國際科學教育跨學科概念研究的現狀與啟示

陳方結　林長春

我國《義務教育科學課程標準（2022 年版）》在“課程內容”中明確“通過對學科核心概念的學習，理解物質與能量、結構與功能、系統與模型、穩定與變化4 個跨學科概念”。這是我國首次將“跨學科概念”納入國家科學課程標準，突出強調跨學科概念的重要價值。本文從文獻計量學研究的角度，借用知識圖譜工具，分析與討論近10 年跨學科概念在國際科學教育期刊的發文情況和期刊分布、高影響力作者及機構分布、研究熱點等，以此對我國跨學科概念研究的未來提出幾點建議。

本研究以國際科學教育中存在的3 種跨學科概念術語“crosscutting concepts”“cross cutting concepts”和“cross-cutting concepts”為主題檢索條件， 將2011年12 月31 日至2021 年12 月31 日期間收錄在“Web ofScience”數據庫的文章，共檢索到95 篇期刊文獻，純文本數據導入Histcite Pro 2.1s、CiteSpace 5.8. R3 軟件對文獻精煉，能夠識別并分析的文獻數量為80 篇。

研究發文情況及核心作者分布

從總發文量和被引量看，跨學科概念的關注總體呈上升趨勢。2012—2016 年，相關研究發文較少，學者們對跨學科概念的關注度較低；2017—2021 年，發文量和被引量明顯上升，表明學界對跨學科概念的關注度持續上升，其中2018 年發文量急劇上升、被引量大幅增加。從發文所在期刊進行統計發現，納入國際科學教育跨學科概念研究的期刊共20 多種。研究文獻在《美國生物教師》（American Biology Teacher）《化學教育雜志》（Journalof Chemical Education）《科學教學研究雜志》（Journalof Research in Science Teaching）和《科學教育》（ScienceEducation）4 個期刊發文比較活躍。從主題看，有科學教育、生物學教育、化學教育、數學教育、教育技術等領域。借助Histcite Pro 2.1s 統計發文量與被引量前十的核心作者，均來自美國的大學。

研究熱點分析

運用CiteSpace 軟件對2012—2021 年國際科學教育跨學科概念期刊文獻中的關鍵詞描繪關鍵詞圖譜，結合對研究樣本詳細梳理的深入閱讀，將目前國際科學教育跨學科概念研究熱點主要集中在4 個方面，即跨學科概念內涵與構成要素、價值與作用、理論模型建構與教學策略實施，以及測量與評價研究。

重塑跨學科概念：內涵及其構成要素研究。

當前，國際關于跨學科概念內涵尚未形成統一定論。一方面是不同國家的科學課程文件中使用了不同的術語表達，各國跨學科概念內涵、內容要素選擇存在差異性。另一方面是不同學者對美國《新一代科學教育標準》（NGSS）列出的跨學科概念內涵及其組合有不同的看法。如加拿大安大略省的科學課程標準描述“基本概念是那些獲得所有科學技術知識所需要的、最關鍵的一些要點，是構建知識框架中的支點”；而澳大利亞的科學課標認為“跨學科概念代表了科學觀點的關鍵方面，跨越了科學學科的知識和理解”。相較于《新一代科學教育標準》，我國新課標只選擇了物質與能量、結構與功能、系統與模型、穩定與變化4 個內容要素作為跨學科概念。雖然這些內涵表述和要素選擇上略有差異，但都表明跨學科概念在支持學生學習科學方面潛力巨大。

審視跨學科概念：價值與作用研究

在關于跨學科概念研究近10 年的文獻中，大部分學者在跨學科概念的重要性方面都達成了共識。主要表現為跨學科概念能夠促進教育公平，促進學科核心概念與工程實踐的學習，促進跨學科學習，促進對科學本質的理解。但也存在一些質疑跨學科概念必要性的觀點。如美國蒙大拿州立大學的菲奇（Fitch）評估了學生在跨學科概念“系統”學習過程中科學知識發展的水平[1]。結果發現，在控制組中，學生將跨學科概念應用于學科核心概念的能力沒有改善，在前測和后測之間沒有顯著性差異。智（Chi）、羅斯科（Roscoe）等人表示，應用跨學科概念的困難可能會導致學生形成錯誤概念，對跨學科概念的價值意義提出質疑[2]。

建構與實施跨學科概念：理論模型和教學策略研究

在跨學科概念研究文獻中，一部分文獻從理論研究上，建構了跨學科概念實施的理論模型，如菲克（Fick）[3]、麥克埃爾哈尼（McElhaney）[4] 等，他們從理論的角度，基于可視化的模型呈現跨學科概念與學科核心概念的關系、工程與科學實踐之間的關系、跨學科概念與周圍的學習環境的關系，特別是跨學科概念與學生學習之間的關系，但這些理想模型還缺乏實證的支持。一部分文獻根據《新一代科學教育標準》附錄G 中對于跨學科概念的實施指導建議開展教學設計研究[5]。

理解跨學科概念：測量與評價研究

綜觀國際跨學科概念的測量與評價研究，在評價主題上傾向“能量”與“模式”跨學科概念。測評內容呈現出從檢測單一學科知識理解水平，發展為檢測多學科知識理解水平；測評形式方面，概念測試題在選擇題的基礎上，與開放性試題相結合，通過整合性評分標準，判斷學生知識整合能力。尚未對跨學科概念作為框架體系進行測評研究。

哈登菲爾德（Hadenfeldt）[6] 開發基于有序多項選擇項目，對6—13 年級學生對物質概念的學習進階情況展開大規模測試。自2005 年柳秀峰首次將Rasch 模型用于學習進階研究，以測試不同年級學生對能量概念的認知情況[7] 之后，Rasch 模型常被用于“能量”概念的進階測評研究。

在評價對象上，大量研究都關注學生的跨學科概念理解水平，對于教師的關注較少。來自美國加州大學的賈絲明（Jasmine）、金柏莉（Kimberly）等人收集了來自13名加州教師的自然觀察和訪談數據，研究結果表明，跨學科概念是最讓教師困惑的領域，跨學科概念具有抽象性，實施跨學科概念的不確定性成為教師的教學難題。

啟示

持續關注國際科學教育跨學科概念研究新動向

我國科學教育跨學科概念研究起步較晚，在國際上研究成果較少，關于跨學科概念研究的探索、積累還不夠。我國科學教育研究者應持續跟蹤國際科學教育跨學科概念研究趨勢，借鑒研究成果，豐富研究方法，擴寬學術研究視野，加強國際交流與共享，不斷提高跨學科概念學術研究成果質量，形成以中國為合作體系的高影響力學術群體。

關注我國科學課程改革中的跨學科概念的內涵與實施

科學教育領域為什么要引入跨學科概念是關于跨學科概念溯源的問題。厘清這個問題，可以更為深入地理解國際科學課程的改革趨勢。當前我國科學新課標基于核心概念和學習進階設計課程，反映STEM 教育思想，綜合物理、化學、生物學、地理、技術、工程等學科領域，統整科學課程內容，以學生認知水平與知識經驗，由淺入深地凝練在13 個學科核心概念之中，再以4 個跨學科概念實現科學知識更為廣泛的遷移與應用。跨學科概念的引入，正處在這樣的課程改革背景之下。

深入探討跨學科概念的價值意義

目前，我國科學教育對跨學科概念的研究較少，跨學科概念在科學新課標中的地位明確，是13 個學科概念的上位概念，但沒有上升到課程內容維度，也沒有將其視為思維工具，成為連接科學知識與科學實踐的橋梁。面對國際上關于跨學科概念價值的爭論，我國科學教育研究者應持開放的心態，從這些差異觀點中學習，認識到科學教育領域中哲學與實踐層面的多樣性，建立更為均衡的認識。

開展本土化的跨學科概念理論與實踐研究

在我國長期分科教學制度下，幫助學生打破學科間的壁壘，實現不同學科知識的聯系與整合，對自然科學形成統一而整體的思維方式，解決真實的科學問題，仍具挑戰性[8]。近些年跨學科概念研究在我國科學教育界受到關注，主要聚焦在3 個方面：發達國家課程標準、教材跨學科概念特征研究；跨學科概念教學設計研究；跨學科概念理解認知測評研究。鑒于我國在跨學科概念領域沒有豐富的實證研究基礎作為支持，關于跨學科概念的實施，科學新課標缺乏明確的指導框架。未來，結合我國國情可以圍繞跨學科概念開展相關理論與實踐探索，如跨學科概念單元課程內容開發、跨學科概念在科學教材中的架構方式、科學教師跨學科概念教學策略、跨學科學習及其對科學教師的專業發展支持，以及跨學科概念測量與評價等。

參考文獻

[1] Fitch C D L. The impacts of teaching the crosscutting concepts in aproficiency-based system[D]. Bozeman： Montana State University. 2019.

[2] Chi M T H， Roscoe R D， Slotta J D， et al. Misconceived causalexplanations for emergent processes[J]. Cognitive science， 2012， 36（1）： 1-61.

[3] Fick S J， McAlister A M， Chiu J L， et al. Using StudentsConceptual Models to Represent Understanding of Crosscutting Conceptsin an NGSS-Aligned Curriculum Unit About Urban Water Runoff[J].Journal of Science Education and Technology， 2021， 30（5）： 678-691.

[4] McElhaney K W， Cunningham C， Mayer K， et al. Using thecrosscutting concepts to integrate science and engineering[C]//Summitfor examining the potential for crosscutting concepts to support threedimensionallearning conference proceedings. 2018： 27-40.

[5] NGSS Lead States. Next generation science standards; for States， byStates[M]. Washington， DC： National Academies Press， 2013： 8.

[6] Hadenfeldt J C， Neumann K， Bernholt S， et al. Studentsprogression in understanding the matter concept[J]. Journal of Researchin Science Teaching， 2016， 53（5）： 683-708.

[7] Liu X， McKeough A. Developmental growth in students' concept ofenergy： Analysis of selected items from the TIMSS database[J]. Journalof Research in Science Teaching： The Official Journal of the NationalAssociation for Research in Science Teaching， 2005， 42（5）： 493-517.

[8] 王維臻，王磊．跨學科概念“能量”的含義和3 種認識框架[J]．化學教育（中英文）．2020（23）．

（ 本文系2021 年教育部首批新文科研究與改革實踐項目（ 編號：2021070064）；2020 年重慶市教育科學規劃重點課題（編號：2020-GX-010）研究成果）