质在水里能够溶解，而有些物质在水里很难溶解”。

每一个子概念在小学三阶段进行学习目标分解，2.1在1—2年级、3—4年级和5—6年级皆有，2.2只在1—2年级和3—4年级通过18个主要概念及75个子概念相关课程内容的学习，为初步培养小学生科学素养奠定坚实基础，如表1所示。

美国《NGSS》包括四个领域：物质科学、生命科学、地球与空间科学及工程设计，四大领域的主要内容与《新课标》四大领域大体相同《NGSS》一共有11个核心概念，如图2所示，这11个核心概念涉及前3个领域，其中物质科学领域有4个，生命科学领域有4个，地球与空间科学领域有3个。

11个核心概念又被描述为39个子概念，每一个子概念都清晰描述了学生在对应的年级对此概念的对应理解

中美科学课程标准中“生命科学领域”核心概念的解析生命科学领域的内容是丰富而繁杂的生命世界包含多种多样的动物、植物和其他生物，所有生物的生存、发展和繁殖都需要一定的条件，如营养、温度、水和空气，动物需要庇护所，植物需要栖息地。

每一个生物都不是独立存在的，生物之间，以及生物与环境之间相互影响，相互依存，组成一个有机整体《新课标》指出，通过生命领域内容的学习，有助于激发学生了解和认识自然界的兴趣，帮助学生初步形成生物体的结构与功能、局部与整体、多样性与共同性相统一的观点，形成热爱大自然、爱护生物的情感。

在生命领域的教学中，教师应帮助学生形成以下主要概念（下列序号标明《新课标》中主要概念的顺序）：① 地球上生活着不同种类的生物② 植物能适应环境，可制造和获取养分来维持自身的生存③ 动物能适应环境，通过获取植物和其他动物的养分来维持生存。

④ 人体由多个系统组成，分工配合，共同维持生命活动⑤ 植物和动物都能繁殖后代，使它们得以世代相传⑥ 动植物之间、动植物与环境之间存在着相互依存的关系美国《NGSS》为践行《框架》的教育愿景，描述了学生的预期表现形式用于评估学生是否达标，预期表现包括学科核心概念、跨学科概念及科学和工程实践三个方面的内容。

《NGSS》中的每一个核心概念都包含三个维度：学科核心概念、科学与工程实践及跨学科概念科学与工程实践以及跨学科概念被设计在一定的情境中，而不是在“真空”中核心概念的预期表现的个数根据核心概念的内涵及学习对象所处学段来定，每一个预期表现都包括上述三个维度。

在之前的标准或者课程文件中，我们发现，大多都是列出了什么是学生应该“知道”或“理解”的，但是这些都需要进一步解释为可以被评价的表现，才能判定学生是否达成学习目标《NGSS》最大的亮点在于为课程、教学和评价提供相同的明确而具体的目标。

它用陈述性的语句描述了学生在学习某一个概念或某一项技能时的具体表现，以此帮助教师、学生或者教育评价者了解是否达成学习目标《NGSS》中每一个核心概念都有一个学段的“系统架构”，以一年级的核心概念“遗传：性状的继承与变异”为例，层级架构如图3所示。

美国《NGSS》指出，科学教育从幼儿园贯穿12年级，每一个学段都要完成生命领域四个核心概念的学习，这四个核心概念是：从分子到生物体—结构与过程，生态系统—相互作用、能量和动态，遗传—性状的继承与变异，生物演化—统一性与多样性

具体来说，幼儿园阶段预期学生能够了解动物和植物（包含人类）生存的需求以及这些需求与生存地点之间的关系小学阶段预期学生理解支持动植物生存、生长、行为和繁殖的条件，动植物的营养来源，动植物的遗传及差异性，动植物与环境之间的相互关系。

初中阶段预期学生发展对理解生命科学所需的关键概念的认识这些概念建立在学生从较早年级的学习中以及从物质与地球科学领域的核心概念、科学与工程实践及跨学科概念中获得的对科学理解的基础上初中阶段的预期表现将核心概念和科学与工程实践、跨学科概念糅合起来，支持学生发展有用的知识来解释跨科学学科的概念。

虽然初中生命科学的预期表现将特定的实践与具体学科核心概念结合起来，但教学决策时应当使用在预期表现中得到整合的各种科学与工程实践

中美核心概念的不同引发“生命科学领域”的目标要求差异《新课标》中生命科学领域知识总目标是了解生物体的主要特征，知道生物体的生命活动和生命周期；认识人体和健康，以及生物体与环境的相互作用总目标根据学段的不同，又分解为三个子目标，三个子目标在1—2年级、3—4年级和5—6年级进行了分别描述。

1—2年级，从学生对动植物的逐步感受入手，引导学生通过语言、绘画等方式对其外部形态进行描述，3—4年级，在学生初步感知的基础上引导学生了解动植物的主要组成部分、动植物的生命周期、动植物的繁殖、对动植物进行简单分类及初步认识人类的生命活动；5—6年级，进一步认识人体的主要生命活动和人体健康，了解动植物之间、动植物与环境之间的关系，进而理解生物多样性。

美国《NGSS》在教育目标上的呈现方式与《新课标》有所不同，前者通过对学生预期表现的描述，更加清晰、具体地解读了每个学段的教育目标，因为是预期表现，所以比以往的教育目标更好测评，这也是与美国《框架》最大的区别。

美国的科学教育从幼儿园开始，直到12年级，但小学阶段只有五年级，为便于更好地分析比较中美科学课程标准的知识逻辑关系及层级结构，本文选择《NGSS》中幼儿园到初中阶段的主要内容进行研究图4是美国幼儿园至初中“生命科学领域”教育目标的重组呈现。

可以看出，《NGSS》没有对生命科学领域的知识目标进行整体设定，但是从幼儿园到初中每个学段都有细致描述，小学更是详细描述到每个年级

对比《新课标》与《NGSS》的知识目标，我们可以发现，相似的知识内容在《新课标》与《NGSS》中位于不同的年级，比如《新课标》在3—4年级引导学生了解动植物的生命周期和繁殖，而《NGSS》在一年级就会关注亲代与子代之间的一些联系，包括行为对生存的影响和亲子代之间的特征联系，又或《新课标》在5—6年级关注动植物与环境之间的关系及生物的多样性，而《NGSS》在二年级预期学生关注动植物之间的影响及学会对比不同环境中的生物多样性，又如《新课标》在1—2年级引导学生简单描述动植物的主要特征，而《NGSS》在四年级才预期学生认识到动植物的内外部结构对生命活动的作用。

《新课标》在1—2年级引导学生了解植物所需的基本营养，而《NGSS》在五年级才期望学生认识到植物主要从空气和水中获得生长所需营养我们看到，关于生命周期、繁殖及亲子代之间关系的相关内容，《NGSS》放在小学的低学段，但是对于动植物的特征和所需营养的学习却放在小学的高学段，这两方面正好跟《新课标》相反。

与其讨论哪种知识逻辑更好，不如根据学生的认知发展规律、实际学情及知识内容的多少进行选择每一种知识逻辑一定蕴含其特有的教育规律和期望实现的教育目标

中美科学课程标准中核心概念的特点解析《NGSS》中的学科核心概念与《新课标》中的主要概念有着异曲同工之妙，但两者各自的概念知识层级体系还不太明朗或者说课标中呈现的概念内容、层级结构不便于一线教师理解和教学实践，这正是本文的研究重点和价值所在。

美国的科学教育从幼儿园开始，直到12年级，而我国绝大部分地区科学教育集中在小学阶段为更加清晰地描述、梳理核心概念或重要概念及其统摄的下位概念，本文以生命领域为例，首先梳理该领域的核心概念序列，随后建立核心概念的知识层级结构，然后比较中美科学课程标准中相同核心概念或类似核心概念的学科内涵（内容），进而提出建议和启发。

核心概念的内容特点分析依据《新课标》生命领域的学科内涵、育人价值和主要概念序列，生命领域主要内容包括四个方面：生物多样性、生物生存与繁殖、生命系统和生物与环境其中概念7属于生物多样性，概念8、概念9和概念11属于生物生存与繁殖，概念10属于生命系统，概念12属于生物与环境，具体如下图5。

图5中6个主要概念进一步细化为24个子概念，如图6、图7概念7强调生物多样性，概念8和概念9分别阐述了植物、动物维持自身生命活动所需的营养和条件，概念10从系统性的角度介绍了人体的生命活动，概念11讨论动植物的繁殖，概念12讨论动植物之间，动植物与环境之间的关系。

美国《NGSS》中生命科学领域包含4个核心概念，细分为14个子概念其中核心概念1“从分子到生物体：结构与过程”包含4个子概念，核心概念2“生态系统：相互作用、能量和动态”包含4个子概念，核心概念3“性状的继承与变异”包含2个子概念，核心概念4“生物演化：统一性与多样性”包含4个子概念。

从知识内容看，概念1主要从结构层次的视角统领知识，概念2主要从相互作用和平衡的角度统领生态系统的相关知识，概念3主要从性状的角度阐述遗传内容，概念4主要从统一性与多样性阐述生物进化从名称及包含的子概念分析，《新课标》生命科学领域主要概念的内容被描述得更加具体、清晰，并将植物、动物和人体的内容进行分别描述，6个核心概念的描述更加符合中国学生学习生命科学领域的认知逻辑。

仔细分析子概念发现，子概念之间并不是割裂的，比如“植物的基本结构”这部分内容，在概念7和概念11中都有涉及，换言之，每一个核心概念不是限定在特定的学段学习，而是在不同学段都要学习，并在不断深入学习，不断升华知识体系的过程中得到体验，得到提高。

《NGSS》生命科学领域的核心概念更加概括、更加深刻，里面包括了“物质流和能量流” “共同祖先的证据”等难度较大的生命科学知识，这部分内容我国设定在初中进行学习《NGSS》之所以这样设置，可能跟美国科学教育从幼儿园贯穿12年级有关。

《NGSS》比《新课标》涉及的内容更广，有的知识不局限于生命科学，比如“信息处理”，渗透了跨学科的思想；有的知识非常深奥，比如“自然选择”，在我国是高中学习内容在整体建构学习系统方面，《NGSS》考虑得更加充分，当然涉及学制、学习学段等因素。

中美科学课程标准中核心概念的年级分布《新课标》中生命科学领域的6个主要概念的次级概念在不同学段有不同的要求和学习目标。比如概念7，如图8所示。

《新课标》中概念7包含的第一个子概念是“生物具有区别于非生物的特征”，并且在1—4年级有相应的学习目标要求，学生在生活中对生物会有或多或少的体验，但通过这部分内容的学习，让1—4年级的学生从科学角度感知植物和动物都是生物，同时可以用语言和绘图的方式描述生物的特征，知道生物与非生物具有不同特点。

第二个子概念是“地球上存在不同的动物，不同的动物具有许多不同的特征，同一种动物也存在个体差异”，同样在1 —4年级有相应的学习目标要求1—4年级对子概念7.2的学习过程遵循从学生生活中常见的动物入手，经过对个别动物的特征描述、动物共同特征的归纳，并根据共同特征能进行简单分类，进而描述一类动物的共同特征的过程，符合学生认知发展规律。

7.3概念学习同样遵循类似的过程，只不过由植物替换了动物，同时把植物的经典分类方法 ——二歧分类放在5—6年级进行学习通过7.2和7.3两个子概念的学习，让学生了解地球上存在多种多样的生物，有动物也有植物，不同动物（植物）具有不同特征，同一种动物（植物）也存在个体差异。

动物（植物）的特征存在多样性和统一性的特点，多样性强调了多种多样的动物（植物）以及同一种动物（植物）的个体差异性，统一性强调不管是动物还是植物，之所以归为一类，一定存在共有的特征，是这些特征将动物（植物）与其他种类进行区分。

子概念7.4“细胞是生物体的基本组成单位”对5—6年级学生提出学习要求：说出细胞是生物体的基本组成单位这个子概念是从微观层面对7.2和7.3的补充和佐证，也将植物和动物从细胞的层面统一起来子概念7.5“地球上多种多样的微生物与我们的生活密切相关”对5—6年级学生提出学习要求：知道蘑菇和木耳是常见微生物；知道感冒等疾病是由微生物引起的，微生物是肉眼看不见的。

子概念7.5不仅帮助学生理解生活中跟人类密切相关的一类生物不是植物也不是动物，因为它们的特征与前面说的植物和动物不同，是“生物多样性”的补充内容，同时让学生初步感知微生物可以为人类提供食物的同时也会引起疾病，引导学生能从辩证的视角审视微生物与人类的关系，为初高中学习传染病和疾病预防奠定基础。

《NGSS》中核心概念的建构贯穿整个K-12体系，每一个核心概念强调各个年级间集中而连续进展的知识体系，允许学生在整个K-12科学教育过程中采用动态过程来建构知识笔者整理《NGSS》生命领域核心概念年级分布发现：4个核心概念并不在每个年级都有，比如核心概念“从分子到生物体：结构与过程”的学习年级包括幼儿园、一年级、四年级、五年级、初中和高中，如图9所示。

另外3个核心概念也存在年级不均等分布，同时概念4的子概念“共同祖先的证据”“自然选择”和“适应”的学习年级相同，都是三年级、初中和高中，这三部分内容一定存在某种重要联系

同样，《NGSS》中的每一个子概念也不是在每个年级都有，如图10所示，概念1的4个子概念的年级分布不同，如子概念“结构与功能”的学习年级包括一年级、四年级、初中和高中，子概念“生物体的生长和发育”学习年级同样是一年级、四年级、初中和高中。

由此可见，生物体的生长和发育是学习子概念“结构与功能”的知识载体，“结构与功能”为学生深刻理解生物体的生长和发育提供新视角

《新课标》生命领域主要概念年级分布：1—6年级被划分为3个学段，分别是1—2年级、3—4年级和5—6年级，6个主要概念中有的3个学段都有，比如概念8“植物能适应环境，可制造和获取养分来维持自身的生存”的学习年级包括1—2年级、3—4年级和5—6年级，年级分布适用于概念7、概念9和概念10，如图11所示。

概念11“植物和动物都能繁殖后代，使它们得以世代相传”的学习年级包括3—4级和5—6年级，年级分布适用于概念12从学习年级分布来看，前4个概念主要从生物多样性延伸到动物、植物和人的生命活动相关内容的学习，后面2个概念主要从生命周期、世代传递及动植物与环境之间的关系进行学习，前4个概念是基础，后2个概念是升华，只有把前4个概念理解了，才能很好地理解后面2个概念。

当然，后面2个概念中还有前4个概念学习内容的深入学习，使得学生的学习是递进的，是螺旋上升的

中美科学课程标准中核心概念层级结构的分析《新课标》生命科学领域的6个核心概念涵盖了生物多样性、生命系统、营养与繁殖及生物与环境四大内容《NGSS》生命科学领域的4个核心概念包含生命系统层次结构、生态系统、遗传和生物演化四大内容。

为理清生命科学领域的知识层级结构，首先将《新课标》与《NGSS》两者的核心概念进行对应，由于知识内容及知识结构呈现方式存在差异，只能依据核心概念的描述内容将两者核心概念进行粗略对应，如图12所示从图中可以看到，《NGSS》的概念1与《新课标》的概念8、概念9和概念10可以对应，概念2与概念12可以对应，概念3与概念11可以对应，概念4与概念7可以对应。

从对应关系看，两者都将生物体生命活动和生物体结构层次两方面作为重点学习内容

从核心概念的内容表述推测图12的对应关系有些牵强，需要进一步分析子概念的对应关系，以《NGSS》概念1与《新课标》概念8的子概念为例，如图13所示，其他核心概念对应关系不再赘述概念1分为4个子概念，概念8分为3个子概念，从子概念的表述形式看，《NGSS》用短语、关键词的形式表述，而《新课标》以完整的陈述句进行表述，前者更加简洁明了，后者更便于把握主要内容。

《NGSS》中的“结构与功能”在《新课标》概念7中的第一、第二个子概念都有对应，“生物体的生长和发育”与第二个子概念对应，“物质流与能量流”和“信息处理”与第三个子概念进行对应当深入分析后发现，这两个核心概念层级体系的对应关系复杂度和丰富度远远超过图13的展示，比如“生物体的生长和发育”蕴含在子概念“植物具有获取和制造养分的结构”中，又如“信息处理”在概念8的3个子概念中都会涉及。

在对比分析《新课标》与《NGSS》核心概念过程中，笔者发现一个有趣的现象：相似核心概念的分解概念差异较大，比如核心概念“地球上生活着不同种类的生物”与核心概念“生物演化：统一性与多样性”重点都是生物多样性，但两者分解子概念的对应关系不明显，如图14所示。

《新课标》概念7与《NGSS》概念4两者的子概念都分解为5个方面，前者主要从宏观角度概括了生物与非生物的区别、动植物的基本特征、细胞是基本单位及微生物与人类的关系，后者主要从特定情境的角度描述了生物分布广泛、生物与环境之间的关系、选择与进化及生物祖先的证据等内容。

另外《新课标》将生物祖先的内容放在了概念11.4

梳理《NGSS》章节分述中核心概念体系时发现，不同核心概念分解内容中有重叠内容，比如概念2和概念4，都有子概念“生态系统的动态、运作和恢复力”，如图15所示由此可见，同一子概念可以协助建构一个或多个核心概念，或者说不同的核心概念可以分解出相同的子概念。

这种现象类似学生知识结构体系中的节点知识，它们联系着多个知识点，最终形成知识结构网，上述子概念“生态系统的动态、运作和恢复力”具有节点功能《新课标》也存在类似现象，但没有两个核心概念包含完全一样的子概念，需要从学习内容和学习目标两方面去分析对应关系。

如图16所示，概念8和概念11主要讨论“植物生存”，子概念8.2可以与子概念11.1对应，前者介绍植物的一生不同阶段的外部形态变化，后者主要讨论植物从生到死的阶段变化虽然表面看起来子概念的内容差别很大，但是植物一生的形态结构变化是植物从生到死变化的分解内容，或者说学生在学习植物一生的形态结构变化后才能更好地理解植物从生到死的不同发展阶段。

换言之，子概念8.2是子概念11.1的基础，11.1又是8.2的深入学习生物体是整体系统，生命现象复杂而有趣，核心概念之间不存在绝对独立，如同生命体的不同系统一样，既有独立功能，又有协作功能

结语中美两国经过长期的探索和实践，都在科学课程标准中提出核心概念及子概念，并在学段目标的设置及教学实践建议方面不断凸显核心概念的地位和教育教学价值世界各国已达成共识：核心概念及核心概念体系的建构是帮助学生厘清知识点、深刻理解学科本质并能事半功倍解决实际问题的途径和重要方法。

《新课标》指明18个主要概念及75个子概念，其中生命科学领域有6个主要概念及24个子概念，《NGSS》指明11个主要概念及39个子概念，其中有生命科学领域4个主要概念及14个子概念本文选自《教育参考》2021年第四期，有删减

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