以科學教育跨學科概念為載體設計與開展跨學科學習

2022 年，教育部印發義務教育課程方案和課程標準（2022 年版），明確提出“推進綜合學習”，“強化學科內知識整合，統籌設計綜合課程和跨學科主題學習”。但從我國基層學校目前的實施現狀看，學科內知識整合與跨學科主題學習受主流學科考試科目和招生評價方式的限制，真正落實的相對較少；綜合課程則由于在2001 年《義務教育課程設置實驗方案》中提出了“設置綜合課程”“增設綜合實踐活動”，因此得以部分實施落地。

跨學科學習內容的選擇是跨學科學習實施的關鍵一步，但是由于教學資源不足、教學內容整合難度大、專業師資匱乏等原因，綜合實踐活動課程的實施往往呈現出“有活動、無知識”的現象，難以產生深度學習；而學科內整合學習和目前的跨學科主題學習多以某學科中的某一具體知識點為主，在深度上以其他學科內容作為問題背景呈現而缺乏思想方法的整合，存在廣度的窄化和深度的泛化的問題。

科學學科是創新素養培養的最好載體之一，也是典型的跨學科綜合學習。《義務教育科學課程標準（2022 年版）》首次增加了“系統與模型”“物質與能量”“結構與功能”“穩定與變化”4 個跨學科概念，如何理解這4 個跨學科概念？如何在小學、初中乃至高中的不同學段以跨學科概念統領科學教育，開展跨學科學習？帶著這些問題，筆者從實踐研究的出發點進行了文獻調研并基于工作實踐提出了一些想法和建議。

基礎教育領域跨學科研究現狀

在中國知網上以“跨學科”為關鍵詞進行檢索，聚焦“中等教育”，可以檢索到723 篇文獻，分析發現，其研究熱度與國家高中新課程方案的發布有非常緊密的聯系，2020年之后發表的文獻呈現了突飛猛進的增長趨勢，2020—2022 年發表的文獻高達375 篇。

在文獻內容分析上，除了對于跨學科理論研究外，更多是從實踐層面對于跨學科教學的實踐研究。比如在中等教育領域，被引次數超過50 次的共有4 篇論文，其中2 篇是綜合性研究論文，包括《基于中小學課程整合的創客式教學模式構建》和《我國STEM 教育生態系統與發展路徑研究——基于美國開展STEM 教育經驗的啟示》，另外2篇則分別是從跨學科角度對于高中地理和高中英語的教學資源整合案例和教材分析。

根據郭華[1] 對跨學科學習分類的概述，跨學科主題學習可以分為兩個維度，一個是根據知識在跨學科主題學習中的地位劃分，大致分為“運用知識以解決復雜問題”和“利用跨學科主題學習知識”兩類；第二個維度是根據實踐操作的主導學科劃分，可分為“單學科主導的跨學科主題學習”與“多學科主導的跨學科主題學習”兩種類型。

借鑒上述分類思路，筆者對目前已經發表的研究文獻進行分析，可以發現，大部分已經發表的中等教育領域的跨學科應用案例仍是以單學科如地理、生物、英語等學科主導的跨學科主題學習，也有少部分案例涉及到多學科主導的跨學科主題學習，集中在綜合實踐活動、地方或校本課程等學校自主性強、靈活度較高的領域，以及STEM 課程、項目式學習、創客教育等新型教育理念和方式的應用與實踐上。

可以看出2022 年版科學課程標準對于跨學科主題學習的側重均在于“運用知識以解決復雜問題”和“單學科主導的跨學科主題學習”，因此已發表文獻中以這兩個方面的案例為主亦不足為奇，這也是核心素養導向的教育改革的要求和目前分科教學現實情況下的必然結果。

科學教育中跨學科概念的研究和實踐現狀

在以“跨學科”為關鍵詞進行檢索的基礎上，筆者進一步對科學課程的4 個跨學科概念的研究現狀進行了文獻調研。以“科學”和“跨學科概念”組合進行相對精確的檢索，可以檢索到211 篇文獻。對文獻內容[2-4] 分析發現，以理論研究為主，包括如何進行跨學科概念課程設計，以及從不同角度對科學跨學科概念進行分析、解讀和國際比較研究等。畢竟跨學科概念是個新生事物，基層教師對其尚處于理解、吸收階段，應用于教學實踐尚待時日。

也有部分研究者和實踐者開始進一步探討4 個跨學科概念的內涵和應用，而對于“物質與能量”和“結構與功能”的實踐案例最多，“系統與模型”和“穩定與變化”則相對較少。比如多位研究者對于生命科學領域基于“物質與能量”“結構與功能”概念形成的教學過程和案例進行了研究實踐，還有研究者對“穩定與變化”在物理學科中跨年級、多層次問題中的應用[5] 進行了闡述。

盡管新版科學課程標準和相關專家對于4 個跨學科概念的內涵進行了解讀和闡釋，也對于跨學科實踐給出了成熟的參考案例，但是從教師到學生依然習慣于基于各學科知識理解和應用學科基本概念，對跨學科概念融入教學中的研究仍處于初步探索階段，缺乏系統且行之有效的教學策略，有關跨學科概念教學的具體案例示范及研究仍有待完善。

基于跨學科概念開展科學教育的思考與建議

美國《K—12 科學教育框架》[6] 提到，我們往往認為學生會在沒有明確指導的情況下自己把這些跨學科概念建構起來。但是實際上對于學生來說，如果不是高頻次、經常性地接觸特定問題，他們很難把各個不同學科和學段的問題聯系起來，自發形成跨學科概念。這就需要在不同學段的教學中根據學生學業水平的不同，設置基于真實情境的綜合任務，讓學生反復應用并最終固化跨學科概念，使之能夠在未來真正應用到實際問題的解決中。

基于上述思考與工作實踐，筆者對于通過微課題研究發展學生科學領域的跨學科概念提出幾點建議。

科技微課題研究是非常適合發展學生跨學科概念的載體

目前我國大部分地區僅在小學階段開設科學課程，進入初中階段即以分科教學的形式進行科學內容教學，這固然能夠讓學生對各學科有更加深刻的認識，卻使得學生對于小學階段剛剛形成的跨學科概念的理解開始分裂，容易限制在某個學科范圍內。在目前分科教學依然是大趨勢的背景下，基于跨學科概念設計并開展科技微課題研究，是發展學生跨學科概念的良好載體。因為科技微課題研究不僅是某學科知識的學習，更主要是以真實任務的形式展開，要求學生綜合運用各學科知識解決一個真正的問題，是真正的跨學科實踐。同時在具體的實施方式上，也可以與綜合實踐活動、勞動教育等統籌安排，易于在中學落地實施。

發展學生跨學科概念的科技微課題研究的主題內容需要甄選

為了讓學生加深對前沿科技與生活實際的聯系，可以選擇關乎國計民生的重大科技成果，結合社會性科學議題設計微課題研究主題，并在活動目標中提煉出其中蘊含的科學概念，發展科學概念。在具體課題任務設計上，不能是簡單的科普知識，也不能限定于某具體學科的單一實驗操作，要盡量圍繞跨學科的真實情境設計系列活動或任務，引導學生逐步利用所學知識解決、完成。

發展學生跨學科概念的科技微課題研究的實施過程需要系統設計

針對科學課程的4 個跨學科概念，不同學段學生的理解能力是不同的，要根據學生的不同身心特點和知識基礎設計不同層次的任務。對于小學階段的學生，跨學科概念要能夠引導學生認識、解釋常見的生活現象，激發學生對科學的好奇心和興趣，比如觀察動植物在四季的生長變化，體會“穩定與變化”的相對性等。對于初中階段的學生，具備了一定的科學知識后，要設計相對復雜的任務使之進一步理解并嘗試應用跨學科概念，比如搭建火星基地的活動，引導學生在實際考慮火星溫度、地勢、氣候等特點選材制作火星基地模型的過程中發展“系統與模型”“穩定與變化”等跨學科概念。而到了高中階段，則可以設計更加真實的綜合任務讓學生嘗試運用跨學科概念解決真實問題，如“FAST 射電望遠鏡的設計與模型制作”等，以真正的中國當代科學大工程為模型，引導學生從“系統與模型的關系：模型能更清晰地反映系統的特征”這一角度實際計算、設計與制作模型；還可以通過納米材料結構模型的制作活動，讓學生了解納米物質這種先進材料系統的典型特征等。

結語

雖然目前國家僅出臺了義務教育階段科學課程標準并明確提出了跨學科概念，但其實高中科學類課程如物理、化學、生物、地理課程中也包含了大量與“系統與模型”“物質與能量”“結構與功能”“穩定與變化”跨學科概念相關的核心概念。因此，合理設計科技微課題研究項目，制訂不同學段的跨學科概念培養目標，有利于學生融會貫通掌握科學思維與科學方法，并進一步培養學生在遇到真實問題時能夠充分調用所學所有知識解決實際問題的能力。

參考文獻

[1] 郭華，袁媛．跨學科主題學習的基本類型及實施要點[J]．中小學管理，2023（05）：10-13．

[2] 呂立杰．大概念課程設計的內涵與實施[J]．教育研究，2020，41（10）：53-61．

[3] 高瀟怡，孫慧芳．當前國際科學課程標準中的跨學科概念探析——以美國、澳大利亞、加拿大、新加坡為例[J]．教育學報，2019，15（06）：25-33．

[4] 高云峰．科學教育中的跨學科概念[J]．湖北教育（科學課），2022（07-10）：5-9．

[5] 湯晨毅．物理教學中的跨學科概念——以穩定與變化為例[J]．物理教學，2018，40（10）：12-13+48．

[6] National Research Council. A Frame work for K-12 Science Education： Practices， Crosscutting Concepts， and Core Ideas[M]，Washington， D.C.： The National Academies Press， 2011.

（本文為北京市教育科學“十四五”規劃2023 年度一般課題“核心素養導向的科學盒子綜合學習活動的設計與實施”（3097-0051）的階段性成果）