把系統(tǒng)與模型跨學科概念滲入教學

〔摘 要〕 伴隨著科學課程走向整合的趨勢，跨學科概念應運而生。跨學科概念主要包括兩個方面，一是系統(tǒng)，二是模型，其獨特的教育價值更加顯現(xiàn)。本文以系統(tǒng)與模型為例，通過對系統(tǒng)與模型的理解、課程資源的提取，教學轉化與實踐和教學啟示，闡述了引入系統(tǒng)與模型跨學科概念的必要性和可行性，并對這一概念在實踐中的運用做了初步分析。

〔關鍵詞〕 小學科學；跨學科概念；系統(tǒng)與模型

〔中圖分類號〕 G424 〔文獻標識碼〕 A 〔文章編號〕 1674-6317 （2024） 23 067-069

20世紀80年代以來，科學的發(fā)展趨向于從單一學科到多學科的結合。發(fā)達國家進一步修訂科學課程標準，例如美國、日本等國，將跨學科概念作為核心命題，并對學生科學學習結果方面的要求越來越高。我國結合國際科學研究以及教育實踐成果，于2022年4月頒布了義務教育課程方案和課程標準，創(chuàng)造性地提出了我國科學教育教學的4個跨學科概念：一是物質與能量，二是系統(tǒng)與模型，三是結構與功能，四是穩(wěn)定與變化。這四個概念并不是具體的學科概念，而是超越學科概念的上位觀念與科學思想，是認識世界、觀察世界、理解世界的一種新的思維方式，也是對學科知識遷移能力的拓展和強化。

由于課標中一直未有與跨學科概念相當?shù)奶岱ǎ虼耍瑢鐚W科概念價值的研究當前還只是停留在理論介紹方面，跨學科概念和教學轉化案例缺失。跨學科概念是否真的具有與學科核心概念同等重要的地位？下面就以系統(tǒng)與模型為例，談談如何將跨學科概念融入小學科學教學中。

一、對系統(tǒng)與模型的理解

系統(tǒng)與模型作為跨學科概念之一，具有豐富的內涵。系統(tǒng)是指各組件以及組分間執(zhí)行某些功能的集合，是系統(tǒng)內部結構與輸入、輸出相互作用與影響的總和。它具有邊界，可以嵌套在更大的系統(tǒng)中，這是自然界中最主要的單位。模型則是跨學科概念的運行機制，是指在理解一個系統(tǒng)時，由于系統(tǒng)受到很多限制，使很多實物不方便直接觀察或教學，于是便可借助模型進行必要的簡化。用適當?shù)哪Ｊ娇梢詫⑾到y(tǒng)結構的內在聯(lián)系全面體現(xiàn)出來，并進行實體或虛擬的表征，或利用模型進行解釋和預測，這也是認識系統(tǒng)的重要方法。

系統(tǒng)與模型是人類認識世界的主要手段，比較適合通過進階形式，確定不同過程的相關要求。以學科核心概念“5.5.人體由多個系統(tǒng)組成”為例，學生可以用不同的部分來描述物體，并能理解各部分在系統(tǒng)中協(xié)同工作的機制。例如1～2年級學生需要識別眼、耳、鼻、舌、皮膚等器官，并能直接體會到各個器官在人體中的分工和配合。在中段，學生可以認識到系統(tǒng)是由整體或不同組件構成，可以執(zhí)行部分無法單獨執(zhí)行的功能，并且可以分析不同部分或系統(tǒng)的共同特征，初步形成模型。例如3～4年級需要學生描述人體用于呼吸和消化的器官，從而認識到人體的呼吸和消化系統(tǒng)，并初步形成呼吸系統(tǒng)和消化系統(tǒng)模型。在高段，學生需要認識到一個大系統(tǒng)之下存在著更加復雜的子系統(tǒng)，并認識到不同的系統(tǒng)之間有何相互影響，更需要用簡化的模型進行理解。例如5～6年級學生可以逐步理解生命系統(tǒng)的復雜性和層次性，進一步揭示生命系統(tǒng)構成層次的內在規(guī)律。

二、系統(tǒng)與模型課程資源的提取

《義務教育科學課程標準（2022年版）》在課程內容部分設置了13個學科核心概念，無論是物質科學還是生命科學或是技術科學等，都有大量涉及系統(tǒng)與模型的跨學科概念。不同的核心概念多以實驗探究的形式使學生加深理解和認識，因此在課標附錄4中列出78個學生必做的探究實驗，并對探究實驗活動提出了具體的要求，促使學生從不同角度形成系統(tǒng)與模型的跨學科概念。下表是從78個必做實驗中對跨學科概念“系統(tǒng)與模型”課程部分資源進行提取。

三、系統(tǒng)與模型的教學轉化與實踐

跨學科概念中的系統(tǒng)與模型可以將分散在各個學段和學科中的問題聯(lián)系起來，為學生理解學科核心概念提供新的思路和視角，在學科核心概念方面發(fā)揮相應的支撐價值。但從課標到課堂，還需要教師的教學轉化和實踐落實。為了在教學過程中全面滲透系統(tǒng)與模型概念，筆者在教學時采用了以下方法對學生給予指導。

（一）依托學科核心知識，對系統(tǒng)與模型概念進行外顯化教學

盡管系統(tǒng)與模型在核心知識中普遍存在，但學生并不會自發(fā)形成對跨學科概念的理解，此時就需要教師將概念融合進教學實踐中外顯化地進行指導。跨學科概念也不是孤立地調查或者在問題解決情境中學習，而與學科核心知識密切相關。因此在教學時，要使學生處于系統(tǒng)與模型和跨學科概念的情境中。例如，在地球與宇宙科學領域，課堂上學生會通過地球儀、手電筒等模型進行地球自轉和公轉的模擬實驗，深入探究，通過自身語言將概念的認識全面表述出來，并且理解地球自轉及公轉構成的系統(tǒng)。在學生自行構建系統(tǒng)模型之后，教師以此為依托，對系統(tǒng)與模型的跨學科概念進行清晰、具體地說明，把學科核心概念和模型本質結合起來，向學生進行演示。學生以此為依托對其進行改進，同時向系統(tǒng)模型階段邁進，從而理解晝夜交替、四季變化等自然現(xiàn)象的發(fā)生。結合系統(tǒng)、模型概念復雜性特點，且一個系統(tǒng)模型中可能包含多個具有邊界的子系統(tǒng)，教師在推動學生理解系統(tǒng)組成和特征時，應采取循序漸進的方法，讓學生在多次深入學習過程中實現(xiàn)。例如隨著課程的不斷深入，后續(xù)還會制作以太陽為中心、由八顆行星組成的太陽系模型。這同樣需要結合系統(tǒng)、模型概念，實施多樣化教學，使學生能順利呈現(xiàn)太陽系的大致結構，了解恒星、行星與衛(wèi)星的區(qū)別。此時學生便能更深刻地認識到每個系統(tǒng)都有屬于自己的邊界，同類型的系統(tǒng)還可以嵌套在更大的模型中。

（二）圍繞一個或者多個跨學科概念，生成學科內容教學

在認識學科核心概念方面，最主要的工具就是系統(tǒng)與模型。建立科學的模型，是科學實踐過程中最關鍵的一個方面，因此可以在教學中反復、多次使用。這也是美國跨學科概念教學的基本范式。在技術與工程領域，通常需要引導學生解決工程問題，完成工程實踐。一般來講，學生都會從設計出發(fā)，先在圖紙上構思，再做出縮小比例的實物模型，進行調試之后，符合標準才會做出實物。此時，實物是系統(tǒng)，圖紙和實物模型都是模型。在地球與宇宙科學領域內的自然界水循環(huán)課程中，教師與學生共同建立系統(tǒng)模型，同時深入了解水循環(huán)。學生憑借探究過程獲取數(shù)據(jù)，對這一模型在水循環(huán)組分以及作用方面進行評價，查找模型中出現(xiàn)的問題。此時，學生能夠進一步了解水循環(huán)過程。之后，教師對學生加以正確指導，對前期建立的模型進一步改進，把優(yōu)化后的模型在實際水循環(huán)中應用，從而使學生進一步強化對概念的認識。可以看出，課程設計以模型為主體，這樣學生可以從不同層面入手，全面掌握課程內容，一是整體，二是局部。所以，教師要把系統(tǒng)模型當成是學生認識、了解概念的主要工具，在教學過程中，對學生建立、改進與優(yōu)化模型提供支持與幫助。這樣，學生才能總結現(xiàn)象組分，了解它們之間的內在聯(lián)系，確保能夠正確認識學科核心概念，進一步強化記憶，同時有效應用。

四、系統(tǒng)與模型的教學啟示

跨學科概念在學生核心素養(yǎng)發(fā)展方面的作用是十分關鍵的，它是對傳統(tǒng)科學教育的突破，但仍面臨著諸多問題和挑戰(zhàn)。

（一）系統(tǒng)與模型的教學需要緊密聯(lián)系科學與工程實踐

科學與工程實踐和跨學科概念同等重要但又有明顯不同的維度。美國《新一代科學教育標準》指出，全面整合科學和工程實踐，是使學生能夠積極主動參與，正確認識世界，建立模型，了解和改造世界的主要方式；同時，在學生正確認識、了解跨學科概念時提供支持和幫助。《義務教育科學課程標準（2022年版）》指出，科學與工程實踐的核心思想可以促進對跨學科概念的理解。學生遇到任何現(xiàn)象，無論是在科學實驗室還是需要自己動手、實地考察，學習的主要宗旨都是使實際生活中發(fā)生的問題得到有效解決，并以此為依托，了解人們在具體工作中出現(xiàn)的問題，同時制訂科學的解決措施。例如，在設計開發(fā)保溫飯盒時，最主要的問題就是能源生產以及應用能源。要解決上述問題，就必須了解歸納模式，科學應用系統(tǒng)和模型，從而使自身能夠從科學視角出發(fā)，進一步了解上述現(xiàn)象，憑借科學實踐現(xiàn)象，進一步加深對系統(tǒng)與模型跨學科概念的認識。因此在教學時，需將系統(tǒng)與模型和科學與工程實踐緊密聯(lián)系起來。

（二）系統(tǒng)與模型的教學整體采用進階的方式進行

以年級進階為依托，不斷深入推進教學，是新課標的最大特點。從分析附錄4中78個學生必做探究實踐活動中可知，不同時期的科學課程，都將系統(tǒng)和模型包括在內。同時，由于學生思維方式發(fā)生變化，加之學生理解能力不斷強化，系統(tǒng)模型的進階要求和不同時期的科學教學緊密聯(lián)系在一起。為了更好地將系統(tǒng)與模型融入科學教學，可以考慮采用以單元整體教學的進階方式進行。將問題圍繞學科核心概念設計，并指向跨學科概念。在大問題的統(tǒng)攝下，以學科知識結構為支點，逐級聚合科學學科知識，同時保證學生在跨學科概念教學中保持思維連貫性，促使學生形成協(xié)同化、整體程度高的結構知識。

（三）依據(jù)教學目標考慮是否再引入其他跨學科概念

單一的跨學科概念并不一定能滿足課堂教學。在技術與工程的教學中，學生完成作品的設計和制作形成一個系統(tǒng)，在通過多個現(xiàn)象、多重事物學習和鞏固一個跨學科概念的同時，可能還會涉及另一個跨學科概念。以結構與功能為例，學生在對作品的結構與功能間的內在聯(lián)系得到全面了解后，通過對結構與功能進行抽象認識，最終超越原有結構與功能，將這些作品生成更大系統(tǒng)的實物模型。由于這種教學方式既可以復現(xiàn)科學現(xiàn)象，又可以演示科學原理，因此在教學中可依據(jù)教學目標實際，對其他跨學科概念的加入進行科學判定。但不宜設計過多，以滲透兩個為宜，并要根據(jù)學科內容對跨學科概念進行甄選。

跨學科概念屬于上位思維模式，屬于上位概念的范疇，有兩個方面的特點，一是統(tǒng)攝性，二是引領性。新課程標準指出，課程核心素養(yǎng)最主要的一個方面就是具有跨學科概念，同時，教學目標全面實現(xiàn)的基礎也是有效轉化跨學科概念。作為教師，我們應深入了解與認識系統(tǒng)和模型的本質，重視構建系統(tǒng)與模型的實踐活動，進一步深入學習研究，促成學生對科學整體性理解的形成，為新時代背景下科學教育的深入發(fā)展提供支撐。

參考文獻

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