將跨學科概念融入化學教材——美國教材的做法

王維臻 張榮慧 鐘曉媛

摘要： 調研分析美國《科學維度： 化學》（簡稱HMH）教材落實跨學科概念的具體做法。在內容組織上，HMH教材重視學科概念與跨學科概念的相互支撐，滲透跨學科概念的上位特征。在呈現上，以多種欄目設置和落實跨學科概念，創設多層次情境，并設計指向跨學科概念的活動與任務。這些做法對我國化學教材的建設有一定的啟示意義。

關鍵詞： 跨學科概念; 上位特征;美國化學教材研究;HMH教材

文章編號： 1005-6629（2021）10-0091-07

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

在發展核心素養的科學課程理念下，跨學科概念已成為課程改革關注的焦點之一。美國《下一代科學教育標準》[1]（以下簡稱NGSS）將跨學科概念與學科核心概念、科學與工程實踐并列，構成科學教育內容體系。多國科學課程文件中都有“共通概念”或類似提法。我國理科課程也開始關注跨學科概念。高中生物學課程標準中已提到跨學科的科學概念和過程。《普通高中化學課程標準（2017年版）》[2]指出，要適當融合跨學科知識，以發展學生的綜合問題解決能力。

跨學科概念，是對理科知識共通性的高度歸納。作為組織科學課程的大概念，跨學科概念的價值包括促進概念整合、為理解新知提供支持、支持科學探究、促進對科學本質的理解等。體系、物質、能量、結構與功能、穩定與變化等作為跨學科概念，受到了廣泛的關注[3]。

在我國分科教學制度下，如何培養學生對科學的整體性理解，統整多學科概念、方法和工具去理解、解決真實的科學問題，是學科課程面臨的重要挑戰。已有研究在將跨學科概念融入學科課程和教學上進行了諸多探索： 有些研究從課程角度探討了跨學科概念融入理科課程的可能性[4，5]，不少教學研究關注挖掘承載不同學科知識的素材[6，7]。但由于不聚焦跨學科概念，很難實現從知識到觀念的提升，也就難以體現跨學科概念發展科學整體性理解的價值。

教材是對課程的具體化解讀，是對教學的方向性導引。跨學科概念能否在科學教育中發揮作用，在某種程度上取決于教材對其落實的程度和形式。然而，我國基于跨學科概念的教材研究較為欠缺。已有教材研究較多地關注對教材某部分（如結構、欄目、習題、情境設置等）或某內容主題（如化學史、化學平衡等）特點的分析和比較[8，9]，而對于跨學科視角的教材研究則較少，同時泛化于跨學科內容[10]，因此總體上對教材如何落實跨學科概念討論不足。

美國對跨學科概念的關注持續了30年。NGSS更是明確了7個跨學科概念： 模式，原因與影響，尺度、比例與數量，體系與體系模型，能量與物質，結構與功能，穩定與變化。這些概念融合了科學概念與方法，著力凸顯價值，值得對美國教材如何落實這些跨學科概念開展研究。全球三大教育出版集團之一的哈考特出版社（HMH）根據NGSS編寫并于2020年出版了《科學維度》系列教材。本研究以《科學維度： 化學》[11]教材（以下簡稱HMH教材）作為研究對象，探討其落實跨學科概念的做法，以期為我國化學教材的建設和修訂提供啟示。

1? 教材基本情況

作為“為下一代設計的教材”[12]，HMH教材指出，未來場景對科學素養要求很高，對創新和問題解決能力的要求更高，因此，化學課堂應該具備以學生為中心在情境中學習、解決問題、積極參與科學活動等特點。該教材是為9～12年級學生設計的分科必修化學課程，共五個單元（見表1）。

2? 教材融入跨學科概念的具體做法

HMH教材對7個跨學科概念都有所涉及。一方面，能量、物質、結構、體系、變化等作為化學學科中的重要詞匯，在教材中大量出現;另一方面，立足于跨學科視角，跨學科概念本身在教材中出現的頻數并不高，多集中在某個主題上。例如，“穩定與變化”多體現在化學平衡主題，“尺度”“模式”主要體現在物質結構與性質主題等。

為了分析HMH教材組織和呈現跨學科概念的做法，研究進行了定性與定量相結合的文本分析。定性分析主要用來解釋跨學科概念的組織方式，定量分析則用于統計跨學科概念的欄目分布和情境設置。通過分析，HMH教材組織和呈現跨學科概念的做法可以歸納為三點。現闡釋如下。

2.1? 依托學科內容框架，為學科內容的組織提供新思路

跨學科概念的意義有二。其一，加深對學科核心概念的理解;其二，打破學科界線，建構對世界科學、整體的認識[13]。要體現跨學科概念的意義，其組織就需要既立足于發展學科概念，又體現跨學科概念超越學科概念的上位特征。

2.1.1? 關聯學科概念，依托學科內容框架

跨學科概念是從理科概念自下而上抽提出來的，表現出理科概念的共通性。因此，學科內容勢必可以在一定程度上體現相應的跨學科概念。找到跨學科概念與學科內容的結合點，是跨學科概念融入學科教材的重要途徑。

對教材中跨學科概念設置位置的學科內容整理（見表2）發現，跨學科概念伴隨具體學科概念反復出現。跨學科概念與學科內容的密切關聯，使學科概念框架成為了組織跨學科概念的基本框架。

學科概念對跨學科概念的支撐體現在具體知識上。以“原子與元素”單元的元素周期律一節為例，該節的教學重點是探究元素周期律。元素周期律即是一種“模式”，為了探尋這種模式，學生需要分別探究原子半徑變化的規律、電離能變化的規律、電負性變化的規律。這些規律都是“模式”這一跨學科概念在化學學科中的體現。這些規律的發現將最終幫助學生建構起對元素周期律的認識。從這個例子可以看到，學生對化學具體知識的學習過程將會支撐對“模式”這一跨學科概念的認識。

2.1.2? 提供組織學科內容的新思路

在元素周期律一節的例子中，除了依托學科知識的學習過程滲透對“模式”這一跨學科概念的認識之外，尋找“模式”（規律）這類任務的反復出現，也使“模式”這個關鍵詞成為了組織該節內容的重要線索和思路。跨學科概念能夠為學科概念的理解提供新思路和視角，體現了其上位特征。

一些跨學科概念本身就是重要的學科觀念，貢獻了學科的重要認識角度，如物質、能量、體系、尺度等。在這種情況下，依托跨學科概念，學科具體內容可以跳出節與單元的限制，實現跨單元整合。下面以“體系”概念對HMH化學教材的整合作用為例進行說明。

體系是化學反應原理和化學工程領域的重要概念，是認識化學平衡、化學反應與能量等主題的重要認識角度。在教材中，合理設計體系概念，可以實現對化學內容的跨單元整合，也可以實現對化學與其他學科的整合。

在第1單元“化學與工程”大篇幅介紹“體系”，為后續單元的學習奠定了基礎。之后，“體系”一詞直接且大量出現，從太陽系、地球系統、生命系統，到體系的能量流動趨勢，潛移默化地伴隨著學生的化學學習。到第4單元“化學反應”，“體系”對揭示反應規律的意義逐步顯現。在第5單元，學生開始討論多種類型的化學反應體系。在這個例子中（見圖1），“體系”概念貫穿全書，既貢獻了重要的化學認識角度，引導學生在不同情境下建立“體系”，深化對“體系”價值的理解;又體現了其作為跨學科概念對學科具體知識的整合作用以及對不同學科情境的關聯作用。

2.2 ?滲透跨學科概念的上位特征

跨學科概念的一些特征在具體學科概念中難以直接體現。這些特征超越學科，導致其盡管是重要的科學理念與做法，卻不容易通過具體知識教學傳達出來。例如，模式無處不在，其對于理解自然現象非常重要，是“模式”作為跨學科概念的特征之一，但在學科教學中由于與知識聯系不緊密而容易被忽略。

對于跨學科概念的這類上位特征，HMH教材也有意識地進行了滲透。這種滲透大多是隱性的，往往體現在圖片、表格或問題、活動步驟中。HMH教材對跨學科概念特征的體現舉例見表3。

除了隱性滲透外，在適當位置，HMH教材也將跨學科概念超越學科的上位特征直接落實在文字上。這種落實主要是通過“課時總結”（Make your own study guide）欄目實現的。例如，第1單元第1課的課時總結指出：“化學家通過研究數據和模式來理解現象”，這就對應了“模式可以引發問題和研究”這一特點。再如，第1單元第2課的課時總結提到：“科學家和工程師通過定義體系來確定邊界并研究體系內部和體系之間的相互作用”，這就直接點明了“體系可以簡化研究對象”的特征。

2.3? 利用多類型欄目設置跨學科概念

研究將HMH教材欄目分為正文（用Z表示）、評價類欄目（用P表示，包括課時評價、單元評價）、資料類欄目（用ZL表示，包括課內拓展、職業生涯、單元關聯、單元拓展閱讀）、其他欄目（用Q表示，包括詞匯表、提示語）四類，對跨學科概念相關內容所在欄目進行統計（見圖2）。

跨學科概念在正文、評價類、資料類和其他（如詞匯表）欄目中均有分布。同時，跨學科概念的內容主要設置在正文中，其次是資料類欄目、評價類欄目，在其他欄目中分布最少。

在正文中，跨學科概念主要結合具體概念，在探究活動中出現，如探究元素周期表的模式。在資料類欄目中，跨學科概念或直接以欄目標題的形式出現，并附相關介紹，如生命系統中的模式、自然界中的循環模式等;或作為隱性線索出現在職業生涯介紹中，如環境化學家清理原油泄漏（涉及能量與物質、尺度等）。在評價類欄目中，除了習題，“課時總結”是促進跨學科概念落地的重要板塊。在其他欄目中，跨學科概念在每單元的詞匯表中被標注出來，學生須書寫其定義、相似說法、相關詞組，并對用法進行舉例;跨學科概念有時也出現在提示語中，提醒學生將其寫在筆記本上。

2.4? 用不同層次的情境包裝，以明確的任務促進跨學科理解

2.4.1? 設置單學科、理科綜合，科學與社會、工程整合的情境

在正文與資料類欄目中，HMH教材對與跨學科概念相關的情境進行了特殊標記。對這些情境進行統計發現，一些是化學學科情境（占34.6%），一些涉及科學學科間的整合（占30.8%），還有一些情境涉及科學與社會、工程的整合（占34.6%）。圖3是對這些情境的分類整理。

從圖3看，針對不同的跨學科概念，其情境設置的傾向不同。針對“模式”設置的化學情境最多，主要集中在元素周期律、化學鍵等內容;而對于“能量與物質”，科學學科間整合的情境設置最多。一些跨學科概念關聯非常密切，如“體系”與“能量”，因此其情境設置也體現出了相應的綜合化特點，如針對“體系與體系模型”這一跨學科概念設置的“能量與反應體系”情境。

2.4.2? 設計指向性強、步驟明確的活動任務

圍繞情境設置合理的活動，是實現學科整合，體現跨學科概念價值的關鍵。本研究按照提出問題（明確活動任務）、活動步驟提示、結論引導三部分對HMH教材跨學科概念的相關情境活動（N=24）進行統計，結果如圖4所示。

在與跨學科概念相關的24個情境中，除3個情境沒有設置明確的活動任務外，其余21個都提出了活動任務。其中，10個情境只布置了活動任務，即只提出問題，沒有對活動步驟和結論的指導;8個情境布置的活動或缺少活動步驟指導，或缺少對結論的引導;3個情境設置了完整的提出問題、活動步驟和結論引導環節。

以“綠色革命”為例，所創設的活動見表4。綠色革命作為一個真實的科學事件，是科學與其社會屬性和工程整合的真實情境。這個情境包裹的化學知識有工業合成氨（化學平衡）、氮及其化合物（元素化合物），同時涉及生物、地理學科;聚焦的跨學科認識是科學、技術、工程對自然社會的影響;討論的話題是氮肥的功與過。這個活動通過對資料的組織設計了兩個子任務，從兩方面引導學生系統地認識氮肥對世界的影響。同時，教材圍繞這個跨學科情境，在拓展任務1設置了與科學史、科學寫作相關的任務;在拓展任務2設置了具有化學工程設計特點的任務，更大限度地開發了這個情境的功能和價值。

3? 對我國教材的啟示

在全球關注核心素養，以少而精的概念重構科學課程的大背景下，化學教材需要回應如何讓學生在綜合化的生活和社會情境中探究和解決與科學相關的問題。對HMH教材的分析給我國化學教材落實跨學科概念提供了一些啟示。

3.1? 梳理學科概念與跨學科概念的關系

已有研究已經明確學科概念與跨學科概念的依存共生關系[14]。一方面，利用跨學科概念促進對學科概念的理解是深化教學改革的大方向。深入探討跨學科概念的含義和特征，挖掘其與學科概念之間的聯系，有助于在現有的教材概念體系中融入跨學科概念，并發揮其促進學科概念理解的作用。另一方面，提高跨學科概念的地位，以學科概念為基礎構建跨學科概念體系，突出跨學科概念的特點，是促進學生形成對科學的整體性、協同性理解的有效途徑。從HMH教材的例子可以發現，將跨學科概念外顯化，其可以成為組織一個單元、一個主題的重要線索，而這種線索為學生認識科學現象提供了學科概念之外的新視角。

3.2? 甄選跨學科概念

對于化學學科而言，并非所有的跨學科概念都要呈現在教材中。這既不符合學科特點，也不一定符合具體跨學科概念的特點。在化學教材中，“結構與功能”“穩定與變化”只涉及某些主題。但在生物教材中，這兩個跨學科概念同時又是重要的學科概念。HMH教材盡管涉及到7個跨學科概念，但被重點標注出來的概念只有6個，“原因與影響”始終以一種隱性的方式存在于教材中，這與其和科學推理密切相關的特點有關。因此，教材中選擇哪些跨學科概念，需要結合具體學科內容加以論證。

3.3  創設指向跨學科理解的真實情境

相比于學科概念，理解跨學科概念需要更具包容性的情境和探究空間。而情境越真實，學科整合化程度越高，其跨學科探究的空間就越大。在橫向上，促進跨學科概念理解的情境可以包括“學科情境”“科學學科整合情境”“科學與社會、工程整合情境”三種類型，具體選擇哪種類型需要綜合考慮化學學科概念以及科學、工程、社會與自然的關系。在縱向上，跨學科情境的創設則需要考慮學科概念的學習進階和跨學科概念的學習進階，控制情境的綜合度和復雜度，促使學生形成協同化、整體化程度高的知識結構。在橫向情境的創設上，HMH教材提供了很好的范例，但由于缺乏年級信息，因此在縱向上沒有給出更多的參考。另外，在跨學科情境的創設中，布置指向性明確的任務、提供適當的活動思路和步驟以及對結論進行合理的引導等，對發揮跨學科情境的價值可以起到很好的作用。

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