基于跨學科素養培育的青少年科學教育*

周建中 萬立榮 張 鑫

1.中國福利會少年宮

2.上海市師資培訓中心

《義務教育課程方案和課程標準（2022年版）》明確要求：各門課程用于跨學科主題學習的時間不能少于總課時的10%。這表明國家高度重視跨學科素養在人才培養和課程建設中的重要作用。跨學科素養又稱通用核心素養或橫向素養，是具有跨學科、通用性質的核心素養[1]。科學教育是將科學的理念、方法、思想和精神內化為受教育者的信念和行為的教育過程，使科學態度與每一位公民的生活聯系在一起，使科學精神與人文精神在現代文明中相互輝映[2]。針對科學教育具有學科融合的特點，以及在育人方面的重要價值，指向跨學科素養培育的科學教育，對培養青少年成為全面發展的人起到了促進作用。

1 研究背景

1.1 《中國學生發展核心素養》中所蘊含的跨學科素養培育

《中國學生發展核心素養（2016）》總體框架中，從文化基礎、自主發展、社會參與三個方面確定了六大核心素養十八個素養點。在這個框架里，既有領域相關的素養，也有跨學科的素養。縱觀其整體闡述，主要是跨學科的素養。其中，與科學教育密切相關的跨學科素養要素包括：（1）理性思維，即對事實的尊重，對真知有追求的態度，樂于實證的意識；邏輯清楚，能夠運用科學的思維和方法去認識事物、探索問題、指導實踐活動等[3]。（2）批判質疑，即具有提出問題的能力，能夠獨立思考和作出判斷；思維縝密，能夠辯證客觀地分析問題、做出取舍等。（3）勇于探究，就是要有好奇心、求知欲；能勇于嘗試，主動尋求解決問題的方法；具有堅持不懈的探索精神等。（4）解決問題，即善于發現問題、提出問題，對解決問題有積極性；能夠根據當地情況選擇制定合適的解決方案；具有應對復雜環境的應變能力等。（5）技術應用，即理解技術與社會發展、人類文明之間的關系，對技術有學習的愿望、掌握的愿望、運用的愿望；具有工程設計思維，能將創意進行物化或優化現有物品等。

1.2 《課程標準》中所蘊含的跨學科素養培育

《義務教育小學科學課程標準（2017、2022年版）》中要求：倡導跨學科學習方式，結合相關知識在日常生活和社會生產中的應用案例，開展科學、技術、社會、環境（STSE）教育；知道跨學科（科學、技術、工程、數學等）解決實際問題的方法，并嘗試解決問題；設立跨學科學習主題，加強學科間聯系，促進課程綜合化實施。《中小學綜合實踐活動課程指導綱要（2017年版）》在總目標中提到：學生在各自真實的生活中，在參與社會的活動中，在感知自然的過程中，積累了豐富的實踐經驗，逐步形成了對問題處理、綜合認識、價值認同、價值領悟、創意物化等方面的意識能力。以上的STSE、價值體認、責任擔當、問題解決、創意物化等均為跨學科素養的重要元素。

1.3 《雙減意見》中所蘊含的跨學科素養培育

《關于進一步減輕義務教育階段學生作業負擔和校外培訓負擔的意見（2022）》（簡稱“雙減意見”），旨在解決當前學生負擔過重、壓力過大、焦慮情緒過重的現狀；徹底摒棄“只要分數”“只要升學”“只要畢業率”“只要就業率”的教育質量觀；建立每一位學生主動、自由、全面的教育發展體系；倡導立德樹人，五育并舉，讓每個學生都能愛學、樂學、善學，學有所成；以學生是否在教育和學習中“獲得感、幸福感、安全感更充分、更有保障、更可持續”作為評價的基礎[4]。上述“雙減意見”的要義明確：我們教育培養的不只是唯學科知識、唯應試能力的學生，更要注重培養核心素養、綜合素養、跨學科素養的人才。“雙減意見”所包含的跨學科素養的培養，為科學教育實踐活動的設計和實踐提供了依據和支撐。

2 溯源與內涵

青少年跨學科素養的培養越來越受到教育界和科普界的關注，尤其是新課程方案中要求：包括科學在內的每門課程都要設計不少于10%課時的跨學科主題學習，更是將跨學科作為教學和實踐的關鍵詞。那么跨學素養的要義何在？什么是基于科學教育的跨學科素養？素養、中國學生發展核心素養、學科核心素養與跨學科素養之間的關系為何？需要進一步闡釋與厘清。

2.1 素養與核心素養、中國學生發展核心素養的關系

“素養”理念形成的三個歷史階段，第一階段，素養，也就是技能；第二階段，素養，也就是在學校里傳授的知識和技能；第三階段，素養強調知識的社會建構過程，強調學習者既有經驗和背景知識等，也就是社會文化的創造[5]。目前，人們對素養的內涵，即素養包括知識、技能、情意等要素，已達成基本共識。

“核心素養”是進入21世紀后逐漸被教育領域所重視的概念。基于終身學習的社會需求，聯合國教科文組織提出了“學會求知、學會做事、學會與人相處、學會自我實現、學會改變”的“五大素養”，在培養“21世紀能力”時，必須重視四個維度——知識、技能、人性、元學習，以及與知識同其他三個維度的關聯。因此，學校課程必須從“知識本位”的課程設計轉向“素養本位”的課程設計，借以培養學生的“全球素養”“環境素養”“信息素養”“數字素養”“系統思維”“設計思維”等[6]。

《中國學生發展核心素養》明確指出：核心素養是指學生應具備的必備品格和關鍵能力，以培養全面發展的人為指向，分為文化基礎、自主發展、社會參與三個方面，如圖1所示，共六大類核心素養。每類核心素養中又包含三個素養點，如“科學精神”中的理性思維、批判質疑、勇于探究；“責任擔當”包括社會責任、國家認同以及國際理解等[7]。這些素養點以培養德、智、體、美、勞全面發展的人為目標，具有綜合性、系統性和跨學科性的特點。

2.2 中國學生發展核心素養與學科核心素養的關系

現在的學校教育主要是分學科教學，學生在學校參加各類學科的學習，如語文、數學、英語、物理、化學、生物、歷史等，那么，各學科的學習應該培養學生哪些核心素養呢？如果各個學科的老師還停留在知識技能的傳授上，那么學生的核心素養將如何得到培養？有研究者認為：核心素養是作為新時代新人形象的“藍本”，各學科作為支撐這一藍本的“構件”，它們各自具有固有的本質特征、基本概念和技能，以及各自學科所體現的認知、思維和表象[8]。因此，“核心素養”與“學科素養”之間的關系并不是相關條目間的簡單對應關系。“核心素養”的養成，不是將幾種要素機械疊加，而是學習者在真實的情境中綜合解決問題能力的表現。《義務教育課程方案和課程標準（2022年版）》中提出了各學科的核心素養，以科學、生物、物理、化學學科為例，如表1所示。

從表1可知，科學、生物、物理、化學學科核心素養之間存在重疊交叉，都有“科學探究”“科學思維”“態度責任”等核心素養。“科學探究”“科學思維”與“中國學生發展核心素養”中“科學精神”下的“理性思維、批判質疑、勇于探究”三個素養點相關聯。“態度責任”與“中國學生發展核心素養”中“責任擔當”下的“社會責任”素養點相關聯。根據學科核心素養的親疏關系，可以把這些學科歸入科學類的學科群中。從孤立的單科到學科群內的跨學科，能夠為落實核心素養找到可行的路徑。指向素養培養的學習往往是從現實世界中的“真”問題開始探究，探究過程中可以培養學生解決問題、假設設計、信息處理、實踐反思的能力、增加人文素養和科學精神等。但對“真”問題的探究往往很難局限于某一學科，現行學科的細致分類會割裂知識間的天然聯系，使得學習中只能討論理想狀態的問題，各學科的知識運用都是簡化或虛擬的情境。當教師和學生一起來探究“真”的問題時，就會發現，提出問題的可能是物理學科，然而在探究的過程中，會涉及到其他學科的內容，比如化學、生物、地理等學科。因此，核心素養落地中小學教學，需要打破嚴格的學科界限。

2.3 跨學科素養與中國學生發展核心素養、學科核心素養的關系

中國學生發展核心素養中的各個點，很難對應某一門學科，體現的是跨學科的特點。在培養學生核心素養的大背景下，跨學科學習也在近幾年逐漸成為大家關注的熱點，那么跨學科只是把多學科的知識融合在一起進行教學嗎？有學者認為：跨學科、多學科、超學科之間的相互關系應如圖2所示。

圖2顯示了多學科、跨學科、超學科中學科的整合程度。多學科中的學科邊界較為清晰；跨學科處于整合的中間水平，強調學科邊界的軟化和學科間的相互勾連；超學科是指在學科邊界共同交疊的地帶發展新的解釋性系統。所以，跨學科并不是簡單地把幾個學科的知識拼湊在一起，而是在解決真實問題的過程中，學科知識之間的相互融合，融合后的跨學科知識呈現出“你中有我、我中有你”的樣態，具體哪門學科的知識就很難說清楚。

如圖3所示，本研究按照各種素養之間的關系構建的素養塔，底層是學科層面，包括分學科、多學科，學科核心素養、多學科素養都在這個層面上。多學科素養是指根據實際情況將學科核心素養拼湊而成的多學科素養，學科間的界限分明。素養塔的第二層是跨學科層面，與之相對應的跨學科素養是融合學科邊界后的素養，這一層面存在著以學科群為單位的各類跨學科素養，例如科學類、人文類跨學科素養等。素養塔的第三層是超學科層面，對應的是中國學生發展的核心素養，這個層面沒有學科之分，最接近育人目標。

2.4 在科學教育中汲取跨學科素養培育要素

《全民科學素質行動規劃綱要（2021-2035）》把青少年作為科學素養提升行動的第一人群；并將“激發青少年的想象力和好奇心，增強科學興趣和情感、創新意識和能力，培養一大批具有科學家潛質的青少年群體，加快夯實科技強國建設的人才基礎”作為一項重要內容。所以科學教育的目的是培養青少年的科學素養。

“科學素養”是動態發展中的概念。佩拉在上世紀提出：具有科學素養的人能夠理解科學的本質和基本概念，理解科學與技術的區別，理解科學與人類、社會的關系，理解控制科學家工作的倫理道德[10]。《面向全體美國人的科學》提出“科學素養包括：對科學的重大概念和原理的了解；尊重自然和諧統一性；懂得科學、數學和技術三者之間的相互依賴關系；認識到科學、數學和技術是人類共同的事業；運用科學知識、思維、方法來處理個人問題和社會問題。”“經濟合作與發展組織”指出：“科學素養是運用科學知識，確定問題和作出基于實證的結論，以便通過人類活動對自然世界的改變進行理解和作出決定的能力。”[10-11]當前，國內科學教育中，將科學素養的要素分為：科學觀念、科學思維、探究實踐和態度責任[12]。以上科學素養的要素同樣具有跨學科性。

縱觀素養、核心素養、中國學生發展核心素養兼具跨學科屬性，再從科學教育的角度來看：科學作為學科，它是構成中國學生發展核心素養藍圖的重要構建，其培育的科學素養具備跨學科性，因此從科學教育中汲取跨學科素養成為培養青少年的教育目標，理應成為新時代科學教育、科普工作的重要內涵。科學由生物學、物理學、化學、天文學、地理學等學科分支組成；科學與技術、工程、數學的相互影響日益增強，表現出學科的融合性。科學的本質是對客觀世界進行探索和改造的實踐活動，它突出了探究性。科學的探究實踐過程一般要經過問題的提出、猜想與假設、設計實驗、證據的收集、分析論證、交流協作等環節，這也反映出科學教育在實踐過程中所具有的設計、協作、交流等方面的特點。以上的學科融合、探究、設計、協作、交流具有跨學科性，可以將其凝煉在科學教育的跨學科素養培育中，即為學科融合素養、設計素養、探究素養、協作素養、表達素養。

3 實踐策略

科學教育具有實踐性、拓展性、綜合性特征。在科學教育中倡導探究實踐，將科學概念通過動手動腦的實踐體驗式活動而獲得，是科學學科課堂學習的有效延伸與提高；也是培養學生探究實踐能力與跨學科素養的重要途徑。讓科學的觀念、思想、方法深入人心，跨學科素養在一次次科學實踐活動中得到滋養和培育，需要教育工作者、科普工作者不斷尋求理念與資源支持、摸索跨學科素養培育的方法、引導學生走向深度學習、倡導不拘于環境與多種形式相結合的科學教育實踐。

3.1 理念與資源支持

理念支撐。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要》明確提出，“堅持以人為本，推進素質教育是教育事業改革發展的戰略主題”。以人為本的教育思想，離不開和諧教育的理念。和諧一定是以人為本的，以人為本的和諧教育是歷史的必然，也是教育的屬性[13]。這與《中國學生發展核心素養》的要求即培養“全面發展的人”相呼應。其中核心素養各要素中主要包含了相關的跨領域跨學科素養，這對在科學教育中實施跨學科素養培育具有指導意義。同時結合“生活即教育”理念[14]（從生活中學習）、“生活科普”理念[15]（不拘環境與形式的科學教育），又為跨學科素養在科學教育中的培育提供了方法和形式上的借鑒。

資源支持。教育部新發布的《義務教育課程方案和課程標準（2022年版）》中的相關學科的跨學科主題，為科學教育實踐提供了切實可行的活動內容。如《義務教育科學課程標準》中的“生物與環境”“人與環境”“技術與工程、社會”“工程設計與物化”；《義務教育生物學課程標準》中的“生物學與社會·跨學科實踐”；《義務教育物理學課程標準》中的“物理學與日常生活”“物理學與工程實踐”“物理學與社會發展”；《義務教育化學課程標準》中的“化學與社會·跨學科實踐”；《義務教育地理課程標準》中的“地球之腎”“我的家在這里”……可見，這些主題或內容，都是基于科學的跨學科拓展，也是跨學科素養培育的重要實施媒介。

3.2 各素養培育要點

（1）學科融合性素養：運用學科融合的意識和方法解決問題的思路，即為學科融合素養。學科融合素養的培養，可以直接借助課標和教材中有關跨學科的主題和內容設計進行；也可以將教材中的學科內容主動設計成學科融合主題進行指導[16]；也可以就某一主題，運用不同學科的知識原理進行解釋、表達、實踐等。

（2）探究素養：科學教育的關鍵是探究實踐，因此探究素養的培育可以指導學生在一系列拓展觀察、調查、實驗過程中進行。教學和科普指導中，運用“5E”指導法[17]進行探究素養培育。

（3）設計素養：設計是在高階思維上建立想象與創造。如何統整科學與工程學，較好地培育學生設計素養，成為科學教育中培養跨學科素養的重要環節，所以在科學實踐活動中，教師要創設學生進行設計的空間，按照“我的設計要素”[18]（我準備找的材料，我設計的實驗裝置圖，我設計的實驗方案等）進行指導。

（4）協作素養：科學實踐活動具有協作性，強調在群策群力中互相幫助、互相啟發，進行群體性知識建構。科學探究的問題往往產生于真實情境中，解決真實任務離不開同學、老師、專家等的協作[19]。

（5）表達素養：基于科學學科融合性極強的特點，也就賦予了其展示、研討、答辯、發表、海報、科學表演秀等更多的表達交流形式，為培養學生在科學實踐活動中的表達素養創造了有利條件[20]。

3.3 應走向深度學習

跨學科素養要素需要融入精心設計的活動案例，更需要在科學教育活動中，激發、引導學生充分地設計、探究、合作、表達，這不但有利于學生逐步培育跨學科素養，同時又將這種實踐指向基于設計與探究的深度學習，進一步促進跨學科素養的培育。基于深度學習能促進跨學科素養的培育，因此在進行科學教育實踐活動中可以提倡“雙設計方法”“兩次倒轉法”。

“雙設計方法”包含指向教師教的設計和指向學生學的設計。在相關的科學主題實踐中，教師設計的不同體驗場景，設置不同層次的問題情境，旨在促使學生在充分的體驗實踐中，真實、有效、深入地探究；學生根據收獲的科學原理進行“我的設計”體驗，目的是在取舍材料、構思模型和精心策劃的過程中啟發靈感、碰撞思維、培養創造性思維。雙設計的目標是指向學生在科學實踐中的深度學習[21]，這也為培養設計素養創造了條件。

“兩次倒轉法”教學是直接從認識出發而不是實踐出發，有目的地指向人類已有的認識成果的學習，也就是“第一次倒轉”。“第二次倒轉”就是把第一次“顛倒”的過程再倒轉回去，幫助學生重現、體會知識的發現和重構過程[22]。“兩次倒轉”的目的就是讓學生處在真實情境，自主地經歷探究的整個過程，從而逐步培養探究素養。

3.4 不拘于實踐環境

教育應是生活本身。教育必須與學生現有的生活有機融合，因為一切事物的存在都是人與環境相互作用而產生的，人不能脫離現實環境，學校也不能脫離現實生活[23]。教學空間不能僅限于教室、實驗室等固定場所，可以走向更加開放的生活和自然空間，這是由科學學科與自然界千絲萬縷的聯系所決定的，即觀察科學現象、選擇實驗對象、探尋科學原理都離不開大自然；也是由科學實踐的主體（學生）與生俱有的好奇心和對周圍世界求知欲的心理特征所決定的[24]。

因此，科學教育實踐的指導與組織要兼顧科學學科、兒童心理、自然生活三要素，進行跨學科內涵的自然滲透。將科學概念、科學方法、科學本質、科學思想等鑲嵌在孩子們喜聞樂見的科學主題中[25]，創設多樣的實踐環境，課內課外利用生活中的素材，探究生活中的問題，進行生活中的實踐。通過課堂內外的自然切換，科學主題與自然環境、社會環境的有機結合，教學氛圍的精心營造，在學校、自然、生活、社會等環境中實現科學實踐活動，不僅可以激發學生對科學活動的興趣，培養其主動探究的能力，而且可以提升課程的實用性、趣味性和跨學科性的宗旨[26]。上述的各種環境，為科學實踐與其他學科的自然結合，為跨學科素養（學科融合素養、交流素養、協作素養）培育創設了學習與實踐的空間。

3.5 多種形式的結合

生活科普提倡“觀生活中的現象，用生活中的材料，探生活中的科學，在實驗室之外也可以進行科學實踐，使科學的思維和方法在現實的問題情境中得到普及，培養科學的情感和態度”[27]。它期待創造這樣的空間，在這個空間里，孩子們可以釋放快樂、童心、興趣和思想。生活科普的六種實踐形式：生活實驗、科學對話、科學游記、科學童話、科學情景劇、自然筆記，即可作為科學教育活動的實踐形式[28]，同樣也可以作為跨學科素養培育的有效載體。

基于跨學科素養培養的科學教育應倡導多元的指導形式，針對采用較為單一的教學與實踐方式的特定場所（如傳統教室、實驗室等）進行生活化的拓展。如把一般性的課堂交流設計成“兩小孩辯日”式的有質量、有內涵的科學對話式教學（科學與語文的融合）；如在真實的自然情境中，學習者在旅行中伴隨觀察、記錄、理解的思維變化，逐步實現的科學游記教學（科學與人文的融合）、自然筆記教學（科學與美術的融合）；如將科普童話（科學與語文的融合）與教材相結合，利用故事先做鋪墊，激發學生學科學的興趣；如指導學生編排科學情景劇（科學與戲劇的融合），讓科學實驗和原理巧妙地融入情景戲劇表演中，孩子們在這種時空轉換和角色體驗中進行學習，收獲的科學概念也是最深刻的[29-30]。這種多形式組合、多學科融合的科學教育活動，為基于科學的深度學習創造了條件，也更有利于學生在探究實踐、發現設計、表達交流中培養跨學科素養。

4 結語

科學教育從研究性學習，到STEM教育、項目化學習，再到形式多樣的實踐體驗，其要義就是學生在真實的問題情境中，好奇心得以激發，探究欲望、探究實踐得以實現，并在實踐的過程中通過猜想、設計、探究、反思、合作、交流等一系列活動，收獲科學觀念、科學方法、科學思想、科學精神，而這其中更多的是汲取與人全面發展、終身發展密切相關的跨學科素養。本研究從素養、核心素養、中國學生核心素養、跨學科素養的內在關系出發，結合科學與其他學科的教學實踐與思考，倡導學科融合素養、設計素養、表達素養、探究素養、協作素養等跨學科素養在科學教育中的培育，期望通過本研究成果為教育同行提供參考與借鑒。這項研究還有不斷完善和提升的空間，特別是基于跨學科素養的評價體系如何設計、不同學科教師之間如何促進跨學科式協同教學等，都需要繼續深入研究。