跨学科概念引领下的科学教学

2022 年教育部制定的《义务教育课程方案》和各学科课程标准颁布，是我国开展基于核心素养教育改革的重要环节。本次修订从义务教育的课程体系、结构、内容与实施等方面进行了全方位完善，其中“跨学科主题学习活动”的增设引起了各界的强烈关注。这体现了在当前课程改革突出强调的学科间相互关联、带动课程综合化实施、强化学科实践的具体要求，同时也给中小学教育实践提出了新的研究课题。

在科学教育领域，跨学科主题并不少见，科学教育本身就是各门自然科学的综合，同时在技术与工程学习内容被融入科学教育之后，其跨学科特征更加明显。在《义务教育科学课程标准（2022 年版）》的课程理念中明确提出“在学习学科核心概念的基础上，理解跨学科概念，并应用于真实情境”[1]。但要想真正落实跨学科的学习要求，促进学生理解跨学科概念，却也不是一件易事。

跨学科与跨学科概念

要准确理解“跨学科主题学习”，首先应对什么是跨学科有清晰的认识。根据美国国家跨学科研究委员会2004 年给出的界定：跨学科是指如果遇到单一学科或领域难以解决的问题时，需要综合两个或两个以上的学科或专业知识体系的角度和技术解决，从而创造出目前学科专业划分不能达到的新知识。并指出，跨学科的关键在于如何将不同的学科相联系，即学科之间的对话与合作，跨学科是以问题为纽带，或以项目为主要组织形式，解决实际问题[2]。可以说，跨学科最重要的特征是具有整合性，是复杂问题的解决需求驱动了跨学科的产生。面对解决复杂问题的需求，只有具备综合分析能力、问题解决能力、创新能力等综合素质才能更有效地实现跨学科。

与跨学科理念一致，体现跨学科内涵与特征的是跨学科概念。2011—2013 年期间，美国先后颁布了《K—12 年级科学教育框架》[3] 和《新一代科学教育标准》[4]，对K—12 科学教育进行了重新架构，提出科学教育的三个维度，即“科学与工程实践”“跨学科概念”和“学科核心概念”。正式将技术与工程教育、跨学科教育融入K—12 科学教育体系。在该标准中跨学科概念是指那些跨越学科界限、在科学与工程的许多领域具有解释价值的概念。包括模式；原因与结果；尺度、比例与数量；系统与系统模型；能量与物质；结构与功能；稳定与变化7 个跨学科概念[4]。

在此之后，跨学科概念得到了国际的广泛认同。2018 年，经济合作与发展组织（OECD）的《学习框架2030》将学生的能力分为知识、技能、态度与价值观。能力不仅意味着知识和技能的获取，更涉及知识、技能、态度与价值观的综合运用。其中“知识”维度包括学科知识、跨学科知识、认知知识和程序知识，并强调跨学科知识对于理解和解决复杂的问题越来越重要[5]。

2019 年，联合国教科文组织发布《探索21 世纪的STEM 素养》，将STEM 教育定位为跨学科教育，旨在培养具备STEM 素养的21 世纪公民。为此，该文献中对何为STEM素养进行了研究，并最终将STEM 素养定义为：为实现个体的、集体的和全球性的发展期望，能够调动和有道德地使用知识与技能、态度与价值观及技术有效参与的发展性能力，包括知识、技能、态度和价值观三个要素[6]。其中STEM 素养的“知识”维度由“各学科领域的大概念”“贯穿STEM 学科的大概念”和“STEM 职业相关的技术性知识”组成，而“贯穿STEM 学科的大概念”指的亦是跨学科概念。

跨学科的教育意义

跨学科既是一种教育理念，也是一种课程形态或教学模式，是以问题与项目为纽带把关联的多门学科予以整合，促进学生运用跨学科知识和方法解决综合性问题、提升高阶思维能力的一种教育教学实践样态[7]。张炜等学者在对全球跨学科教育研究的特征与趋势进行分析之后，指出跨学科教育是在遵循学科发展规律、教育发展规律的基础上，通过系统的跨学科教学、研究与学习，培养具备复合知识、高阶思维和跨界能力的创新型人才的一种教育活动，其最终目的是培养学生运用跨学科思维解决复杂问题的综合素养[8]。

跨学科教育的特点实现了对传统教育模式在培养目标、组织管理、主体关系、教育内容、教学方式等诸多方面的变革。如培养目标上，跨学科教育强调思维能力的拓展和综合素质的培养，突破了学科教育的束缚；组织管理上，跨学科教育基于复杂问题或项目开展学习，创设学习型社团，组织上更为灵活；主体关系上，跨学科教育突出以学生为中心的教育，将教师和学生视为教育活动的平等参与者；教育内容上，跨学科教育通过聚焦于问题或项目，将相关的多个学科整合为学习内容，具有发散性和生成性的特点；教学方式上，跨学科教育往往通过对话、沟通与协作探索感兴趣的问题，以探究式、参与式的教学方式为主，体现了教学方式和过程的实践性[9]。

近年来，运用跨学科的方式开展教育，关注跨学科概念的学习逐渐成为共识。OECD 的《学习框架2030》阐述并强调跨学科概念对理解和解决问题的重要性，认为学生学习跨学科概念可以促进其更深层次的学习，以及知识和技能更有效的迁移；通过跨学科概念以一种相互关联的方式呈现知识，有利于反映我们所生活世界的复杂性；通过将跨学科主题嵌入现有课程，联结起不同的学科教育，在提升综合素养的同时促进学生对学科内容的理解等[5]。

跨学科概念有哪些？

当前，各国教育界对跨学科概念的提法各不相同。在我国，《义务教育科学课程标准（2022版）》中设置了13 个学科核心概念和4 个跨学科概念，通过围绕13 个学科核心概念的科学学习，实现对“物质与能量”“系统与模型”“结构与功能”“稳定与变化”4 个跨学科概念的理解，图1 是课标中呈现的结构图。

物质与能量

世界是物质的，小到微观粒子，大到宇宙空间，都是物质；运动是物质的基本属性，能量是一切运动物质的共同特性，也是各种运动的统一量度；与物质和运动相伴，能量有多样的形式，可以通过做功相互转化；但在转移和转化的过程中，总量却保持不变[1]。物质与能量是极其重要的概念和自然规律，经过了漫长的探索才逐渐形成。

物质与能量在所有科学与工程的学科中都是非常重要的概念，它们往往与系统相结合。

追踪物质与能量在所研究系统内部及外部的转移、输入和输出的过程不仅有助于更深入地理解系统，其实也是科学家对系统开展研究的思路之一。在系统中都存在各种类型的循环，其中也包括了物质和能量的循环。考虑能量与物质在系统或过程中的输入、输出、流动或转移对科学研究和工程问题解决来说都非常关键。工程设计的一项主要目标就是在最大化某些类型的能量输出的同时使其他的能量输出最小化，以尽量减少完成预期任务所需的能量投入。

结构与功能

不同组成与结构的物质具有不同的性质，物质的性质决定了其功能与用途[1]。系统包括边界、成分和相互作用，其中的成分与相互作用的总和是系统的结构，物体的结构决定了其主要特性和功能[10]。不同领域的结构有不同的表现形式。从狭义上说，结构是系统中各成分的空间位置及连接关系。广义上说，结构是系统中各成分的关系。

无论是物质科学还是生命科学，结构与功能的实例无处不在。自然界的生物经过长期的进化，从某种意义上说，其结构是漫长进化演变的结果，它不仅能较好地适应环境，还具有特定的功能。仿生学就是通过研究生物体的结构与功能进行发明创造。也可以说，结构与功能是自然科学任何一个领域都有的共性。

结构与功能是互补的性质。自然和人造物品的结构及稳定性与其功能紧密相关。自然系统和人造系统的运作都依赖某些关键部件的形状和这些部件之间的关联，以及组成它们的材料的性质。在一个特定的量级上或在研究特定的现象时，为了知道哪些性质或哪些方面是需要考虑的，必须对尺度有所了解，即根据提出的问题选择合适的尺度[11]。例如要理解自行车的工作原理，最普通的尺度是宏观视角，即研究车身、轮子、链条、踏板等部件的结构和功能；但如果问题是制作出更为轻便的自行车，则需要结合问题从材质方面入手，寻找刚性和硬度都适合但密度却较低的材料，从更微观的尺度研究结构与功能问题。

系统与模型

系统是根据研究目的人为界定的，是由一些有关联的物体或元素组成的有序整体。系统包含边界、元素（成分）和相互作用。模型是经过处理的简化系统，能体现原系统的本质特征，是描述和理解系统的有效工具[10]。模型包括物理模型、数学模式和概念模型。模型具有系统的本质特征，模型与系统之间存在某种相似性，除了可以解释一部分系统的现象，还可以从模型预测系统更多的现象[10]。

系统与系统模型在科学与工程学中很有用处，它可以帮助研究者预测系统的行为、诊断系统的功能问题或故障。用于发展科学解释或工程设计的优化的系统模型，不仅必须详细说明系统的各个部分或子系统及边界，还必须指出它们之间是如何相互作用的，并认识到这些相互作用都涉及系统各部分怎样的能量、物质和信息的转移[3]。但同时，一个系统的任何模型都包含了假设和近似，研究的关键是要明白这些假设和近似是什么，以及它们是如何影响模型的可靠性和精确度的。

稳定与变化

稳定与变化展示了自然界一切事物的演变历程，稳定与变化是系统的特点；不同系统的变化速度是不同的，考察系统的稳定或变化需要适当的时间及空间尺度；变化是绝对的，变化与稳定又是相对的；可以从宏观和微观的角度解释稳定与变化的原因，以及相关的很多现象。

稳定与变化是许多科学与工程学实践中必须考虑到的因素。稳定指至少在观察的尺度上，系统的某些方面保持不变的情形。稳定意味着当系统遇到一个小干扰时会产生某些变化，但这些变化会逐渐消失，也就是说，系统会保持或回到原先的稳定状态。这种稳定性可以表现为不同的形式，其中最简单的是静态平衡。相对应的，具有稳定的流入和流出的系统被称为处于动态平衡[11]。

此外，一个系统可能在较小的时间尺度内呈现稳定性，但在较大的时间尺度内显示出变化，如地球系统的演变。对于大型系统的发展，相应的时间尺度实际上可能是非常长的；此类过程的发生要经历数百万年甚至数十亿年。

跨学科概念引领下的科学教学

通过持续的科学学习，学生将围绕图1 中的学科核心概念经历有进阶的、循序渐进的学习过程，并逐步构建其对跨学科概念的理解。根据《义务教育科学课程标准（2022 年版）》，表1 中给出在这样的学习过程中能与每个学科核心概念有效衔接的跨学科概念，指向跨学科概念建构的教学活动将更好地促进学生理解学科核心概念，并进而奠定理解更深层次概念与跨学科概念的基础。

可见，在基础教育阶段，对跨学科概念的理解并非学生直接探究和实践的结果。因此，“引领”意味着将跨学科概念隐含于教与学的过程中，让其所体现的自然发展规律和学科关联性逐步渗透在学生的思考和实践中，让学生逐渐深入地体会和认同，并不知觉地运用跨学科概念思考问题、明确解决问题的方向，这将有助于学生在科学观念、科学思维层面上的发展与进步，在科学教育中必然有其重要的意义和作用。以下结合具体实例和本期专题的几篇实践文章，谈一谈跨学科概念如何引领科学教学。

在制订教学目标时考虑跨学科概念

教学目标对于教学活动的重要性不言而喻，但在制订教学目标时直接落脚于跨学科概念的情况却非常少。有一点原因在于跨学科概念是更为抽象的、跨越学科界限的，其形成也需要经过较长的时间，或者说在学生高中毕业之前都未必能完全理解跨学科概念，更不要期望在一个具体的教学活动中达成对跨学科概念的理解。但这并不意味着在制订教学目标时可以完全不考虑跨学科概念，有意识地将跨学科概念与教学目标相衔接，能从更深的视角理解教学目标的意义。

如《义务教育科学课程标准（2022 年版）》的附录3 教学案例中，有一个题为“设计制作一座桥”的案例。这是个面向小学高年级学生的技术与工程领域的学习内容，从该案例的教学目标（表2）中不难看出在设计和制作桥梁的背后是“系统与模型”和“结构与功能”两个跨学科概念的支撑，这也使得在教学时教师不仅要关注学生对桥梁的理解，更要关注学生是否能从系统、结构的层面分析桥梁，在模型的设计和制作时也要关注学生是否考虑系统、是否考虑结构与功能的关系，从而拓展了学习内容的深度。