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知识的教与学，于广大教师而言，恐怕是老生常谈之事了。小学科学的每一堂课，都会涉及知识的教与学。若视科学知识为一堆科学概念与一些科学事实，则教学内容庞杂无边，教师教得累，学生也学得苦。若视知识为一座有结构的“金字塔”，以知识的教与学为载体教会学生搭建知识金字塔的本领，从而使学生将来能自主扩建和发展自己的知识金字塔，教师就会关注概念的教与学，会设定每堂课知识教学的目标为构建某一概念的意义，在每学期、每学年的课堂教学中会注重概念的发展并搭建概念与概念之间的联系。因此，以科学概念的教与学指导科学知识的教与学，意在突出有系统、有结构地处理科学知识，教授学生掌握最重要的知识节点，并以此为载体发展学生科学思维、科学探究，以及科学情感、态度与价值观。
何谓科学概念
人类对自然与人文的任何认识成果，都是通过形成各种概念总结和概括的，进而形成知识体系。科学概念专指科学知识体系中的概念，是人类认知、交流、发展对客观世界和人类自身的认识的思维形式。与其他领域的概念，尤其是文学领域的概念不同，作为一类科学知识，科学概念必须是基于实证研究的，且必须是经过系列规范的程序而被科学共同体所认可的。所以，每一個科学概念，都有其特定的、公认的术语或名词，都有其约定的、可检验的内涵和外延，代表公众的共识而非个体私有之见。
科学概念亦有层次之分。概括程度高的大概念，即上位概念，包含概括程度低的小概念，即下位概念。器官是花的一个上位概念，指由多种细胞和组织构成的、行使一定功能的结构单位。器官的概念外延包括心脏、肺、肾脏等动物器官，以及根、茎、叶、花、果实、种子这植物6大器官。桃花是花的一个下位概念。与器官、花这类需要通过下定义概括其特有属性的定义性概念或抽象概念不同，桃花属于具体概念，通过正例、反例的观察与辨别可获得其涵义，其概念外延包括桃花的各个品种及变种。
科学概念与科学概念之间的逻辑联系，构成了科学模型、原理与定律等科学知识，由此形成以科学概念为单元的、有结构的科学知识体系。例如：根、茎、叶、花、果实、种子之间的结构与功能的协同作用，构成了植物体；电阻、电压、电流等在电路中的关系形成了欧姆定律。因此，学生掌握科学概念是形成和表达科学知识体系的基础。
为何要重视科学概念的教学
自国际公众科学素养促进中心主任米勒（Miller，1983）在前人的研究基础上，提出了影响至今的科学素养三维模型以来，科学概念就一直是科学素养的重要组成部分。我国中小学的综合科学课程（包括初中科学、小学科学等学科）与各分科科学课程（包括物理、化学、生物、地理等学科）借鉴米勒的三维模型，从知识、能力和态度这3个维度提出各自学科领域的科学教育目标与内容（教育部，2011，2017）。概括中小学科学教育各类课程标准，可提炼出我国中小学科学教育在培养中小学生科学素养方面的共性目标，分别是：获得科学事实、概念、原理和规律等基础知识，理解科学知识在生产、生活中的应用，以及对社会发展的影响；掌握科学思维和科学探究的方法，并能在科学实践中应用这些方法解决真实世界中的实际问题；养成对科学的学习兴趣，具备实事求是的科学态度与科学精神，形成运用科学知识和技能参与社会决策的意识和责任感。
随着科技的进一步发展，以及知识经济的到来对21世纪人才的综合能力与核心素养的需求，国际科学教育与教育测评项目对科学素养的界定又有所发展，进一步增强对科学应用，以及科学、技术、工程、社会之间的关系理解的要求。例如，美国于2013年颁布的《新一代科学教育标准》要求美国科学教育通过以围绕科学大概念而组织的科学实践提升学生科学素养。
从美国《新一代科学教育标准》的实践内涵看，除了强调对问题基于证据的解释，即探究，还重视社会与文化在科学探究中的权重，从而将科学回归到人类的实践本质特征上，脱离了“科学研究就是实验室实验与理论研究”的单一图景（林静，2014）。由此，美国《新一代科学教育标准》从以下3个维度组织科学素养的培养目标与内容：科学知识维度——科学与工程的跨学科概念和学科核心概念；能力与过程维度——科学探究与工程设计的实践；科学社会学维度——科学、工程与社会之间的关系。
由以上所述可见，科学概念一直是科学素养的重要维度。而学习科学在专家与新手方面的比较研究结果，佐证了科学概念在科学素养发展中的重要性。研究表明，专家与新手的差异不仅仅表现在能力方面（如记忆力、推理与建模能力），还在于专家具有宽厚且结构良好的知识。概念是专家组织和呈现这些结构良好的知识的基本单元。这些结构良好的知识能使专家识别新手注意不到的信息特征和有意义的信息模式，从而影响专家对信息的组织、再现和理解，进而影响专家的记忆、推理和问题解决能力。
物理、数学和历史等学科领域的学习科学研究结果进一步表明，专家拥有的结构良好的知识不是一些孤立的事实或命题，而是以大概念或核心概念组织的专业知识体系，即有层级的概念体系。在问题解决中，专家的大概念或核心概念的思维方式有利于专家提高对问题的理解力。而新手的知识极少是以大概念或核心概念组织的，他们往往通过自己的日常直觉寻找解决问题的答案。
由此，国际科学教育界进一步深化“少而精”的科学教育理念，提议科学教育应致力于让学生理解科学大概念的科学教育原则，并提出14个科学大概念，包括科学概念，以及关于科学本身和科学在社会中所起作用的概念（Harlen等，2010）。我国科学教育的各类课程标准也都提出要围绕科学重要概念组织科学课堂教学以提升学生科学素养的教学建议，强调发挥重要概念或核心概念在课程内容组织与学生科学素养发展方面的重要价值。
如何评价学生的概念学习
目前有一糟糕的现象，是教师以为学生都理解了所学内容，学生自己也以为自己理解了所学内容，但其实未必，因为学生一遇到新情境或实际问题，就不能迁移应用这些新学的内容。这一糟糕现象是与教师的教学评价理念及其掌握的评价技术有关的。若科学课程的学习被作为知识的掌握而不是素养的提升，那么教学评价的出发点就会在于检查学生掌握的知识，而学生只用记忆知识的文本涵义就可应对这样的教学评价。 从学生概念学习的角度看，当处于以下4种状况时，可以说学生理解了或者有了理解：当学生建构的意义能获得他人的共鸣或分享时；当学生观点中的内在矛盾获得调和时；当学生的解释没有多余或者不必要的命题时；当学生能够以科学范式的概念和方法确证他们的观点时。
评价学生对科学概念的理解，不仅仅是在学习结束之时，更应该在学习过程中以评价促进学生的学习与理解。已有研究显示，最佳的评价反馈模式是及时对错反馈与详细报告反馈的组合运用，最有利于促进学生投入与表现（van der Kleij等，2012；Hattie和Timperley，2007）。为此，科学教师不仅要掌握教学测评的一些基本技术，如命题规划、信效度与难度的把握等，更要掌握多种测评方式，将评价嵌入学习活动之中，全程监控与评价反馈学生的学习情况。
在测评方式上，除了纸笔测评，还有观察与访谈、作图与写作、概念图与V形图、表现性评价，以及计算机交互式测评等多种方式可运用于测评学生的概念理解。
纸笔测评，是指以文字、图表等书面方式表征的测验。选择题、填空题、简答题、计算题等题型，是常见的纸笔测评试题类型。通过这些题型，可以测试被试者对知识的识记、理解和运用，也能测试被试者的逻辑推理和分析判断能力、探究过程的心智技能，以及书面表达和交流能力等。
观察评价是完全不同于纸笔测评的一种评价方式。没有试题或问卷，在自然的现场状态下进行，被观察者一般不知自己正在被观察评价，评价完全是由观察者一方发起和进行的。观察收集什么信息、对观察所见给以怎样的评判，都由观察者单方把握。因此，一个客观的观察标准，对于提高观察评价的信效度起着非常重要的作用。制订观察标准，包括细化观察评价的目标、基于目标预期可观察到的被试行为并确定评价行为的准则，最后可以表征为一份观察记录单或者一份观察评价表。
当概念学习者年幼，或者学习者初步学习某一重要科学概念时，由于尚未了解相关的许多术语，就会难以用言语表达对科学概念的理解或应用。在这种情况下，科学教师宜采用作图的方式进行评价。另外，学生在科学学科的学习中，会有一些写作方面的任务，例如，撰写实验计划、实验报告、实验记录、调查报告、论文等。这些科学写作与文学创作不同，强调正确运用科学术语及其证据对问题进行合理的解释或解答。将科学写作作为评价学生科学概念理解的一种方式，不仅可以细致诊断学生科学概念理解情况，也可发展学生科学术语运用，以及科学解释、科学论证等科学探究能力，所以科学写作还被作为促进学生探究性学习的一种方式（Champagne，1996）。
概念图是将概念以整合、层级方式表现其相互之间关系的工具，既可以作为学生学习科学概念的认知工具，也可以作为科学教师评价学生概念学习的评价工具。V形图（Gowin，1981）既是學习者建构意义的认知工具，也是深度检测学习者概念理解的评价工具。V形图要求学习者或者被试对某一焦点问题能从具体事件或物体出发，剖析关键概念与方法论两方面的要点，从而整合理论与实践两个方面对问题进行深入思考与有效解决。
表现性测评是评价学生运用已有知识解决真实的、具体的任务的一系列“表现”（Stiggins，2001；Baron，1991）。这一系列表现，是指学生以特定的方式执行任务的所说、所做及所创造（Fitzpatrick和Morrison，1971）。在科学教育评价中，表现性测评就是让学生面对富有挑战性的真实问题，运用所学的科学概念和能力，使用相关材料和仪器等实物，通过合理的过程解决问题。在测评指标上，表现性测评指向于重要科学概念的理解，以及高阶思维能力的运用（Emiliannur等，2017；Shavelson等，1991），任务可以是在30～60分钟的时间内限时完成，也可以是经过几个月或1个学期这样一段时间完成。
近20年来，国际教育评价改革聚焦于如何凸显计算机人工智能与人脑在测评任务中的互动（Booth，1991，1998），即人机交互（HCI），从而更智能地测评学生的综合素养，以引领教育培养21世纪人才。例如，美国国家教育进步评价项目（NAEP）于本世纪初就聚焦于交互式任务的探索，开展计算机交互式测评（ICA）试点研究，并在每轮学科测评中都加入交互式任务。2014年的首轮技术和工程素养测评则全部采用ICA，其交互式任务例如要求学生为一座城市设计可供人们将自行车作为主要交通工具的自行车道，为此学生不仅要考虑可满足人们出行需求的工程设计问题，还要权衡成本与安全等问题（NAEP，2016）。这样的任务，不仅评价学生对技术和社会、设计和系统，以及信息技术的认知和理解，还评价融入学生情感态度的理解技术原理、制订方案实现目标、交流与合作等实践能力（NAEP，2014，2016），从而真正有效测评与21世纪人才更匹配的素养。我国基础教育也应探寻适合我国基础教育测评需求与应用的科学素养计算机交互式测评理论与技术、测评工具与实施模式，发挥信息技术的优势变革教育评价，以推进我国基础教育立德树人根本目标的落实、学生科学素养的提升，以及教育信息化的进程。
何谓科学概念
人类对自然与人文的任何认识成果，都是通过形成各种概念总结和概括的，进而形成知识体系。科学概念专指科学知识体系中的概念，是人类认知、交流、发展对客观世界和人类自身的认识的思维形式。与其他领域的概念，尤其是文学领域的概念不同，作为一类科学知识，科学概念必须是基于实证研究的，且必须是经过系列规范的程序而被科学共同体所认可的。所以，每一個科学概念，都有其特定的、公认的术语或名词，都有其约定的、可检验的内涵和外延，代表公众的共识而非个体私有之见。
科学概念亦有层次之分。概括程度高的大概念，即上位概念，包含概括程度低的小概念，即下位概念。器官是花的一个上位概念，指由多种细胞和组织构成的、行使一定功能的结构单位。器官的概念外延包括心脏、肺、肾脏等动物器官，以及根、茎、叶、花、果实、种子这植物6大器官。桃花是花的一个下位概念。与器官、花这类需要通过下定义概括其特有属性的定义性概念或抽象概念不同，桃花属于具体概念，通过正例、反例的观察与辨别可获得其涵义，其概念外延包括桃花的各个品种及变种。
科学概念与科学概念之间的逻辑联系，构成了科学模型、原理与定律等科学知识，由此形成以科学概念为单元的、有结构的科学知识体系。例如：根、茎、叶、花、果实、种子之间的结构与功能的协同作用，构成了植物体；电阻、电压、电流等在电路中的关系形成了欧姆定律。因此，学生掌握科学概念是形成和表达科学知识体系的基础。
为何要重视科学概念的教学
自国际公众科学素养促进中心主任米勒（Miller，1983）在前人的研究基础上，提出了影响至今的科学素养三维模型以来，科学概念就一直是科学素养的重要组成部分。我国中小学的综合科学课程（包括初中科学、小学科学等学科）与各分科科学课程（包括物理、化学、生物、地理等学科）借鉴米勒的三维模型，从知识、能力和态度这3个维度提出各自学科领域的科学教育目标与内容（教育部，2011，2017）。概括中小学科学教育各类课程标准，可提炼出我国中小学科学教育在培养中小学生科学素养方面的共性目标，分别是：获得科学事实、概念、原理和规律等基础知识，理解科学知识在生产、生活中的应用，以及对社会发展的影响；掌握科学思维和科学探究的方法，并能在科学实践中应用这些方法解决真实世界中的实际问题；养成对科学的学习兴趣，具备实事求是的科学态度与科学精神，形成运用科学知识和技能参与社会决策的意识和责任感。
随着科技的进一步发展，以及知识经济的到来对21世纪人才的综合能力与核心素养的需求，国际科学教育与教育测评项目对科学素养的界定又有所发展，进一步增强对科学应用，以及科学、技术、工程、社会之间的关系理解的要求。例如，美国于2013年颁布的《新一代科学教育标准》要求美国科学教育通过以围绕科学大概念而组织的科学实践提升学生科学素养。
从美国《新一代科学教育标准》的实践内涵看，除了强调对问题基于证据的解释，即探究，还重视社会与文化在科学探究中的权重，从而将科学回归到人类的实践本质特征上，脱离了“科学研究就是实验室实验与理论研究”的单一图景（林静，2014）。由此，美国《新一代科学教育标准》从以下3个维度组织科学素养的培养目标与内容：科学知识维度——科学与工程的跨学科概念和学科核心概念；能力与过程维度——科学探究与工程设计的实践；科学社会学维度——科学、工程与社会之间的关系。
由以上所述可见，科学概念一直是科学素养的重要维度。而学习科学在专家与新手方面的比较研究结果，佐证了科学概念在科学素养发展中的重要性。研究表明，专家与新手的差异不仅仅表现在能力方面（如记忆力、推理与建模能力），还在于专家具有宽厚且结构良好的知识。概念是专家组织和呈现这些结构良好的知识的基本单元。这些结构良好的知识能使专家识别新手注意不到的信息特征和有意义的信息模式，从而影响专家对信息的组织、再现和理解，进而影响专家的记忆、推理和问题解决能力。
物理、数学和历史等学科领域的学习科学研究结果进一步表明，专家拥有的结构良好的知识不是一些孤立的事实或命题，而是以大概念或核心概念组织的专业知识体系，即有层级的概念体系。在问题解决中，专家的大概念或核心概念的思维方式有利于专家提高对问题的理解力。而新手的知识极少是以大概念或核心概念组织的，他们往往通过自己的日常直觉寻找解决问题的答案。
由此，国际科学教育界进一步深化“少而精”的科学教育理念，提议科学教育应致力于让学生理解科学大概念的科学教育原则，并提出14个科学大概念，包括科学概念，以及关于科学本身和科学在社会中所起作用的概念（Harlen等，2010）。我国科学教育的各类课程标准也都提出要围绕科学重要概念组织科学课堂教学以提升学生科学素养的教学建议，强调发挥重要概念或核心概念在课程内容组织与学生科学素养发展方面的重要价值。
如何评价学生的概念学习
目前有一糟糕的现象，是教师以为学生都理解了所学内容，学生自己也以为自己理解了所学内容，但其实未必，因为学生一遇到新情境或实际问题，就不能迁移应用这些新学的内容。这一糟糕现象是与教师的教学评价理念及其掌握的评价技术有关的。若科学课程的学习被作为知识的掌握而不是素养的提升，那么教学评价的出发点就会在于检查学生掌握的知识，而学生只用记忆知识的文本涵义就可应对这样的教学评价。 从学生概念学习的角度看，当处于以下4种状况时，可以说学生理解了或者有了理解：当学生建构的意义能获得他人的共鸣或分享时；当学生观点中的内在矛盾获得调和时；当学生的解释没有多余或者不必要的命题时；当学生能够以科学范式的概念和方法确证他们的观点时。
评价学生对科学概念的理解，不仅仅是在学习结束之时，更应该在学习过程中以评价促进学生的学习与理解。已有研究显示，最佳的评价反馈模式是及时对错反馈与详细报告反馈的组合运用，最有利于促进学生投入与表现（van der Kleij等，2012；Hattie和Timperley，2007）。为此，科学教师不仅要掌握教学测评的一些基本技术，如命题规划、信效度与难度的把握等，更要掌握多种测评方式，将评价嵌入学习活动之中，全程监控与评价反馈学生的学习情况。
在测评方式上，除了纸笔测评，还有观察与访谈、作图与写作、概念图与V形图、表现性评价，以及计算机交互式测评等多种方式可运用于测评学生的概念理解。
纸笔测评，是指以文字、图表等书面方式表征的测验。选择题、填空题、简答题、计算题等题型，是常见的纸笔测评试题类型。通过这些题型，可以测试被试者对知识的识记、理解和运用，也能测试被试者的逻辑推理和分析判断能力、探究过程的心智技能，以及书面表达和交流能力等。
观察评价是完全不同于纸笔测评的一种评价方式。没有试题或问卷，在自然的现场状态下进行，被观察者一般不知自己正在被观察评价，评价完全是由观察者一方发起和进行的。观察收集什么信息、对观察所见给以怎样的评判，都由观察者单方把握。因此，一个客观的观察标准，对于提高观察评价的信效度起着非常重要的作用。制订观察标准，包括细化观察评价的目标、基于目标预期可观察到的被试行为并确定评价行为的准则，最后可以表征为一份观察记录单或者一份观察评价表。
当概念学习者年幼，或者学习者初步学习某一重要科学概念时，由于尚未了解相关的许多术语，就会难以用言语表达对科学概念的理解或应用。在这种情况下，科学教师宜采用作图的方式进行评价。另外，学生在科学学科的学习中，会有一些写作方面的任务，例如，撰写实验计划、实验报告、实验记录、调查报告、论文等。这些科学写作与文学创作不同，强调正确运用科学术语及其证据对问题进行合理的解释或解答。将科学写作作为评价学生科学概念理解的一种方式，不仅可以细致诊断学生科学概念理解情况，也可发展学生科学术语运用，以及科学解释、科学论证等科学探究能力，所以科学写作还被作为促进学生探究性学习的一种方式（Champagne，1996）。
概念图是将概念以整合、层级方式表现其相互之间关系的工具，既可以作为学生学习科学概念的认知工具，也可以作为科学教师评价学生概念学习的评价工具。V形图（Gowin，1981）既是學习者建构意义的认知工具，也是深度检测学习者概念理解的评价工具。V形图要求学习者或者被试对某一焦点问题能从具体事件或物体出发，剖析关键概念与方法论两方面的要点，从而整合理论与实践两个方面对问题进行深入思考与有效解决。
表现性测评是评价学生运用已有知识解决真实的、具体的任务的一系列“表现”（Stiggins，2001；Baron，1991）。这一系列表现，是指学生以特定的方式执行任务的所说、所做及所创造（Fitzpatrick和Morrison，1971）。在科学教育评价中，表现性测评就是让学生面对富有挑战性的真实问题，运用所学的科学概念和能力，使用相关材料和仪器等实物，通过合理的过程解决问题。在测评指标上，表现性测评指向于重要科学概念的理解，以及高阶思维能力的运用（Emiliannur等，2017；Shavelson等，1991），任务可以是在30～60分钟的时间内限时完成，也可以是经过几个月或1个学期这样一段时间完成。
近20年来，国际教育评价改革聚焦于如何凸显计算机人工智能与人脑在测评任务中的互动（Booth，1991，1998），即人机交互（HCI），从而更智能地测评学生的综合素养，以引领教育培养21世纪人才。例如，美国国家教育进步评价项目（NAEP）于本世纪初就聚焦于交互式任务的探索，开展计算机交互式测评（ICA）试点研究，并在每轮学科测评中都加入交互式任务。2014年的首轮技术和工程素养测评则全部采用ICA，其交互式任务例如要求学生为一座城市设计可供人们将自行车作为主要交通工具的自行车道，为此学生不仅要考虑可满足人们出行需求的工程设计问题，还要权衡成本与安全等问题（NAEP，2016）。这样的任务，不仅评价学生对技术和社会、设计和系统，以及信息技术的认知和理解，还评价融入学生情感态度的理解技术原理、制订方案实现目标、交流与合作等实践能力（NAEP，2014，2016），从而真正有效测评与21世纪人才更匹配的素养。我国基础教育也应探寻适合我国基础教育测评需求与应用的科学素养计算机交互式测评理论与技术、测评工具与实施模式，发挥信息技术的优势变革教育评价，以推进我国基础教育立德树人根本目标的落实、学生科学素养的提升，以及教育信息化的进程。