組織跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動 設(shè)計蔬菜育苗和栽培溫室

◇楊曉娟（北京：中國人民大學(xué)附屬中學(xué)實驗小學(xué)）

2022年版義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)指出，要加強課程內(nèi)容與學(xué)生經(jīng)驗、社會生活的聯(lián)系，強化學(xué)科內(nèi)知識整合，統(tǒng)籌設(shè)計綜合課程和跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)。現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)教育部重點實驗室主任胡衛(wèi)平教授在課標(biāo)解讀論壇上的發(fā)言指出，本次國家的課程改革主打綜合性和實踐性相結(jié)合的發(fā)展方向，在以往的改革中實際上已經(jīng)倡導(dǎo)進行研究性學(xué)習(xí)和綜合實踐活動，且這兩種活動已經(jīng)有了一些跨學(xué)科的性質(zhì)，但是它并沒有突出跨學(xué)科學(xué)習(xí)中解決真實情境中的問題這一點。胡教授的話給我們帶來了很多啟發(fā)與思考。

一、基于真實問題的跨學(xué)科學(xué)習(xí)的概述

艾倫·雷普克在《如何進行跨學(xué)科研究》一書中指出，跨學(xué)科研究是回答問題、解決問題、處理問題的進程，這些問題太寬泛、太復(fù)雜，靠單門學(xué)科不足以解決；它以學(xué)科為依托，以整合見解、構(gòu)建更全面的認(rèn)識為目的。

二、基于真實問題的跨學(xué)科學(xué)習(xí)的特征

（一）需有一個真實的跨學(xué)科目的作為前提

解決一個真實問題、創(chuàng)造一件作品、建構(gòu)一種解釋、滿足一種需要，都是真實的跨學(xué)科目的，成為跨學(xué)科項目式學(xué)習(xí)設(shè)計的來源。例如：在解決環(huán)境污染問題時，設(shè)計低碳房屋、設(shè)計綠色交通系統(tǒng)、設(shè)計低碳校園等。又如：在解決保護鳥類這個現(xiàn)實問題中，設(shè)計鳥類棲息地、制定保護鳥類的相關(guān)法規(guī)、制作輔助生存工具、設(shè)計鳥類救護裝置等。這些都是源于現(xiàn)實世界中真實問題而組織的跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動，有著真實的跨學(xué)科目的。

（二）明確所跨學(xué)科之間的內(nèi)在聯(lián)系及邏輯

跨學(xué)科領(lǐng)域?qū)嵺`的本質(zhì)，不是對某一刻板的主題進行整合，也并非沒有邏輯地對學(xué)科知識進行堆積，而是在真實的問題情境中，分析人的需求，將學(xué)科大概念及跨學(xué)科概念、作品或產(chǎn)品聯(lián)系在一起，由此引導(dǎo)學(xué)生對正在學(xué)習(xí)的項目產(chǎn)生新的、更深入的、更整合性的理解。例如：在考察北京持續(xù)根治河道頑疾，黑臭“牛奶河”還清為“生態(tài)河”的治理情況時，只要求學(xué)生寫一份考察報告，而對考察報告的結(jié)構(gòu)、內(nèi)容沒有明確要求和闡述，這就不是跨學(xué)科所應(yīng)采取的立場。

（三）在學(xué)科深度學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上進行整合

跨學(xué)科立場更核心的是，基于這些學(xué)科學(xué)習(xí)和研究，在不同的學(xué)科視角尋找聯(lián)系、沖突，形成創(chuàng)新性的觀點或者見解。基于真實問題跨學(xué)科項目式學(xué)習(xí)，需要在項目進程中讓學(xué)生感受到這種學(xué)科間的知識、視角的補充、碰撞與張力。通過問題解決的項目邏輯實現(xiàn)創(chuàng)造性轉(zhuǎn)化，將各學(xué)科知識重新按照議題、問題整合成不同于單一學(xué)科的新知識。

三、基于真實問題的跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動的設(shè)計邏輯

教師在基于真實問題設(shè)計跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動的時候，要遵循跨學(xué)科立場和學(xué)科立場，并基于五個關(guān)鍵問題梳理跨學(xué)科案例設(shè)計的思路（見圖1）：解決現(xiàn)實世界的什么“真”問題？解決成功的標(biāo)準(zhǔn)是什么？限制條件是什么？為解決問題需整合應(yīng)用哪些學(xué)科的哪些知識或原理？是驗證原理解釋世界還是應(yīng)用原理改造世界？學(xué)生解決問題需要運用哪些過程或者方法？這些過程方法是不是通用的方法？培養(yǎng)哪些核心素養(yǎng)或跨學(xué)科概念？落實在哪些學(xué)習(xí)活動中？如何評估？學(xué)生進行了哪些意義建構(gòu)？生成了哪些能力？可以遷移嗎？

圖1 基于真實問題的跨學(xué)科“五問”設(shè)計邏輯

四、基于真實問題的跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動的實施過程

基于真實問題開展跨學(xué)科學(xué)習(xí)的實施過程，問題始終是組織跨學(xué)科學(xué)習(xí)的緣由、依據(jù)和核心。因此，我把實施路徑依次梳理為解構(gòu)核心問題為分學(xué)科子問題、構(gòu)建分學(xué)科子問題系統(tǒng)、探索和整理相關(guān)信息和資料、依據(jù)不同學(xué)科知識表征子問題、解決子問題、跨學(xué)科界限解決核心問題幾個過程（見圖2）。下面我就以設(shè)計蔬菜育苗、栽培溫室為例，進行四步分析。

圖2 基于真實問題的跨學(xué)科學(xué)習(xí)實施過程

（一）解構(gòu)核心問題，構(gòu)建子問題系統(tǒng)

首先將核心問題“現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中如何進行蔬菜的反季節(jié)育苗和栽培？”解構(gòu)為三個主題問題：1.溫室在植物生長發(fā)育的過程中發(fā)揮的主要作用是什么？2.如何實現(xiàn)溫室的保溫性、透光性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及成本最優(yōu)？3.為增加溫室產(chǎn)品產(chǎn)量，提高勞動生產(chǎn)率，溫室綜合環(huán)境控制系統(tǒng)該如何設(shè)計？接下來，將主問題進一步解構(gòu)為多個相關(guān)聯(lián)的分學(xué)科子問題。將主問題1分解為三個子問題，分別為子問題1：溫室分為哪幾種類型？分別應(yīng)用于什么生活場景？子問題2：溫室的結(jié)構(gòu)分為哪幾部分？分別發(fā)揮什么作用？子問題3：溫室最基本的評價標(biāo)準(zhǔn)或指標(biāo)是什么？將主問題2分解為4個子問題，分別為：溫室保溫性受哪些因素的影響？溫室的透光性受哪些因素的影響？溫室的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受哪些因素影響？如何在限定成本范圍內(nèi)為番茄種植戶和生菜種植戶設(shè)計溫室？最后將主問題3進一步分解為：如何設(shè)計智能溫室的采集系統(tǒng)？如何設(shè)計智能溫室的控制系統(tǒng)？如何設(shè)計智能溫室的執(zhí)行系統(tǒng)？（見圖3）

圖3 “設(shè)計蔬菜育苗、栽培溫室”問題系統(tǒng)

（二）探索整理資料信息，不同學(xué)科知識表征子問題

接下來，我們需要依據(jù)子問題系統(tǒng)搜索相關(guān)資料信息，用不同的學(xué)科知識表征子問題。例如：我們可以調(diào)取物質(zhì)科學(xué)相關(guān)知識與技能支持溫室覆蓋材料的透光性、保溫性研究；用生命科學(xué)相關(guān)知識與技能支持番茄、生菜生長條件分析研究；用地球科學(xué)相關(guān)知識與技能支持番茄、生菜栽培綜合環(huán)境條件，研究土壤濕度、透氣性、有機質(zhì)含量等；用信息科技相關(guān)知識與技能支持溫室的類型及應(yīng)用場景資料調(diào)查、智能溫室采集、控制、執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計；用數(shù)學(xué)學(xué)科相關(guān)知識與技能解決溫室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響因素的研究，研究結(jié)構(gòu)重心的高低、結(jié)構(gòu)與地面接觸所形成的支撐面的大小以及溫室模型的設(shè)計；用藝術(shù)學(xué)科相關(guān)知識與技能支持溫室模型設(shè)計，作為社會環(huán)境中的生產(chǎn)建筑物要綜合考慮實用性與美觀性。溫室本身是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動過程的產(chǎn)物，因此問題解決的全過程滲透了勞動教育的思想。

在真實問題的解構(gòu)過程中，不同學(xué)科之間通過問題、概念、成果聯(lián)系在一起，使學(xué)生能夠?qū)φ趯W(xué)習(xí)的主題產(chǎn)生新的、更深入的、更有說服力或更細(xì)致的理解。因此，基于對不同學(xué)科概念的理解進一步確定跨學(xué)科概念，將促進學(xué)生在學(xué)習(xí)活動中將學(xué)科知識與技能和真實問題產(chǎn)生聯(lián)系，促進問題解決過程中對學(xué)科概念的運用。學(xué)生由此對跨學(xué)科問題產(chǎn)生全面而理性的認(rèn)知。從物質(zhì)與能量這個跨學(xué)科概念來看，本案例需要學(xué)生理解并應(yīng)用的是生命的過程，就是生命體與外界進行物質(zhì)與能量交換的過程；從結(jié)構(gòu)與功能維度來看，本案例主要體現(xiàn)在技術(shù)工程領(lǐng)域，通常系統(tǒng)的功能是先根據(jù)需求明確下來，然后通過設(shè)計制造特定的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)這一功能；從系統(tǒng)與模型維度來看，在技術(shù)工程領(lǐng)域，系統(tǒng)是人們所關(guān)注的對象，溫室可以是一個系統(tǒng)。有時由于系統(tǒng)龐大，還可以根據(jù)功能分為若干子系統(tǒng)，如：溫室的結(jié)構(gòu)、采光、智能控制等子系統(tǒng)。為了對系統(tǒng)進行直觀展示或深入研究，我們根據(jù)其性質(zhì)或特征，構(gòu)造了簡化的模型。穩(wěn)定與變化：溫室綜合環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計就是根據(jù)蔬菜生長數(shù)據(jù)的變化進行反饋控制，從而使蔬菜處于一個相對穩(wěn)定的、適宜生長的環(huán)境中。

（三）設(shè)計學(xué)習(xí)活動，解決子問題

確定分學(xué)科知識及跨學(xué)科概念后，我們依據(jù)子問題系統(tǒng)對應(yīng)的素養(yǎng)目標(biāo)進行學(xué)習(xí)活動的設(shè)計，以解決子問題。以如何實現(xiàn)溫室的保溫性、透光性、成本最優(yōu)化這個子問題系統(tǒng)為例：通過控制變量實驗等活動，探究不同覆蓋材料對溫室保溫性能、透光性能的影響；通過單因素實驗等活動，探究影響溫室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素；通過為生菜種植戶和番茄種植戶“設(shè)計溫室”的挑戰(zhàn)活動，完成在限制條件下進行設(shè)計的工程實踐。

（四）解決核心問題，提升學(xué)習(xí)價值

逐一解決子問題后，我們需要通過學(xué)習(xí)活動的設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生解決跨學(xué)科主題的核心問題，提升學(xué)習(xí)價值。以本案例為例：首先引導(dǎo)學(xué)生梳理子問題解決過程，以小組為單位完成解決核心問題的學(xué)習(xí)報告。學(xué)習(xí)報告可以基于四個問題展開：1.我們要解決現(xiàn)實世界的什么“真”問題？2.為解決問題，我們整合應(yīng)用了哪些學(xué)科的哪些知識或原理？3.為解決問題，我們經(jīng)歷了哪些研究過程？采用了哪些研究方法？4.我們獲得了哪些解決問題的能力？這些能力是否還可以幫我們解決生活中的其他問題？其次，我們還可以請學(xué)生以小組為單位，展示溫室模型設(shè)計及建造成果，進行自評、互評、教師評價，借助更加直觀的工程作品將學(xué)習(xí)報告中的實踐經(jīng)驗進一步內(nèi)化。

五、總結(jié)與反思

基于現(xiàn)實問題的跨學(xué)科學(xué)習(xí)，因其問題的復(fù)雜性和不確定性，無論對教師還是學(xué)生來說都是全新的挑戰(zhàn)。因此打破學(xué)科壁壘，構(gòu)建教師教學(xué)研究共同體，構(gòu)建師生學(xué)習(xí)共同體就顯得十分重要。今后通過不斷地實踐，我將繼續(xù)對跨學(xué)科共同體的構(gòu)建進行更深入研究。