化學教育中跨學科思維的構成及其學習活動特征

摘 要： 跨學科作為當前重要的教育教學理論，目前很多教學實踐未觸其理念本質。在教學中重視跨學科思維是落實跨學科這一理念的關鍵。闡釋跨學科思維的內涵與構成，并且通過與項目式學習的對比，總結提煉了發展跨學科思維的學習活動特征。

關鍵詞： 跨學科學習； 跨學科思維； 跨學科教學

文章編號： 1005-6629（2024）11-0003-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

跨學科是當前教育研究和課程改革實踐的熱點話題，但是在理論和實踐上都沒有給出明確的定位。從課程內容上看，包括跨學科綜合教學［1］、跨學科主題［2］、跨學科概念［3］、跨學科知識［4］；從學習活動來看，包括跨學科學習［5］、跨學科問題［6］、跨學科實踐活動［7］；從學生技能和學習目標來看，包括跨學科理解［8］、跨學科思維［9，10］和跨學科能力［11］。

從目前已經開展的跨學科教學來看，主要存在兩類問題。一是牽強地將兩個或者幾個學科放在一起，在某一學科以信息資料的方式引入其他學科知識，學科知識之間沒有建立起有意義的聯系。二是將跨學科教學與項目式教學等同起來。然而不管是從產生背景還是學習特征，跨學科教學與項目式教學都有一些差異，這一點將會在后面進行區分。

本文將跨學科定位于學生的一種技能與學習目標，從如何促進學生跨學科思維的角度實現跨學科理念在一線教學中的落實。

1 “跨學科”的本質

從對以下問題的思考定位跨學科的本質。由于跨學科的術語較多，本研究并非為了

澄清與區分這些術語，因此當側重不同方面時，使用了關于跨學科的不同術語。

第一，為什么要跨學科？立足當前基礎教育改革背景，培養學生解決問題的能力是重要的教育目標。之所以倡導跨學科，無論是日常生活中的小問題，還是國家層面發展的戰略任務，都不乏跨越多個學科的復雜問題，這些問題很難單靠一個學科來解決［12］。因此，開展跨學科教學最先考慮的就是學生即將探究或者解決的問題是學科問題還是跨學科問題。

如果一個問題屬于特定學科的問題，就沒有開展跨學科教學的必要性，否則強加上一些關聯性不大的其他學科知識，將失去學科知識本身所具有的獨特育人價值。例如，氯化鈉為什么溶于水？這屬于一個學科問題，因為化學學科的“電離”“溶解”概念都可以對這個問題進行很好的解釋，就沒有必要牽強地與其他學科知識進行聯系。再如，“84消毒液為什么能殺菌消毒？”是一個跨學科問題，因為84消毒液的成分需要用到化學學科的知識，而殺菌消毒將會用到生物學中的“細菌”和“病毒”相關結構。在當前化學教學實踐中，已有研究者開展“實驗室模擬制備84消毒液”的跨學科實驗，結果發現在培養學生跨學科問題解決能力上起到積極作用［13］。正是由于各學科不同的優勢和局限，與其他學科協助有利于突破學科局限。

第二，跨學科的關鍵是什么？換一種表達方式是：一個學科是通過什么橋梁“跨”到另一個學科上的？有研究者認為這個橋梁是“跨學科概念”，指出這些概念超出學科的界限，在說明事物、創造理論以及觀察和設計時發揮著重要的作用［14］。從學科特點視角看，每個學科都有獨特解決問題的知識、方法、預期結果、優勢或局限。學科與學科之間大部分的概念是有界限的，跨學科概念的建立并不是那么容易。由此來看，這些跨學科概念是比兩個學科的核心概念更加上位的概念，如此才能夠統攝兩個學科的概念，并架起學科之間跨越的橋梁。例如，美國《K-12科學教育框架》中包括7個跨學科概念（crosscutting concepts）：（1）模式（pattern），（2）因果關系：機制與解釋（cause and effect： mechanism and explanation），（3）系統與系統模型（systems and system models），（4）物質與能量（matter and energy），（5）結構與功能（structure and function），（6）尺度、比率和數量（scale， proportion， and quantity）、（7）穩定與變化（stability and change）。這些跨學科概念在理科各學科具有共通性。

然而，根據上述跨學科概念，發現掌握這些跨學科概念對學生來說是更高層次的學習目標。例如，“穩定與變化”是“展示了自然界一切事物的演變歷程，準確地把握穩定與變化，是研究客觀事物的基本前提和保證”。這一內涵在化學學科領域與學生要達到的變化觀念與平衡思想學科核心素養是共通的。如果在化學教學中實現跨學科，需要學生首先掌握更加上位的跨學科概念，這無疑給化學教學增加了額外的課程教學內容及學習難度。

因此，在實踐中開展跨學科教學，跨學科概念在不同學科之間搭建起橋梁是非常困難的。化學教育中如何才能實現跨學科理念？從前面的分析看出，跨學科問題是前提，而問題是思維的源泉，跨學科問題需要學生具備解決這類問題的特殊思維才可以實現，這種思維便是跨學科思維。因此，跨學科的本質可以看作是學生解決跨學科問題時需要具備的跨學科思維。

2 跨學科思維的構成

跨學科思維（interdisciplinary thinking）表現為不限制在固定學科中，注重學科之間的整合和交叉［15］。跨學科思維解決的是用另一個學科的視角來解決某個學科難以解決的問題，簡言之就是換一種視角來解決一個學科難以解決的問題。Nikitina提出跨學科思維存在三個關鍵點：克服單一學科、臨時整合及其進一步批判完善［16］。Repko（2008）提出了解決跨學科問題的四種技能，也被看作是跨學科思維的構成［17］。本研究在此基礎上構建了跨學科思維構成的示意圖，如圖1所示。

2.1 基于問題尋找其他學科知識

跨學科問題是跨學科思維的起點，解決該問題所需的知識來自多個學科。正如綜合課程所強調的，學科之間是存在聯系的，應該有意識地運用兩種或兩種以上學科的知識觀和方法論去考察和探究一個中心主題或問題［18］。然而在當前分科課程背景下，學生在面臨一個問題時，常會受到來自某一學科的限制，誤認為在化學學科中的問題只能用化學知識來解答。

例如，“84消毒液為什么能殺菌消毒？”化學教材中對這個問題的解釋是：84消毒液是一種常用的含氯消毒劑，其中含有的有效成分為次氯酸鈉（NaClO）。次氯酸鈉與空氣中的CO2反應生成氧化性更強的次氯酸（HClO），從而發揮殺菌消毒功能［19］。在實際教學中，教師發現NaClO同樣存在一定的殺菌消毒功能［20，21］。然而，僅用化學知識解釋，仍然會有一些問題無法解答。為什么HClO可以殺菌消毒？生物學科中“細菌和病毒的生理結構”的相關知識能從細菌與病毒的角度認識消毒過程，如圖2所示，化學與生物學科共同為跨學科問題“84消毒液為什么能殺菌消毒？”提供了較全面的解釋。

2.2 組織知識形成跨學科共識

跨學科共識被認為是將兩個學科知識之間建立起聯系的橋梁［22］。跨學科共識是一種臨時性的知識整合，是因為這種知識結構是為解釋跨學科問題而生成的，沒有真正消除學科間的分歧而達成共識。跨學科共識是指此時形成的聯系具有暫時性，區別于各學科內完善的知識結構［23］。

解釋“84消毒液為什么能殺菌消毒”的問題，圖3展示了生物學中細菌和病毒的生理結構［24］。HClO將病毒體內的蛋白質氧化，使其生理結構被破壞、生命活動無法正常進行，從而失活。

化學學科知識和生物學學科知識以蛋白質這個概念建立起跨學科共識，如圖4所示。從化學學科知識來看，84消毒液中的有效成分與蛋白質發生化學反應，從而實現消毒。從生物學知識來看，蛋白質是所有生物都有的、維持生命活動的物質，病毒僅由蛋白質和遺傳物質組成。

跨學科共識是臨時性的整合，是因為蛋白質在兩個學科中強調的重點是不同的，只是為了解釋跨學科問題暫時建立起的一種聯系。在化學教材中強調蛋白質是一類結構非常復雜、相對分子質量很大的有機化合物；生物學是研究生命活動和生命規律的一門科學［25］，在生物學教材中強調蛋白質是生命活動的主要承擔者。

2.3 綜合學科差異形成跨學科理解

學科之間的界限和差異首先體現在知識體系上，并進一步延伸至研究范式與價值觀念上。建立學科間的聯系能緩和學科間的差異，但也應關注各學科的獨特性及其可能帶來的價值，在整合的過程中保留各自學科的研究范式［26］。在解決一個學科的問題時，用另一個學科的知識體系和研究范式來完善，最終形成的理解為跨學科理解［27］。

仍舊以“蛋白質”為例，圖5列出了山東科學技術出版社出版的化學教科書和人民教育出版社出版的生物學教科書中有關蛋白質的相關內容［28～30］。化學學科將蛋白質作為研究對象時，會將其作為一種物質，研究其分子結構、原子組成、成鍵方式、物理與化學性質等；例如，在化學教科書“遷移·應用”欄目中，提出問題“蛋白質是病毒、細菌等的重要組成成分。醫院里常用高溫蒸煮、紫外線照射、噴灑消毒劑、在傷口處涂抹醫用酒精等方法來消毒、殺菌。這樣做的依據是什么？”［31］。而生物學則更關注“蛋白質”在不同生物體中的功能、結構與組成。在生物學教科書“與社會的聯系”欄目中提到“蛋白質變性是指蛋白質在某些物理或者化學因素作用下其特定的空間構象被破壞，從而導致其理化性質的改變和生物活性喪失的現象。經過加熱、加酸、加酒精等引起細菌和病毒的蛋白質變性，可以達到消毒、滅菌的目的”［32］。

在這個案例中，綜合學科差異就是根據生物學中有關蛋白質的結構、組成和功能進一步對84消毒液殺菌消毒進行解釋。根據圖3所示的病毒結構，包括三種蛋白質，神經氨酸酶、衣殼和血凝素。其中血凝素在多種流感病毒中都存在，它是一種柱狀蛋白質，在病毒攻擊人類的免疫系統中具有重要作用。破壞血凝素，就是破壞構成這種蛋白質的肽鍵與肽鏈，破壞它的空間結構。84消毒液殺菌消毒的原理是次氯酸（H—O—Cl）與構成血凝素的肽鍵（—CO—NH—，化學稱為酰胺鍵）之間發生氧化還原反應，使蛋白質的空間結構發生破壞，從而導致病毒失活。

根據生物學知識還能進一步完善化學學科中消毒液注意事項的解釋。化學教科書中提到“84消毒液在不同消殺任務中用量不同”的注意事項［33］。不同消殺任務中病毒細菌的數目、生理結構（種類）不同，使它們失活所需使蛋白質變性的HClO的量也要隨之調整，因此控制84消毒液的用量，少則達不到消毒效果，多則有可能對人體有害。

2.4 根據跨學科理解解決新問題

跨學科理解作為一種學習結果，意味著更廣的知識范圍、更全面的學科視角以及更能提出適宜的見解和方案［34，35］。跨學科理解能為解決問題提供新的起點，學生既有更系統的知識體系，也有突破單一學科的意義。對于各學科的教學而言，跨學科理解都有較大的教學價值。

學生借助化學知識和生物學知識理解了84消毒液殺菌消毒的原理后，形成的跨學科理解就能幫助學生解決新的跨學科問題。如在化學學科中學習“飲食中的有機化合物”一節時，了解到乙醇（CH3CH2OH）具有揮發性，能與水任意比互溶，并沒有強氧化性，但為什么75%的乙醇溶液能用于殺菌消毒呢［36］？跨學科理解能夠實現學科間知識的遷移。通過圖5的知識結構可以知道乙醇能破壞細菌和病毒體內外的蛋白質的空間結構使其變性，失去理化性質與生物活性，進而起到消毒的效果。學生通過跨學科理解還可以繼續思考，為什么是75%的乙醇溶液，而非更低濃度或者更高濃度的乙醇溶液。對這個問題的解釋還會涉及化學學科的溶液濃度、生物學中細胞滲透壓等知識。

以上案例都圍繞化學學科與生物學科進行解釋，實際上有些問題需要跨越不止兩個學科。例如以下的跨學科問題：“里約熱內盧奧運會期間一直使用HClO的泳池因誤用過氧化氫（H2O2）消毒劑產生大量藻類，如何去除泳池中的綠藻？”對這個問題的解答，需要用到有關化學學科HClO與H2O2的知識、生物學科綠藻的生理結構及生命活動、地理學科當地氣候等知識，針對這個問題達成的跨學科共識是“綠藻的生存條件”，而“蛋白質”則變成其中的一部分聯系。

以上提到的跨學科問題“84消毒液為什么能殺菌消毒？”“75%的乙醇溶液為什么能用于殺菌消毒”和“如何去除泳池中的綠藻”在各學科不會詳細解釋，但解釋這些問題實際上對于認識各學科、認識世界有著不可或缺的意義。解決“75%的乙醇溶液為什么能用于殺菌消毒”的問題為“蛋白質”為中心的跨學科理解聯系更多的學科知識；解決“如何去除泳池中的綠藻”的問題將跨學科理解發展至更大的跨學科領域中。

3 發展跨學科思維的學習活動特征

跨學科思維是跨學科學習過程中表現出的思維，并在學習過程中實現發展，把握發展跨學科思維的學習活動特征能夠更好地開展跨學科實踐活動。然而促進跨學科思維發展的學習與當前各種盛行學習模式之間又存在交叉，這種情況下教師更容易混淆［37，38］。一項對一線教師的調查顯示，當前教師存在不清楚跨學科學習與項目式學習關系的情況，這導致教師在進行設計、實施和評價時會有困難和混淆的可能［39］。為了方便表達，以下將教學中體現和發展跨學科思維的學習簡稱為跨學科學習。實際上，跨學科學習與項目式學習在發展起源、內涵等方面存在著不容忽視的區別。

跨學科學習和項目式學習都是在學科內整合了不同的學科。通過辨別發現，跨學科學習整合的內容既可以是差別較大的學科之間的知識，也可以是科學學科內部的知識，具有很大的自由程度。項目式學習起源于杜威“做中學”理念，它圍繞工程實踐的思想整合的是科學（Science）、技術（Technology）工程（Engineering）和數學（Mathematics）的內容，也被稱為STEM教育。需要說明的一點，雖然跨學科整合的學科較廣，但是化學學科里有一些數學計算，卻不能稱為跨學科學習，也不能稱為項目式學習。

除了交叉的學科有些差異外，跨學科學習和項目式學習在問題類別、學習內容等方面也存在著很大的區別。以Brassler的研究為基礎，表1將發展跨學科思維的學習（簡稱“跨學科學習”）和項目式學習進行對比［40］。

為了進一步說明發展跨學科思維的學習活動特征，以《義務教育化學課程標準（2022年版）》中的跨學科實踐活動“探究土壤酸堿性對植物生長的影響”為例說明跨學科學習和項目式學習的不同之處。“探究土壤酸堿性對植物生長的影響”涉及化學、生物、地理等學科，與土壤的檢測與改良、植物栽培存在很大的關系，兼具理論分析與工程實踐的可能，能夠開展跨學科學習或項目式學習。

“探究土壤酸堿性對植物生長的影響”為主題的跨學科學習，以跨學科問題作為引入教學的起點，通過給學生展示植物在不適宜的酸堿性土壤條件下的生長情況，提出問題：土壤酸堿性是如何影響植物生長的？與這個問題相關的學科包括：從化學學科看，如何測量土壤的酸堿性？土壤酸堿性受什么影響？從生物學科來看，影響植物生長的因素包括哪些？從地理學科來看，某個地區的地質結構對土壤有什么影響？跨學科學習側重的是學生對這些問題的分析，通過在不同學科知識之間進行聯系和搜集相關學科信息，最終對這個跨學科問題給出一個較為合理的解釋。

“探究土壤酸堿性對植物生長的影響”為主題的項目式學習，則需要問題和任務更具生活目的，如檢測家中綠植是否處于適宜的酸堿環境、制作改良盆栽酸堿度的工具等，學生可以通過查找關于土壤酸堿性的資料、了解相關檢測和改善土壤酸堿度的產品，并在此基礎上確定、實施和展示自己的方案及給出家中綠植種植的一些舉措。

跨學科學習的內容選擇更為廣泛，也可以與項目式學習進行結合。在課堂教學中，促進跨學科思維發展的學習和教學與當前課程改革所倡導的思維課堂具有高度的一致性，跨學科教學與當前教學都能進行平緩的過渡與結合。教師掌握跨學科學習的這些特征為基礎教育中大范圍落實跨學科理念提供了可行性。

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