水环境科学是一门集地理学、生态学、化学、物理学、社会学等为一体的交叉学科，具有较强的知识性和实践性。对中小学生而言，水环境科学的教学目标不是让他们仅仅只获得由一堆事实和理论堆砌而来的知识，而是激发他们学习的潜在动力并掌握学科的内核知识，打通学校教育与现实世界的路径，让他们能够将所学知识与生活事件进行关联，这是一个实现趋向于学科大概念的进展。
因此，教师在扭转形式化、碎片化和机械化的教学进程中，需要以大概念为统领培养中小学生的学科核心素养，实现对教学内容结构化、系统化，帮助他们深刻地理解水环境科学的相关知识，并进一步学会加工运用知识及迁移知识。
水环境科学的定义与特征
水环境科学是针对日益突出的水环境问题，以水圈为研究对象，综合应用环境科学、水利科学，以及其他相关学科的基本理论知识，研究水环境的形成和演变规律，特别是人类活动对水环境系统的组成、结构、性质和状况的影响，进而指导人类合理修复、保护和开发利用水资源，维护生态平衡（窦明和左其亭，2014）。
水环境集科学性、社会性和生活性于一体，复杂且实践性强。首先，自然界的水，以及水中元素在分布、迁移和转化的过程中遵循一定的自然规律，具有科学性。在水环境的研究过程中，不仅需要相关理论知识，还需要具备严密的科学思维和全面的知识背景。其次，水环境科学主要用于研究人类在开发和利用水资源过程中出现的一切与环境有关的新问题，揭示社会经济发展、水资源开发利用与水环境保护之间的对立统一关系，从而在人类对自然环境改造和能动作用的基础上保持水环境平衡，因此具有明显的社会性并且受到广泛关注。此外，水环境是人类社会赖以生存和发展的重要场所，也为人类的生产提供了主要的物质基础，与我们的生活息息相关，具有生活性且实践性强。
基于水环境科学的3个特征，中小学教学过程中需要重点关注的是建立水环境科学与现实情境的关联，培养中小学生在现实情境中学会应用所学知识关联现实世界的问题，从而进入深度学习并形成理解水环境科学的新方式，这是教学内容结构化、促进学科核心素养形成的关键所在。
以大概念为统领的核心素养在水环境科学教学中的价值
知识体系具有链条式和网状线的特点，新旧知识之间存在强关联的连接点，新知识在旧知识的基础上拓展和延伸，形成一个非零星分布的系统。不断地完善知识体系进而形成结构化的知识构架，是帮助中小学生打通学科脉络、形成学科思维的关键过程。这样中小学生才能在水环境科学的学习或者应用过程中贯通知识、驾轻就熟。然而有限的教学时间和复杂的学科知识之间的矛盾，对系统化和结构化的教学形成了较大的阻力，有效的解决办法就是以最核心、最有价值的大概念作为统领，将细碎且繁琐的知识学习舍弃，抓住重点和大概念使学科教学内容结构化，培养中小学生学会了解和解决真实情境中的水环境问题，形成学科核心素养。
核心素养的生成
学科核心素养的形成过程即学科知识的具身性、情境性和实践性过程。核心素养的核心是真实性，而真实性要求教学内容既要符合现实生活中的复杂性（劣构、多元、动态），也要符合学生的兴趣和经验。以真实性为内核的核心素养是撬动水环境科学课堂转型的一个支点，目的不再是单纯的知识点教学，而是使中小学生获得解决真实世界问题的能力。
以大概念为统领的核心素养
学科大概念是学科中具有高度概括性、广泛联系性、极强实用性和最强解释性的关键概念，是表现该学科本质和反映学科思想方法的上位核心概念。大概念通过联系下位的具体概念聚合学科内外的相关内容，并以此表征学科的本质（余文森，2018）。大概念揭示了事实性知识背后的规律，是知识的附着点、聚集点、生长点和组织者，具有将知识点结构化的功能，实现概念关联和概念拓展，从而能有机地将碎片化知识进行关联。对中小学生而言，进行有机关联的知识不仅便于记忆，也更利于在旧的知识基础上学习新的知识。此外，当中小学生在现实世界中遇到新的情境或者新的问题时，也能够将这些知识进行迁移应用，这才是真正指向中小学生对水环境科学的核心素养培育。大概念教学强调挑战性，复杂的真实性问题、带有挑战性的问题可以调动学生积极性，促进中小学生对知识的深层次理解，提高学生的迁移、记忆能力，减少记忆性的知识，获得像专业一样的思考方式，实现教师教得少、学生学得多，走向“轻负担高质量”，并在未来持续发生作用。
大概念教学的探究
大概念教学的建立过程
水环境科学是研究自然界中水的形成、分布和转化所处空间的环境，以及直接或间接影响人类生活和发展的水体的学科，其内容兼有自然学科和社会学科，涉及自然与人文要素及区域系统的格局、动态过程和机制。水环境科学的大概念可以看作是多个大概念的集合，例如水文气象学、水文地理学、水环境化学、水环境生态学等，这些大概念搭建起该学科的基本框架和知识体系。因为大概念具有高度的抽象性、间接性和概括性，所以在大概念之下还存在下位概念和事实帮助其具体化（见图1）。
图1 大概念教学的建立过程
大概念的建立需要经历“具体—抽象—具体”的循环过程，是归纳与演绎协同思维的结果。首先，大概念是有组织、有结构、有逻辑的水环境科学思维、方法、原则和观念的统一体，例如：太阳能和地球重力是水循环的能量来源。
其次，下位概念是对所感知事物的共同本质特点的抽象概括，例如：蒸发或者降水。
再次，主题是能够提供思维框架、阐明内容之间联系、蕴含大量相关事实的学习分类，例如：水循环是水在海洋、陆地和大气中进行固、液、气三种形态的转变。
最后，大概念虽然表现为抽象的概念、观念或者论题，但是需要结合具体的事实加以支撑，而且具体事实越多、越丰富，大概念的迁移性就越强。
中小学生能够掌握知识并且学会迁移应用，除了要具备必要的丰富体验之外，还需要将他们的日常体验进阶至大概念以激活他们的常识体验。如果只停留在下位概念之间的关联而没有上升到大概念，或者只是提到了大概念而没有围绕大概念进行构建，都无法构建系统化、内容结构化的教学，也无法培养中小学生的学科核心素养。
大概念教学的评价设计
该评价设计是针对教学过程中，大概念的理解与迁移是否得以实现而进行的。迁移是把一个情境中学到的知识迁移到新的情境中并加以应用的能力。迁移的最终目标是解决真实世界中的问题，即从良构、单一、静态的问题情境中转变为劣构、多元、动态的真实问题情境。所以在大概念教学过程中，需要教师在通过问题情境引入教学内容之前就要采用合适的大概念；教师精炼的问题情境能引发学生持续地靠近问题本质，激发学生不断深入思考；在教师与学生之间采用反复提问与回答的方式进行讨论后，教师就能够考查清楚大概念对于情境的使用程度；进而根据教学的具体情况和新情境修改和完善自己的理解，再次完善大概念教学过程中的环节设置（见图2）。
图2 大概念教学的评价设计
需要注意的问题
大概念教学在单元层面进行是由其性质决定的。一个抽象的概念要通过一定数量的具体案例才能得以支撑，与“浅而宽”的学习不同，大概念教学追求“少而精”。一堂课的内容相对简单而且时间较短，容易导致课堂内容无法涵盖大概念的深入发展，也很难探究学科的基本问题和实际应用。这里所说的单元具有拓展性结构，既包括在集中一段时间内教学的单元，也包括不集中时间教学，分布在各个不同的学段和学习期间，但指向同一个（组）大概念的单元。围绕大概念的单元整体设计是按照大概念的逻辑而非按照内容的逻辑，考虑大概念之间，以及下位概念与大概念之间的关联划分单元组块，选取相应的内容和资源并将它们序列化。
由中国科协青少年科技中心主持的2020年全国青少年科学调查体验活动“知水善用”活动指南的活动设计就是将学科大概念的核心元素融入其中，从整个地球的宏观尺度，到以城市或者乡村为单位的中观尺度，再到生物体内微观尺度，依次介绍自然水、植被水和城市水，让学生对水资源、水生态、水利用和水净化4个方面进行较为全面系统的学习，培养学生科学的水环境生态文明价值观，为全国中小学开展水环境科学教育提供与时俱进的活动内容支持，也期待全国能有更多中小学师生能够参与到该活动中。
转载自：“中国科技教育”微信公众号
本文原载于《中国科技教育》2020年第12期专题“知水善用——青少年水环境科学教育”，作者刘智勇／中山大学土木工程学院水资源与环境研究中心，魏丹（通讯作者）／广东省林业科学研究院，有删减。
