美国科学课程中的跨学科概念：演进、实践及启示 原创 李瑞雪、王健 人大基础教育期刊社 8月16日

       （一）跨学科概念的构成要素

       跨学科概念是科学研究中的一个概念范畴，包括一系列内容，呈现出比较复杂、相对完整的体系。它普遍适用于科学（包括物质科学、生命科学、地球和空间科学）、技术、工程中，能够超越各个学科的界限，但又将其联系为统一体，是一种反映科学本身的上位思维方式或工具。在确定科学教育领域的跨学科概念时，需要遵循相关的原则或标准：能够体现科学学科之间的联系和共同思维方式；是基本的、应用广泛的；能够为实施科学大纲的人所理解和运用；能够在K-12年级教育中以由浅入深的方式表达（具有学习进阶的属性）。

       根据以上标准和原则，美国国家研究理事会（NRC）共确定了模式，因果关系，尺度、比例和数量，系统与系统模型，物质与能量，结构与功能，稳定与变化七个跨学科概念。

       每个跨学科概念都是由要素组成的。有些跨学科概念由单一要素组成，如模式。还有些跨学科概念由两个或两个以上相互联系和相互作用的要素共同组成，如“结构和功能”是由结构、功能两个要素组成。跨学科概念的构成要素依性质可分为两类：第一类主要说明事物变化的特征，是对科学内容的高度抽象和概括，称为框架性要素，如物质、能量、结构、功能等；第二类主要反映事物运作的根本原因，是对事物进行外在描述，以及对事物进行分析的方法，重点指向科学本身，属于分析方法的范畴，称为工具性要素，如模式、机制、模型等。

       根据构成要素的不同，可将跨学科概念分为两大类，由工具性要素组成的跨学科概念称为工具性跨学科概念，由框架性要素组成的跨学科概念称为框架性跨学科概念。其中系统和系统模型既属于框架性跨学科概念，又属于工具性跨学科概念（详见图1）。

       （二）跨学科概念之间的关系

       由于跨学科概念是人们认识自然界的构成及其运作方式的思维工具，因此，跨学科概念体系应该能够从各科学学科共同的角度帮助人们来认识和理解自然界。可以从系统的静态属性、动态属性和运作机制三个方面来分析跨学科概念之间的关系，如图2所示。

       自然界是由各种各样的系统组成的，这些系统可能是简单系统（如一杯溶液），也有可能是复杂系统（如生态系统）。因此，系统是跨学科概念分析对象的基本单位。

       在静态属性方面，系统都是由物质构成的，而物质又构成了自然界中各种事物的基本结构，这些结构都能执行相应的功能。例如蛋白质、糖类、核酸和脂质等物质构成细胞膜、细胞器、细胞核、细胞质等细胞结构，分别执行不同的功能，其中细胞核是遗传的控制中心，细胞膜可以控制物质进出，核糖体、内质网和高尔基体等细胞器负责蛋白质的合成、加工和运输等。此外，与物质相伴的是能量，自然界中存在各种能量形式，能量可以在不同形式之间相互转化，但遵守能量守恒定律。自然界是由物质构成的，既然是一种客观存在，那么就存在一定的数量。自然界这一超级复杂的系统是由若干更小的系统来构成的，在不同的“尺度（或范围）”上，它们的大小各不相同，存在一定的尺度和比例关系。例如，银河系、恒星、行星是由大到小的顺序，它们之间存在一定的大小比例。

       在动态属性方面，任何系统都处在不断地变化过程中，而这种变化最终会达到相对稳定的状态，一旦内部和外部的环境发生变化，系统的便捷和性质就会发生改变，因而这种相对稳定的状态被打破，然后又处于动态的变化中，经过系统与环境以及系统内部各成分之间的多重相互作用，再达到新的稳定状态。因此，系统总是处于稳定和变化的持续动态变化之中。稳定和变化是描绘系统发挥作用的方式。

       在运行机制方面，静态属性是用以描述系统的基本方式，而动态属性则是系统所呈现出来的发展状态，科学研究的实质就是探索动态发展的运行机制。通过不断地探索，收集多方面的证据，寻找规律，运用模式或模型来解释所观察到的自然现象，并进一步通过因果关系来阐释其内在机制。

       （一）跨学科概念参与科学课程设计

       1.将跨学科概念作为整合科学课程的一个重要维度

       科学课程的整合已成为美国科学教育的重要理念。《K-12科学教育框架》和《下一代科学标准》（NGSS）的发布，标志着科学学科整合进入实质性实施阶段。跨学科概念是整合各科学学科、建构整体科学的重要工具。

       《K-12科学教育框架》建立了学科核心概念、跨学科概念、科学与工程学实践三个维度相融合的科学课程范式。其中学科核心概念共涉及物质科学、生命科学、地球与空间科学，以及技术、工程与科学应用四个领域的13个核心概念。科学与工程学实践维度包含8个基本要素。这三个维度贯穿于课程理念、内容标准、教学和评价等各个环节，形成连贯、统一的整体。例如，在2年级学生学习生命科学概念“生命科学（LS）2生态系统：相互作用、能量与动态”时，NGSS中提出了学生应该达成的两项学习表现预期，同时还说明了这两项学习表现预期所涉及的科学与工程学实践、学科核心概念和跨学科概念（详见表1）。

       由上述案例可以看出，课程标准特别强调三个维度的整合，形成合力，最终体现在学生的表现预期方面。因此，跨学科概念是科学课程整合的一个重要维度，需要和科学与工程学实践及学科核心概念有机地整合在一起。

       2.运用学习进阶的思想指导跨学科概念的课程设计

       每一个跨学科概念在K-12的不同阶段都有不同的要求，随着学段的增加，对跨学科概念的学习要求也不断提高，深度和复杂程度也相应加大。这也体现了学习进阶的思想。例如，对于跨学科概念“结构与功能”，其学习进阶共分为4个水平：（1）K-2年级：学生观察自然或人工设计对象的形状，了解其结构的稳定性与功能相关。（2）3-5年级：学生了解不同材料有不同的子结构，比如通过观察，同时，子结构具有与功能相关的形状和组成部分。（3）6-8年级：学生对复杂和微观的结构与系统进行建模，并基于其形状、组成及各组成部分之间的关系可视化其功能。学生通过分析复杂的自然及人工设计的结构和系统以确定它们的功能，通过考虑不同材料的属性及这些材料可以被如何塑形并使用使其具备特定的功能。（4）9-12年级：学生通过测试系统中不同材料的性质、不同组成部分的结构及其之间的关联，来揭示系统的功能或解决问题。他们基于自然或人工设计的对象和系统整体的结构、其组成部分被塑形及使用的方式以及不同材料的分子亚结构等，推断其结构和属性。

       由此可以看出，NGSS从学生理解和应用的角度来阐释关于跨学科概念的学习进阶，强调运用水平，从低要求到高要求，从简单运用到复杂运用，从熟悉情境中的运用到在陌生情境运用。跨学科概念的学习进阶与学科核心概念及科学与工程实践的学习进阶并行，保持了科学课程发展的连贯、有序。

       （二）跨学科概念教学

       1.在与核心概念和实践的融合中学习跨学科概念

       美国学界强调三维科学学习（TDSL），即教学时要使学生处于某个核心概念和跨学科概念的情境中，同时应组织其参与到某种科学与工程实践中。

       在美国，基于NGSS的教学设计依然处于探索阶段。从跨学科概念教学的角度出发，值得关注以下两种思考：一是以表现预期作为学习目标，将实践、跨学科概念、学科核心概念的相关内容整合作为学习内容。把表现预期作为学习成果，将表现预期与基础框架联系，是教学设计的出发点和归宿。比如，为一年级学生学习生命科学概念“从分子到生物体：结构和过程”设计教学时，要以表现预期“理解植物和动物是由哪些结构组成的以及这些结构如何作用以支持其生存、生长、行为和繁殖，模拟设计解决人类现实问题的方案”作为学习目标，将跨学科概念“结构与功能”融合于教学，让学生认识到自然和人工设计的物体的形状和稳定性与其功能有关，同时使用材料设计或制备简单设备，解决现实问题，将“构建解释和设计解决方案”这一科学与工程实践的内容融入教学。二是以科学探究作为基本抓手，在“做”中学习跨学科概念和学科核心概念。应该在真实情境中开展科学探究，开展工程实践活动，寻找真实问题及解决方案，解释观察到的现象，从中学习相关跨学科概念和学科核心概念。比如，在一年级学生学习生命科学概念“从分子到生物体：结构和过程”时，让学生对观察到的有关现象分析总结，让学生设计、制作有关模拟动物或植物的作品，寻求问题解决方案，从中理解该学科概念和“结构与功能”这一跨学科概念，以达到表现预期界定的学习效果。实际上，这些基本上都还处于理念状态，距离实践操作方面还有一定距离。

       2.直接教授和反复使用跨学科概念

       针对同一跨学科概念，在学生成长的不同阶段，教师应以不同的方式和标准反复强调，使其逐步深化理解，并能够较高水平地运用。对于工具性跨学科概念，应不断地直接向学生介绍、说明，推进学生在科学学习过程中经常使用。比如教师以由浅入深的方式让学生认识“模式”这一跨学科概念，并将其运用到学科学习中。对于框架性跨学科概念，应不断渗透，经常性固化、提升。如“结构与功能”这一跨学科概念，首先从纵向进阶角度反复学习，逐渐提高水平；其次从横向的各学科核心概念的角度，多方面联系学习，学习“物质科学（PS）1.A物质的结构和性质”和“（LS）1.A结构和功能”时，都能够指向跨学科概念“结构与功能”的学习。这种学习有两种取向，一种是由相关学科核心概念延伸至跨学科概念的学习，这是主要的；另一种是学习跨学科概念相关知识，再推至相关学科核心概念，予以验证、链接，这是次要的。

       3.依托特定的情境和真实体验落实跨学科概念的教学

       跨学科概念需要以坚实的基础知识为生长点，在实践中不断地体验、感悟、积累、提炼和升华。教授跨学科概念，应该联系学生熟悉的现实生活，结合学生的自身体验，注重跨学科概念在具体科学学习中的运用，不断渗透、内化，逐渐养成、提升。美国科学教育中非常注重学生的真实体验，比如提出一些问题，让学生思考、感悟结构与功能相适应的思想：为什么飞机需要设计两翼？为什么车子的轮胎外表是褶皱的？为什么菜刀的一侧薄细？学生可以通过讨论问题，理解结构与功能的内涵、本质。

       （三）跨学科概念的评价

       依据NGSS，美国对科学与工程实践、跨学科概念和学科核心概念三个维度的学习效果进行整合式评价。贯彻“作为学习的评价”理念，将课程、教学、评价融为一体，评价被作为教学的一部分。表现预期是三维学习目标的综合，是评价的标准。表现任务基于三个维度内容设计，为“多重成分评价任务”，结合最终学习成果表现，通过评价任务的不同成分，可以关注到相对独立维度，如跨学科概念的具体表现。评价时，凸显科学学习的社会化、概念化特征，在“做”科学中实现对科学学习的评价，将知识和操作相结合。通过活动、测验、作品等收集科学学习证据，基于证据信息，作出判断，实施评价。指向跨学科概念的测评，设计的任务大多数是构答反应和绩效评估，学生被要求查明模式，形成机制和解释，区分稳定和变化，提供尺度的表征，并数据建模。如果测评的目的是度量学生对跨学科概念的认知，那么学生必须展示出“做”科学的证据，以及能评论和交流已做工作的证据。

       （一）充分认识跨学科概念对学生科学素养发展的重要价值

       跨学科概念是认识自然界的基本思想工具和科学领域必需的跨学科素养，对学生学习和认识科学学科的本质具有不可或缺的作用。在我国，课程整合理念在基础科学教育中处于不断探索的阶段，综合科学课程发展比较缓慢，而分科科学课程占据着主流地位，造成各科学学科间的统一性和联通性不够明确。这在一定程度上阻碍和影响了跨学科概念融入我国基础科学教育中，致使我国学生科学素养的发展呈现出不完整、不平衡的特征。跨学科概念对于我国学生科学素养的提升和未来更好的发展，具有独特而重要的价值。

       学习跨学科概念，有助于塑造学生整体的科学观和素养观。以跨学科概念为工具，能够将各科学学科相关的核心素养统整、协调起来，建立学科间的联系。比如，生命观念是生物学科的核心素养，物理观念是物理学科的核心素养，这些都可以纳入跨学科概念的框架，形成整体的科学观念，让学生能够从科学的视角全面了解、系统认识自然界。在科学分科教育的背景下，学生对各学科中的基本概念的理解是孤立的、单向的，学习跨学科概念后，可以在不同学科领域相同或相似的概念间建立链条和网络，从宏观上整体把握科学概念对自然界的反映。例如，能量是物理、化学、生物等学科的基本或主要的概念，学生可以从不同学科获得能量相关概念和规律的概括性认识，用于解决具体学科领域问题。这些能量的内容和存在形式并不完全相同。作为跨学科概念要素的能量，是这些学科领域能量概念的高度抽象和最终概括，为它们提供根本范式和基础框架，能够从哲学视角把握能量的本质，揭示能量与物质在自然界的客观存在和运行规律。

       学习跨学科概念，可以帮助学生更好地理解和运用科学知识。跨学科概念与学科核心概念联系密切，掌握相关跨学科概念，能够加深学生对学科核心概念的理解。例如，学习生物学中“生态系统”的有关内容时，如果掌握了跨学科概念要素系统的相关知识，比如系统的组成、运行、对外联系、守恒等，就拥有了理解生态系统及相关概念的思想方法和思维工具。掌握跨学科概念这一工具，还能够提升学生的科学探究能力和科学运用水平。比如，开展科学实践和进行工程设计时，通过建构、确定、使用、评估、修正模型，能够确定模型中潜在的因果机制，说明系统及各部分之间的组成关系。

       （二）通过循证研究研制符合我国学生实际情况的跨学科概念框架及其学习进阶标准

       目前，我国科学教育界对跨学科概念的研究，大都采用了美国NGSS中提出的七个跨学科概念。由于美国科学教育界刻画的跨学科概念进阶水平是基于美国科学教育的经验和实际情况而提出的，因此，对我国中小学科学教育中跨学科概念教学的适用性还有待进一步论证和检验。我国需聚合有关方面的力量，科学家、课程专家、科学教育工作者应联手攻关，从我国科学教育的实际情况出发，借鉴美国跨学科概念框架和分类理念，通过调查和分析，遴选出一组重要的、彼此关联的跨学科概念，建立适合我国实际情况的跨学科概念框架体系。然后基于对跨学科概念本质特征和学生认知发展规律的认识，选取不同教育水平的地区和学校开展跨学科概念教学实践探索，收集有关学生学习表现的资料和证据，基于循证研究和产品迭代思想，确立主客观统一的、科学规范并普遍适用的进阶标准，确定不同学段学生跨学科概念学习的水平和表现指标体系，为将跨学科概念融入科学课程做好必要的准备，进而为跨学科概念的教学实施和评价提供可靠的理论和实证依据。

       （三）积极探索将跨学科概念融入分科科学课程中的设计思路与方法

       将跨学科概念融入分科科学课程中，主要有以下三种设计思路：

       第一种思路是将跨学科概念作为分学科课程中的概念表征单位，将相应的重要概念和核心概念作为具体跨学科概念的下位概念，形成以跨学科概念为主、学科重要概念为辅的分学科课程概念体系。这种设计思路需要将某一学科的重要概念打散，再以跨学科概念为单位进行重新组织和整合，因此设计难度较大。同时，在教学过程中，教师对于在跨学科概念和具体学科本质之间建立平衡也存在较大的难度。

       第二种思路是以分学科的内容体系为主线，以学科大概念为课程内容表征单位，将跨学科概念融入到具体的大概念中。在这种设计思路中，具体学科的概念体系是外显逻辑，跨学科概念是内隐性的，这种设计的难度较小，操作起来更容易。由于跨学科概念是内隐的，因此在教学过程中，需要特别强调跨学科概念的桥梁作用，帮助学生利用这些概念将不同科学学科的内容联系起来，形成协调和统一的科学课程内容体系。

       第三种思路是在分科课程逻辑性的基础上，专门设计跨学科概念的内容主题，即，将分学科的大概念与跨学科概念并列，同时在分学科大概念和跨学科概念之间说明彼此的联系，使得二者共同构成分科课程的内容体系。在这种设计思路中，跨学科概念和分学科大概念的地位是相同的，既注重了具体学科的本质特征和内在逻辑，又能凸显跨学科概念在分科课程中的重要地位。这也为在分科教学中落实跨学科概念的教学提供了重要的课程政策支持。

       （四）切实推动跨学科概念在科学综合课程中深度融合

       从当前我国科学课程的实施情况来看，小学全部是综合课程，初中既有分科课程也有综合课程，但是仅浙江省使用综合课程，绝大多数地区采取分科课程的形式。

       现行的小学、初中科学综合课程均以《义务教育小学科学课程标准》《义务教育初中科学课程标准（2011年版）》作为重要的参考依据。从课程标准的设置来看，虽然都是综合课程，但课程内容主要是以学科为单位设定，包括物质科学、生命科学、地球与宇宙科学、技术与工程等领域，每个学科领域的内容也是按照学科逻辑来呈现的，并未体现出跨学科概念在科学综合课程的重要地位和核心价值。

       基于我国以分科科学课程作为主流课程形式的情况，要真正实现科学课程的综合性属性，需要打破学科的界限，尝试以学科核心概念和跨学科概念并行作为基本理念，将跨学科概念置于和学科核心概念同等重要的地位。同时，从横向的学科内容维度进行关联扩展，可以在同一学科核心概念内部的概念之间建立关系，也可以在不同学科核心概念下的子概念之间建立关联；从纵向的学科核心概念的共通性来看，将涉及在相同跨学科概念的不同学科核心概念之间建立关联，多个维度下构建系统的科学概念框架。

       鉴于此，应建构系统、完整的科学概念框架，并作为开发科学综合课程的重要依据，将跨学科概念以与学科核心概念同等重要的地位融入科学综合课程的设计中，从理论到实践，将对跨学科概念的学习体现在具体的学习过程和成果中，将跨学科概念真正落实到科学综合课程中。

       详见人大复印报刊资料《素质教育》2021年第8期