小學科學教師的跨學科概念理解：水平、特征與建議

高瀟怡，孫慧芳

(1.北京師范大學教育學部，北京 100875；2.北京教育學院，北京 100120)

一、前言

跨學科概念是當前國際科學教育界關注的核心命題，美國、加拿大、澳大利亞、新加坡等發達國家都將其納入了國家科學課程標準，作為學生科學學習的重要結果做出要求。[1]跨學科概念是科學學科知識的核心內容，科學教師的跨學科概念理解是其專業素養的基本要素，是開展教學活動的前提條件。[2]研究表明，科學教師對于科學概念的理解程度與學生的概念學習呈現正相關；[3]科學教師對跨學科概念的有效理解將有助于教師整體把握課程內容，進行良好的教學實施，最終促進學生對跨學科概念的理解。[4]

把握教師跨學科概念理解的現狀，是提高科學教師跨學科概念理解的基礎與前提，也是教師科學培養與培訓的依據。有研究顯示，對任何科學錯誤概念的程度和性質的評估對教師隨后進行的科學培訓非常重要。[5]因此，本研究對小學科學教師的跨學科概念理解進行了測查，基于調查結果，為提升小學科學教師的跨學科概念理解提出了針對性建議。

二、研究設計

(一)被試

本研究根據北京市的地區劃分，選擇D、X、H、C、M等五個區，共選取285位教師為問卷調查對象，發放并回收問卷285份，其中無效問卷7份，有效問卷共278份，有效回收率為 97.54%。被試涵蓋了北京市五個主要地區，且基本覆蓋了各個年齡段、不同的專業背景、學歷水平，以及不同的工作經歷，具有較好的代表性，具體情況見表1。

表1 被試分布一覽表

(二)研究方法

為全面探查小學科學教師對跨學科概念的理解，本研究綜合采用了測驗、內容分析以及概念圖幾種方法。

1.測驗法

基于跨學科概念自身的特點，并結合我國小學科學課程與教材中的具體內容，本研究確定了“能量”“結構和功能”以及“系統”3個跨學科概念作為測查概念對教師進行測查。我們從當前已經檢驗且具有較高信效度的跨學科概念量表中抽取適宜題目，編制了“小學科學教師的跨學科概念”測驗；經過國內外科學教育專家進行內容審定以及前測數據的信效度檢驗后，進一步對測驗進行了少量修訂，確保該測驗對于北京市小學科學教師具有良好的適用性。

2.內容分析法

為深入了解教師對跨學科概念的理解，分析其跨學科概念理解的基本特征，本研究聚焦“結構與功能”和“能量”兩個跨學科概念，編制了開放性題目，探查教師個人的自發性理解和認識，通過對教師的作答內容進行編碼和分析，探查了小學科學教師跨學科概念理解的廣度、深度以及學科整合性等基本特征。

3.概念圖法

概念圖是概念及概念之間關系的表達，繪制概念圖能夠體現出教師概念理解的程度。因此，本研究通過向科學教師出示一幅自然界中包含“能量”概念的真實圖景，請教師將自己聯想到的關于能量的全部內容以及它們之間的關系用概念圖表達出來，從而將教師內在的能量概念理解外顯化。

(三)研究工具

1.問卷的編制及構成

本研究根據我國小學科學課程與教材的內容以及我國小學科學教師的師資水平，選擇了與內容高度相關且我國科學教師較為了解的“能量”“結構與功能”以及“系統”共3個跨學科概念編制問卷。問卷共有21題，第1-12題、第14題為單項選擇題，第13、15、16、17、18題為多項選擇題，第19、20題為開放性題目。其中第1-13題和第21題與“能量”相關，第1-13題來源于Park Mihwa和Xiufeng Liu開發的IDEA量表[6]以及周瑤[7]的碩士學位論文，第21題為自編開放性題目，即概念圖繪制；第14、15、20題和“結構與功能”相關，第14、15題來源于Yang Yang[8]的博士學位論文，第20題為自編題目；第16-19題與“系統”相關，來源于廖婷婷[9]的碩士學位論文。

此外，本研究在每道題目之后設置了教師答對該題的確信程度，即信心指數，旨在提高客觀題的有效性，判斷教師猜測或者低效能等情況，以更客觀、科學地呈現科學教師對跨學科概念的理解現狀。

2.問卷的作答及計分方式

問卷量化處理部分為選擇題，每題3分，其中，單項選擇題選對記3分，選錯或沒選記0分；多項選擇題選項選擇全面且正確記3分，有錯選1項或漏選記2分，錯選兩項以上記1分；無正確選項記0分。問卷的最終得分為被試各個題目所得分數的和，總分越高，教師對跨學科概念的理解即越好。

3.問卷的信效度檢驗

本問卷絕大部分試題來自于已有研究工具，自編題目為開放性，且經由科學教育專家評審，可以保證該測驗具有良好的內容效度。在信度方面，本研究采用克隆巴赫系數法(Cronbach’s alpha)對問卷的內在一致性程度進行了檢驗，見表2。可以發現，該問卷題目的克隆巴赫系數為0.776，信心指數的克隆巴赫系數為0.895，本研究的工具有較好的信度。

表2 小學科學教師的跨學科概念問卷內在一致性信度

同時，本研究采用雙變量分析的方法對問卷的題目進行了結構效度檢驗，以考察能量、結構與功能、系統等各維度題目與跨學科概念整體理解的相關程度，如表3所示。結果發現，每個具體的跨學科概念得分與跨學科概念總分之間均存在顯著相關，表明本研究中使用的問卷具有良好的結構效度。

表3 小學科學教師跨學科概念問卷各維度的相關分析

在區分度方面，本研究將所有人的問卷總分由高到低進行排序，然后取前27%和后27%的臨界點上的學生成績作為高低分組的臨界點，對高分組和低分組的兩組樣本進行獨立樣本T檢驗，結果如表4所示。我們發現，兩組樣本的顯著性P<0.001，遠低于0.05，表明本研究問卷具有良好的區分度。

表4 問卷得分為高分組和低分組的獨立樣本T檢驗

三、研究結果

(一)小學科學教師跨學科概念理解的水平

教師回答問卷的總得分可以反映出小學科學教師跨學科概念理解的水平。因此，本研究統計了所有樣本得分的平均值、標準差、最大值和最小值，如表5所示。描述性統計顯示，小學科學教師的跨學科概念問卷整體百分制平均分為65.3763，標準差為18。我們可以發現，小學科學教師的跨學科概念問卷整體均分并不高，剛剛超過及格線；標準差較大，即小學科學教師跨學科概念理解的離散程度比較高，存在較大的個體差異。

表5 小學科學教師的跨學科概念問卷得分情況

為了進一步了解小學科學教師跨學科概念理解的主要分布情況，我們根據總分的平均數和標準差將教師的跨學科概念理解劃分為4個水平，水平1為小于M-SD、水平2為M-SD——M、水平3為M——M+1SD、水平4為大于M+SD。由于水平2之后的分數才達到及格線，故將水平2確定為差。水平1至水平4依次為很差、差、中等、良好，如表6所示。

表6 小學科學教師跨學科概念理解整體水平劃分

據此，對持有不同跨學科概念理解水平的教師可做出水平分布直方圖，如圖1所示。跨學科概念理解整體水平為“很差”的教師占11.2%，31.6%的教師跨學科概念理解水平達到“差”，44.2%的教師跨學科概念理解達到“中等”水平，理解達到“良好”水平的教師占比為13%。

圖1 小學科學教師跨學科概念理解 整體水平分布直方圖

對于具體的跨學科概念，本研究將每個概念的總得分除以題量，得到該概念的平均分，來標識教師對這一概念的理解水平。我們對所有教師三個概念的得分進行描述性統計，得到所有樣本在三個概念上的平均值和標準差，其結果如表7所示。

表7 小學科學教師在不同跨學科概念上的得分情況

可以發現，教師對“能量”這一跨學科概念的理解較好，均值高且分布情況尚可；其次是“結構與功能”，教師對“結構與功能”概念的理解得分較高，但離散程度最大，也就是教師個體間的差異較大；教師理解最差的概念是“系統”，得分均值小且離散程度也小，說明教師對“系統”的理解為很穩定的不好，亟待發展與提升。

(二)小學科學教師跨學科概念理解的特征

1.小學科學教師跨學科概念理解呈現“高信心指數錯解”

為提高客觀題的評價能力，本研究在每道題目后面增加了信心指數，即“你答對該題的確信程度”。信心指數是指個體對自己表現水平的評估。基于信心指數的輔助性作用并降低教師答題的時間成本，本研究的信心指數采用三點量度，即確信、一般、不確信，分別計分為3分、2分、1分。

本研究對各題的信心指數平均值(CF)、正確置信度(CFC)、錯誤置信度(CFW)以及信心指數標準差(CDQ)進行了計算，并進行了百分制轉換，具體值見表8。其中，正確置信度為回答正確教師的信心指數平均值，對于多選題，則將該題得分為3分和2分的教師信心指數值按人數比例計算均值；錯誤置信度為回答錯誤教師的信心指數平均值，多選題的錯誤置信度為該題得分0分和1分的教師信心指數值按人數比例計算均值。

已有研究將信心指數以50%為界，在回答正確的情況下，信心指數小于50%，可以判定為猜測，信心指數大于等于50%，即教師理解科學概念；在回答錯誤的情況下，如果信心指數大于等于50%，即存在錯誤概念，若信心指數小于50%，則表明教師缺乏知識。[10]

從表8我們可以看出，科學教師對于問卷題目的整體信心指數在66～90之間，平均值為79，信心指數較高。同時，正確置信度范圍在65～93之間，個別題目回答正確的教師的信心指數較低，可能存在低效能或者猜測的情況，例如第16題、第17題。這與問卷得分反映的情況相一致，教師對系統概念的理解相對較差。整體來看，教師在“能量”概念上的正確置信度高于“結構與功能”，高于“系統”。

同時，我們發現，教師的錯誤置信度非常高，每一道題目的錯誤置信度都高于50%，甚至都高于60%。尤其是第4題、第14題、第17題等題目，內容涉及到能量耗散、在陌生情境中識別“結構與功能”以及系統的輸出等，可見，小學科學教師在這幾個方面存在較為“頑固的”錯誤理解。較高程度的錯誤置信度表明回答錯誤的教師對自己的選擇非常自信，教師的跨學科概念理解呈現出“高信心指數錯解”情況。可以判定，小學科學教師在跨學科概念上存在錯誤概念，還需要更進一步的研究來探查教師具體的錯誤概念進而促進科學教師的概念轉變。

表8 問卷各題的信心指數相關值

2.小學科學教師對具體跨學科概念的理解具有較高的一致性

本研究選擇了“能量”“結構與功能”以及“系統”三個具體的跨學科概念進行測查，發現小學科學教師對三個概念的理解水平存在不同。在此基礎上，我們探索了教師關于這三個概念理解之間的關系，發現小學科學教師對這三個跨學科概念的理解水平存在突出的一致性。本研究采用皮爾遜相關分析對能量、結構與功能、系統三個概念的得分進行了相關性檢驗，結果如圖2所示。

圖2 小學科學教師具體跨學科概念理解之間的相關分析

檢驗結果顯示，教師對能量、結構與功能以及系統的理解之間存在統計學意義上的顯著正相關。其中，教師的“能量”概念理解與教師的“系統”概念理解之間的相關系數r=0.525，即教師對能量概念的理解與教師對系統概念的理解之間存在強相關；同時，教師的“能量”概念理解與教師的“結構與功能”概念理解之間的相關系數r=0.428，教師的“系統”概念理解與教師的“結構與功能”概念理解之間的相關系數r=0.328，二者均呈現中等相關。

美國《K-12科學教育框架：實踐、跨學科概念、核心概念》指出，不同的跨學科概念之間是相互關聯的，對能量、結構與功能的理解能夠幫助理解系統概念，[11]本研究得到的結果與《框架》中的觀點相一致。跨學科概念之間即存在聯系，能量的守恒往往是在系統中判定的，而系統的功能會受到部件結構的影響。在我們的研究結果中，教師的“能量”概念理解和“結構與功能”的概念理解都與“系統”理解相關，但“能量”與“系統”之間相關性最高，而 “結構與功能”和“系統”之間相關性略低。

從概念本身來看，“能量”和“結構與功能”在內容上并沒有非常直接的聯系，但是在我們的研究結果中發現，教師對“能量”概念的理解與教師對“結構與功能”概念的理解之間也存在中等相關。我們認為，不論是能量、系統還是結構與功能，都反映出了教師的跨學科概念理解情況，不同的概念理解之間存在相關這也從側面反映出本研究設計的合理性，即教師對“能量”“結構與功能”以及“系統”三個具體的跨學科概念的理解可以良好地代表教師的整體跨學科概念理解水平。

3.小學科學教師跨學科概念理解的廣度和深度不足

廣度和深度是表征小學教師跨學科概念理解的重要指標。本研究中，主要采用教師在開放性題目中的回答來分析教師跨學科概念理解的廣度和深度。我們將小學科學教師跨學科概念理解的學科領域和主題分布作為分析廣度的依據，并基于跨學科概念內容情境的專業性來分析教師跨學科概念理解的深度。

(1)小學科學教師跨學科概念理解的廣度不足

在廣度方面，我們以“結構與功能”為例，統計了小學科學教師跨學科概念理解內容的學科領域分布情況，結果如圖3所示。在學科領域方面，有9%的教師只闡述了“結構與功能相適應”這一關系內容，并未從學科領域的角度進行舉例說明；74%的教師的解釋只涉及一個學科領域；包含兩個學科領域的教師占比為14%；而三個學科領域都涉及的教師僅有3%。整體而言，僅有一成多的教師能夠從兩個或三個學科領域內容出發來闡釋跨學科概念，體現出教師跨學科概念理解廣度不足，亟需拓展。

圖3 小學科學教師跨學科概念理解的學科領域廣度分布

除學科領域外，本研究還對教師回答的內容主題數量進行了統計。有72%的教師只涉及到一個主題；18%的教師回答中包含了兩個主題；回答包含三個主題的教師占比為7%，四個主題的教師僅占3%，具體見圖4。教師對跨學科概念的理解需要在不同的情境中反復使用，而調查結果顯示僅有不到三成的教師會從多個內容主題出發對“結構與功能”進行解釋，反映出教師跨學科概念理解的廣度不足。

圖4 小學科學教師跨學科概念理解的主題廣度分布

(2)小學科學教師跨學科概念理解的深度不足

本研究將以“能量”概念為例，對小學科學教師的跨學科概念理解深度進行分析。研究者們往往將“能量”劃分為能量的形式、能量的轉化、能量守恒與能量耗散等四個維度，并且這四個維度的理解難度依次遞增。本研究結果發現，教師對能量耗散的理解情況非常糟糕，百分制平均分僅有61.47分，能量守恒得分為69.69分；相對于能量轉化的74.40分和能量形式的71.59分，存在較大差距。

在開放性題目中，也得到了相似的結果，僅有2位科學教師在回答中提到了能量耗散或者能量以熱能的形式散失，反映出只有極少的教師從能量耗散的角度進行思考。能量守恒和能量耗散是表征教師能量概念理解深度的重要指標，而小學科學教師在這兩個維度的理解情況較差，表明教師在“能量”這一跨學科概念上的深度不足。

此外，在內容情境方面，僅有10%的科學教師能超出小學科學的內容范圍來回答能量在各領域中的具體概念，例如“光合作用、呼吸作用、聚變裂變、化學反應、機械能守恒”等內容主題。也就是說，90%的教師在闡釋能量概念時，僅僅利用了小學科學范圍內的相關知識，同樣體現出教師跨學科概念理解的淺表性。

4.小學科學教師跨學科概念理解的學科整合性較差

跨學科概念最本質的特征就是其跨學科性，即在各個學科領域中都具有解釋性價值。因此，科學教師跨學科概念理解的學科整合性是表征教師跨學科概念理解程度的重要指標。本研究以“能量”概念為例，采用開放性任務測試教師概念理解的學科整合性。關于教師跨學科概念理解整合水平的設定，我們依據SOLO分類法做了對應，設定了3個整合水平，每個水平的定義描述見表9。之后，依據該標準，本研究對教師的回答進行了水平標定以及百分比統計。圖5為不同水平的科學教師占比情況，圖6是某教師對能量概念的跨學科解釋。

表9 學科整合水平定義

圖5 不同學科整合水平教師分布直方圖

圖6 某教師對能量概念的跨學科回答

根據統計結果，處于水平1單學科水平的教師占比為20%；多學科水平的教師占比最高，為52%；有28%的科學教師達到跨學科水平。可見，有大約八成的教師能夠從不同學科領域的角度認識“能量”，但達到跨學科理解水平的教師比例仍然較少。因此，小學科學教師對于各學科領域中與能量相關的內容較為清楚，但是對于領域間內容聯系的認識仍較為不足。

小學科學教師跨學科概念理解的學科整合性較差，主要體現為概念理解處于跨學科水平的教師人數不足。有72%的小學科學教師并不能夠將跨學科概念在不同學科領域中的內容相聯系，這會直接影響到科學教學，影響到學生科學概念的“打通”和建構。因此，小學科學教師跨學科概念理解的學科整合性亟需提高。

四、研究建議

基于調查所發現的小學科學教師跨學科概念理解仍較為薄弱的現狀，本研究認為，可以從職前科學教師的培養、在職教師的培訓和教研以及教師的自我發展等角度，為提升教師的跨學科概念理解采取針對性措施。

(一)職前教師的培養要指向教師完整學科知識結構的構建

小學科學的最大特點之一就是綜合性，科學教師需要掌握各學科領域的科學知識，并通過內容之間的內在聯系進行跨學科整合。然而調查結果顯示，小學科學教師跨學科概念理解的廣度和深度不足，且學科整合性差，亟待提高。因此，職前教師的培養需要指向其學科知識結構的建構，打破各學科間的界限，建立各個學科間的橫向聯系，構造完整的知識結構。

很多發達國家關于跨學科概念的研究都早于我國，成果也較為豐富，并且在課標和教材中都有所體現；此外，有關跨學科概念的成果也體現在STEM等項目和相關研究與實踐中。職前教師的培養應密切跟進國際科學教育的發展和前沿動態，在課程模塊中設置相關的內容反映國際科學教育有關跨學科概念研究與實踐的新進展，拓展小學科學職前教師的視野。同時，在原有分領域和學科所設置的職前科學教師培養內容中，應該著眼跨學科概念關照不同學科內容之間的關聯，探索不同領域內容在跨學科概念意義上的聯結與統整的方式，并通過多種形式拓展教師對跨學科概念的理解，從而幫助職前教師完善自身的科學知識結構，提升跨學科概念理解水平。

(二)教師培訓與教研活動需進一步強化跨學科概念的相關內容

教師培訓是發展在職科學教師跨學科概念理解的重要途徑。在調查過程中我們發現，教研活動是影響教師跨學科概念理解的關鍵因素，是教師了解跨學科概念的主要來源。在前面的分析中可知，小學科學教師對“結構和功能”這一跨學科概念理解較好，這與教研活動中對“結構和功能”的關注密不可分。

因此，在教師培訓與教研活動中，依然需要進一步強化跨學科概念。首先，要關注教師對于跨學科概念價值的了解與認同，切實幫助教師理解跨學科概念在科學概念體系中的地位，及其對于科學教學以及學生科學概念理解的重要價值。其次，加強跨學科概念與不同學科領域內容之間的對應。盡管“結構與功能是生命科學領域要解決的關鍵問題”已經成為科學教師的共識，但教師對于“結構與功能”也會體現在物質科學、地球與宇宙科學、技術與工程等領域還不盡理解。因此，教研活動中充分體現對跨學科概念在不同領域內容之間的對應的聯系將有助于深化教師對跨學科概念的理解。第三，關注教師理解較為薄弱的跨學科概念。在本研究中，我們發現教師對“系統”概念的理解不足，對“能量耗散”的理解仍待提高，需要教師培訓和教研活動給予進一步的關注和強調。

(三)科學教師需不斷深化對科學教學文本的詮釋與思考

小學科學教師對于小學科學課程標準、不同版本的小學科學教材等教學文本的詮釋與解構是影響教師跨學科概念理解甚至教師學科專業知識的重要因素。我們在研究中發現，對跨學科概念理解較好的科學教師本身具有較強的文本詮釋與思考的能力，即不僅熟悉和鉆研教材，而且善于對教材中所包含的學科概念進行架構和分析，具備在橫向和縱深兩個層面解讀思考重要的科學概念內容的能力，從而實現了教師對相關跨學科概念的較好理解。有研究者指出，教師的專業知識需要經歷學科知識課程化、課程知識教學化以及教學知識學科化的過程。[12]也就是說，教師在進行教學的過程中，需要通過對課程標準、教材等進行解構和詮釋，結合自身的思考與反思，進而在教學實踐過程中促進學科知識的發展和建構。

在調查中，我們發現教師對于課標的研讀情況較好，對教材的鉆研則仍顯不足。教師在閱讀教材具體內容的同時，需要深入鉆研教材內容體系的編排，進一步增強對教材所包含的學科概念內容的貫通理解。事實上，教師對跨學科概念的理解本身是一個不斷發展和完善的過程，除了受制于專業學習和受教育經歷，更需要教師個人不斷對科學教學文本進行閱讀與思考，“打通”課標、教材以及相關文獻資料，從而實現自身專業知識結構以及跨學科概念理解的不斷完善和發展。