如何围绕大概念开展科学教学
如何将学校教育与现实世界对接，实现深度学习，教学中“大概念”的建立是关键。
威金斯和麦克泰格将这个大概念比作“汽车管辖权”。有了车管，车轮等零件才能组装起来，否则只能散落一地，毫无用处。其实在学校，学生的学习时间是有限的，学习的内容也是有限的。如果学生学习的只是零碎的知识，那么这些知识往往缺乏成长，未来最终会随着时间的推移而被遗忘；即使在应对考试时，也因为没有融会贯通而难以达到深度理解，同样无法应对灵活多变的考题。事实上，布鲁纳早就说过:“在更大的基础框架内教授这些话题或技能是不经济的。”
“大概念”具有吸收知识的能力。在“大概念”的学习中，一方面随着知识的学习，不断加深对大概念的理解；另一方面，因为有了大概念的连接点，我们的知识学习也会因为连接点而被赋予意义，从而更牢固地掌握。在这样的学习中发展出来的大概念，会成为我们知识的生长点。学生靠大概念自主学习的内容远比老师教的多，而且会在他们的未来继续发挥作用。
那么，大概念是什么？首先，理解“大”。大概念“大”的内涵不是“庞大”和“基础”，而是“核心”。其次，理解“概念”。“概念”的英文单词是“idea”，而不是“concept”。所以大概念可以是概念，但不局限于概念，也可以是观点。总的来说，大概念有以下特点:1。某种程度上是抽象的，但来源于具体生活现象的概括；2.不是事实，而是可以不断论证和讨论的观点；3.体现了专家的思维方式，答案多样多变。
以三节课为例，语文课的大概念是“构思是根据某一主题搜集相关材料，梳理主线的过程；概念根据不同的需求而变化，具有多样性。“数学课的大概念是“数据的收集和整理是基于具体问题的需要”；理科班的大概念是“力的成因不一样，所以力的特性不一样”。
与大概念匹配是基本问题，有四个特点:1。经得起反复讨论；2.指向学科的核心；3.能够吸引学习者；4.体现专家思维。比如和前面大概念匹配的基本问题是“(中文)什么是立意？怎么受孕？一个好的旅行想法有什么特点？”(数学)如何根据不同的问题收集整理资料？" "(科学)摩擦力和其他力有什么区别？如何根据不同的特点对部队进行分类？"
如果说传统的问题倾向于“封闭”，即寻求固定答案，那么基础问题则倾向于“开放”，即要求这个问题经得起不断的追问，能够引发持续的思考，因为只有这个过程中包含了专家思维，或者说是我们今天所讲的学科的核心素养，才是对学生未来人生真正“有用”的。
开放在这里非常重要。正如威金斯所说，判断一个问题是不是基本问题，关键在于“目的”而不是“形式”。以数学课为例，“如何根据不同的问题收集整理数据？”这个基本问题需要转化为一系列问题。
能否掌握概念，建立模型，会影响你的决策能力和创新能力。
以大概念为理念的科学教育，可以从小培养学生的创新能力。创新是人类处理信息的一种基本能力。创新可以发生在不同的层面，既有高层次的创新，也有普通的创新。前者只有少数天才才能做到，后者是所有人都能拥有的能力。但无论哪种创新，其基本过程都包括找出实质性的关键问题并做出解决这些问题的决策，这与“大概念”中提出的科学教育的培养目标是一致的。
人是如何形成决策能力的？我们可以看到做出高水平创新的伟人是如何描述他们的创新过程的。
爱因斯坦说:对表面现象背后隐藏规律的感受，让我们变得直观。庞加莱说:逻辑是用来证明的，直觉是用来发明的。丘成桐说:许多重要的发明都是学者带着深厚的感情在潜意识中做出的。杨振宁进一步指出，对基本概念的理解应该成为直觉。
这些论述反映了科学大师对创新思维的理解。虽然它们用不同的语言描述，但它们都包含创新思维的一些基本特征:
1.创新思维是一种直觉，而不是逻辑推理过程。
2.创新的思维过程需要伴随特定的情绪。
3.创新思维的产生需要一个认知基础:对一些基本概念的理解要进入潜意识，也就是直觉。
20世纪中期，认知科学作为一门交叉学科问世，主要研究人类学习、记忆和思维的过程，包括与创新有关的发散思维、专家思维和顿悟。认知科学家研究人们如何做决定。面对同一个问题，为什么专家能看出“门道”，更快更好地解决问题，甚至有创新的思路，而外行只能看热闹，对解决问题毫无想法，更谈不上有创新思维。
2002年诺贝尔经济学奖得主，普林斯顿大学的D·卡尼曼(D.Kahneman)一生致力于人们决策行为的研究。他得出结论，人有两种决策系统，第一种是直觉决策系统，第二种是推理决策系统。(见下图)
人类决策系统图
直觉决策系统可以分为两种:一种是依靠当时直接获得的感知形成判断。儿童在做判断时经常使用这种决策方法。另一种是建立在已经获得的概念和模型上，即积累相应领域的知识，然后在兴奋或特别沉浸的情绪状态下凭直觉做出决策。这种决策过程是一个快速、并行、自动的处理过程，往往需要启动联想思维，而不是依靠有意识的搜索。这个过程通常也不清楚。专家在判断自己熟悉的专业问题时，会启动这种直觉决策过程。
创新思维往往是一个直观的思维过程，有时被称为灵感。
推理决策系统是一个缓慢的、系列的、可控的、费力的、有规律的过程。这个过程是可以训练的。比如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。但无论是直觉决策系统还是推理决策系统，掌握概念、建立模型都是决策的必要基础。学习什么概念，如何建立模型，必然会影响决策和创新的能力。
为什么专家比新手更擅长解决问题？
认知科学家的实证科学研究表明，在一定智力的基础上，创新能力与专家的知识结构和认知模式有关。专家之所以能看出“门道”并解决问题，是因为他们的思维至少具备以下三个特征:
1.专家拥有他们所熟悉领域的知识，他们能够将这些知识与身边的实际事件联系起来，并接受过找出问题症结并加以解决的训练。
2.专家所拥有的知识是有组织的，也就是说有明确的概念和认知模型来表达概念之间的关系。
3.专家可以监控自己的认知和决策过程，具有反思和元认知能力。
科学教育要给学生一个由浅入深的好“棋谱”。
近年来，科学技术的发展，特别是无创脑成像技术和分子生物学的发展，为我们提供了有效研究人脑的可能，神经教育学应运而生。
对人类长时记忆的分子生物学研究揭示，当人形成长时记忆时，神经元连接处的结构会发生变化。因此，人类心智的发展实际上是伴随着大脑中生物结构的变化。所以当你脑子里储存了一个概念，就不会轻易改变。这个前概念会影响你接下来的学习。脑图研究也证明，对概念理解的直觉反应直接影响后续概念的学习。这说明根据不同年龄段大脑的发育规律，采用不同的学习方法学习不同的内容是非常重要的。
科学家还研究了专家和非专家解决问题时大脑区域的活动过程。例如，日本科学家使用功能磁共振成像来研究一种类似象棋的国际象棋游戏的参与者。他们比较了职业选手和业余选手在下棋过程中做决定时的大脑激活区域。结果显示，专业人士和业余爱好者在查看象棋手册并做出下一步棋的决定时，大脑的激活区域是不同的。职业棋手一看到棋盘就能迅速做出决定，激活的脑区就是位于边缘系统的基底核。基底核中保存的记忆是一种非陈述性记忆，需要通过模仿、学习和经验积累的过程来形成。这说明职业棋手在快速决策时依赖于他们经过长期训练所获得的棋谱的某种模型，而决策的准确性和速度与他们经过训练所掌握的棋谱知识有关，也就是说，他们使用的是直观的决策过程。而业余玩家激活的脑区非常分散，需要激活前额叶皮层的工作记忆区。他们对看到的棋谱是否熟悉，会影响他们的自信心，从而影响成绩。本研究为专业知识的学习需要围绕概念和模型进行的观点提供了强有力的实证支持。对脑电图的研究也证实了大脑在有意识决策之前就已经开始了无意识的知识提取过程。东南大学朱艳梅博士的研究进一步证实，不同的科学教学方法会导致学生形成科学概念的直观反应不同，这可以从脑电的波形中区分出来。
上述研究表明了以大概念的观念进行科学教育的必要性。科学教育要给学生提供一个由浅入深的好“棋谱”，并逐步培养他们运用这些“棋谱”的能力，从而把学生培养成知情的决策者和创新的人。
教学方法与学习方法的统一是教学方法的最高价值追求。为了追求教与学的目标、内容、行为、效果的一体化，在课堂要素和结构运作的过程中，教可以融入、为了学，学可以从教中受益、从教中学习。因此，目标的确定、内容的选择、行为方式、效果的检测并不仅仅依赖于某一方面，而是根据课程(教材)的要求，寻求教与学双方的相互适应、调节和裁量。用统一的思想来指导和审视我们的设计、教学过程乃至教学反馈，可以清楚地看到，教什么、学什么、怎么教、怎么学、怎么教、怎么学，并不完全取决于学生或教师，而是取决于师生双方及其融合。整合程度越高，教学效率越高，整合越好，教学效果越好。当然，如何整合，如何实现有机完美的整合，还有巨大的研究和探索空间，需要教师在每一堂课、每一个教学环节的实践中总结。