科學創新人才培養視域下的跨學科教育

張杰

2020年10月7日，瑞典皇家科學院常任秘書戈蘭·漢松宣布，將2020年諾貝爾化學獎授予法國生物化學家埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）和美國生物學家詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna）以表彰她們“開發出一種基因組編輯方法”。

諾貝爾化學獎頒給兩位跨學科研究基因編輯的女生物科學家這一事件使跨學科研究再次進入大眾視野。有人梳理了20世紀獲得諾貝爾自然科學獎的466位頂尖科學家們的知識背景，發現具有學科交叉背景的人數占比41.63%。特別是20世紀最后25年，具有交叉學科背景的獲獎者占這一時段獲獎總人數的49.07%。可以看出，多學科的知識結構正是創新型人才素質的核心要素和顯著特征，打破學科邊界，進行跨學科人才培養迫在眉睫。在中學階段，跨學科教育的研究呼之已出。

跨學科學習與跨學科教育

從字面上理解，跨學科即是以往研究中提到的邊緣學科、交叉學科。任何一門科學都有它的跨學科性質，這里的跨學科（Interdisciplinary），主要是指超越了原學科界限，正如美國國家科學院促進跨學科研究委員會給出的解釋：跨學科是指通過“整合兩個及更多學科或專業知識體系的信息、數據、技術、根據、視角、概念以及理論，以促進基礎理解或解決單一學科或領域難以解決的問題”。

跨學科教育與傳統學科教育有著不同的發展方向和側重，對于兩者的區別，中國地質大學校長王焰新進行了準確的概括。他認為，傳統的學科專業教育是一種縱深式的教育，其教育內容是探究該學科自身的客觀規律，研究方向是線性的，教育目標是培養某一領域的專門人才。而跨學科教育則是一種橫向的多學科教育，它雖然也有一定的學科立足點和側重點，但研究發展的方向是橫向的，是在相關或相近學科中尋找共同點或矛盾統一點，以建立起相關的聯系，解決新的問題，同時發現新的交叉點和增長點。

中學階段跨學科學習與教育現狀

從目前深圳市高中教學內容上看，學科之間的跨界無處不在。比如在地理課上，講解地球正午太陽高度角的概念及計算方法時，會引用立體幾何中的線面角、二面角等相關知識;講到喀斯特地貌的形成時，會運用化學反應方程式說明該地貌的溶蝕作用;至于環境保護這個主題，語文、英語、物理、化學、生物、地理、歷史、政治學科幾乎都有涉及。

從深圳市高中課程的設置上看，其課程內容基本沒有體現學科之間的聯系共通，仍是采取多學科分科的學習形式。至于初中課程設置，此前曾開設過一段時間的跨學科學習課程，將物理、化學、生物三門學科合為自然科學一科，將政治、歷史、地理三門學科合為社會科學一科。但隨著高考恢復單科考試，以及跨學科教育本身不具有扎實的教學基礎，初中階段的跨學科課程也隨之取消。

高考指揮棒下的跨學科教育

以2021年6月全國新高考中備受矚目的作文題為例，全國新高考Ⅰ卷引用了1917年毛澤東在《新青年》發表的《體育之研究》一文的片段，可以從中挖掘出哲學、歷史、政治學科的主題進行寫作。即便是數學科目，也具有越來越多的跨學科色彩：2021年新高考Ⅱ卷第 4 題以北斗三號全球衛星導航系統為試題情境設計立體幾何題;新高考Ⅰ卷第 18 題以“一帶一 路”知識競賽為試題背景;新高考Ⅰ卷第 16 題以我國傳統剪紙藝術為背景………

目前，新高考改革正在全國鋪展開來，全國多省份已經不分文科理科，或淡化文理分科，從多方面促進學生關注優秀傳統文化，將所學知識應用于日常生活，關注科技發展、社會進步，加強人文關懷。

跨學科教育在科學創新人才培養中的重要性

進行科技創新大多需要具有跨學科學習與融合的能力。即便拋開歷年諾貝爾獎獲得者的跨學科背景不談，在其他領域和范疇中，取得顯著成績者也大多具有跨學科的知識背景。中學生在科技發明、活動創造等很多方面，如若具有跨學科的知識與融合能力的加持，會更容易取得成績。

2020年第六屆中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽順利舉行，全國報送“萌芽賽道”欄目的近300個作品中僅設置了20個“創新潛力獎”獎章，深圳市翠園中學作品《防燙傷智能安全餐》與《自動飛行救生圈》摘得兩枚，是大賽中唯一獲得雙獎的學校，筆者剛好是這兩個項目的指導老師。

《防燙傷智能安全餐具》這一作品的選題源于鄧禹同學觀察到的老人和孩子由于自理能力弱，喂食時容易被食物燙傷的現象。鄧禹同學在養老院做義工時，看到有些老人生活不能自理，喂食時容易被燙傷;他還看到一則新聞：一個孩子喝水被嚴重燙傷，住進了ICU病房。鄧禹同學想到，要使老人和孩子進食不受傷害，不如設計一款可以防燙傷的餐具。于是，他以自己掌握的數理化地政等學科的知識為基礎，不斷擴大知識面，在課余時間又學習了編程、開源電子、工程設計，同時又進行了市場調查，經過反復推敲，升級迭代，歷時近三年終于完成此項目。

該項目通過傳感器感應食物溫度，將其進行直觀的數據化顯示，智能判斷食物是否有燙傷風險，并根據燙傷風險程度進行相應的主動預警。在參加比賽、進行項目研究的過程中，鄧禹同學的實踐能力、表達能力、寫作能力、應變能力和協作能力都得到了巨大的提升。跨學科研究極大程度上開拓了鄧禹的思維方式，擴展了他的研究視域，這對于他以后思考問題、開展研究具有重要的推動作用，在跨學科思維的加持下，鄧禹同學一定可以取得更多成果。

《自動飛行救生圈》項目由馬俊楷同學負責。和鄧禹同學相似，馬俊楷研發救生圈的想法也是出于生活經歷給自己帶來的啟發。馬俊楷在夏季去海邊游玩時發現，夏季是海邊避暑游玩的高峰期，游客眾多，而救生人員和設備有限，一旦發生落水事故，救援工作很難開展，成效也不甚理想，于是他產生了空中救援的想法。馬俊楷是我校航模社社長，有五年多無人機的飛行經驗。剛開始，他設想通過無人機拋投救生圈，但多次實驗均以失敗告終。而后，經過多方討論，選擇“飛行救生圈”的思路，并進行設計和探索。馬俊楷同學在SolidWorks軟件上完成了全尺寸概念機的設計，并進行仿真測試，根據測試結果，同時考慮到實驗地區的氣象、水文等特征，最終確定了機載設備的基本分布。

筆者的這兩個學生團隊在學習學校設置的課程之外，還在課外學習了開源電子、物聯網、硬件編程、人工智能、數據系統、工程設計、3D打印等知識，并學以致用，進行大量的實驗，收集實驗數據，進行現場調查和市場調研。懷揣人文關懷和社會責任，把數理化地政電美等學科進行融合，最終，三年磨成一劍。

當前中國科技仍對國外有一定的依賴性，急需各種科學研究、科學創新人才，科教興國勢在必行。國家近幾年更為重視科技創新，一直在積極推動科創人才的培養，高考的指揮棒也在引導對學生創新實踐思維與能力的培養。科創能力的提高亟需各種跨學科融合能力強的科研科創人才，這不僅僅是大學跨學科教育的任務，中學階段的跨學科教育同樣義不容辭。