指向“系統與模型”跨學科概念的大單元教學路徑研究

【摘 要】跨學科概念及大單元教學是科學教育發展的趨勢，二者相結合，能為學生提供更豐富的視角認知，提升學生的科學素養。文章立足2022年版科學課程標準，設計指向“系統與模型”跨學科概念的大單元教學，精選概念載體，制訂教學目標，梳理形成問題鏈，推動概念發展，并通過系列探究實踐活動助力概念形成，評價任務與學習活動相結合，幫助學生在單元學習中逐步完善和發展“系統與模型”跨學科概念的認識。

【關鍵詞】跨學科概念；系統與模型；大單元教學；科學教育

指向跨學科概念的教學在科學教育領域日益受到重視，“系統與模型”作為理解和研究復雜現象的重要認知工具，已成為《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）明確要求學生掌握的關鍵內容。然而，由于該概念的抽象性和跨學科性，教師在進行教學實踐時往往面臨諸多挑戰，如定義模糊、建構過程不清晰以及實施效果不佳等。深入剖析“系統與模型”的內涵，采用大單元教學的方法，通過設計合理的單元情境任務，有效整合學習資源，能夠促使學生在學習過程中深化對“系統與模型”這一跨學科概念的理解。

一、理論引領：認識“系統與模型”這一跨學科概念

科學領域的跨學科概念學習對提升學生的科學素養和未來終身發展能力具有重要價值。教師正確理解跨學科概念，能夠從宏觀上把控課程內容，從而開展有效教學，引導學生建構跨學科概念。

（一）跨學科概念簡要溯源與范疇界定

跨學科概念在美國于20世紀60年代開始萌芽，在1996年美國發布的《國家科學教育標準》中，其以“統一概念和過程”的形式提出，逐漸引起科學教育工作者的廣泛重視。歷經半個世紀的不斷探索和發展，直到2011年美國《K-12科學教育框架：實踐、跨學科概念、核心概念》發布，跨學科概念正式確定了其在科學教育領域中的重要地位和核心價值。［1］

順應國際教育發展，我國在深入研究國外教育理論的基礎上，結合我國的國情及教育發展水平，整合小學與初中內容，首次在課程標準層面明確提出四個跨學科概念：物質與能量、結構與功能、系統與模型、穩定與變化［2］。

（二）“系統與模型”跨學科概念解讀

《義務教育科學課程標準（2022年版）解讀》（以下簡稱《解讀》）對于“系統與模型”的基本定義為：系統是根據研究目的人為界定的，它是由關聯的物體或元件組成的有秩序整體，包含邊界、組分及組分間的相互作用；模型是對系統的理解和清晰的表達，可以是列表、簡單草圖、計算機模擬或功能原型等形式。［3］65同時，《解讀》對于學習內容給出兩個層級的要求，一是系統由多個相互作用的部分組成，具有明確的邊界；二是系統模型表達了系統內部各部分間的相互作用關系以及系統與外部作用的關系。［3］66

由“系統與模型”的基本定義及學習內容可以發現，“系統與模型”是四個跨學科概念中最抽象和最上位的，它既是重要的概念知識，也是重要的認知方法、認知工具。當學生學會用“系統與模型”的視角去揭開大自然的奧秘，他們會發現系統的各部分之間存在著相互關系，而用一定的模型表示這樣的關系，就能依此揭示系統運行的機制，并在日常的學習生活中廣泛運用這種思維工具解決現實中的問題。

二、路徑探索：指向“系統與模型”的大單元教學路徑實踐

跨學科概念與核心概念融合教學是跨學科概念教學的主要形式之一。在小學科學課堂中，挖掘跨學科概念與核心概念之間的內在聯系，深入分析單元知識結構體系，采用大單元教學的方式，從一個完整的教學主題出發，整合、重組具有關聯性的教學內容，可以有效幫助學生逐步構建跨學科概念。本文以蘇教版小學科學三年級下冊“聲音的奧秘”為例，闡述跨學科概念教學與大單元教學相融合的實踐路徑。

（一）深度解讀教材，精選跨學科概念載體

跨學科概念作為概念層級較高的大概念，內涵深刻且豐富，具有普遍廣泛的解釋力。基于學生年齡特點與認知規律，以新課標為依據，選擇結構性的教材內容作為學習載體，更有利于概念的逐層建構，進而使學生建立學科內及跨學科間的聯系。

1.依據課標解讀教材確定主題

《解讀》中提到，“物質的運動與相互作用”的學習有助于學生形成物質與能量、系統與模型的跨學科概念；“工程設計與物化”的學習有助于學生形成物質與能量、結構與功能、系統與模型、穩定與變化的跨學科概念。［3］231

“聲音的奧秘”單元主要圍繞“物質的運動與相互作用”及“工程設計與物化”核心概念展開編寫。因此，“聲音的奧秘”單元適合作為物質與能量、系統與模型跨學科概念的單元學習載體。但在新課標中，關于聲能的學習主要體現在7～9年級，小學3年級階段關于“物質與能量”的結合不夠緊密。因此，指向“系統與模型”進行單元重構更符合學生的認知發展水平。

2.梳理單元概念體系判斷關聯

模型包含多種形式，主要表現形式為物理模型，可以是草圖或者實物作品。而對于實物作品的制作流程，在科學中有明確的學習內容及其學科價值。本單元核心概念“工程設計與物化”向下可衍生出模型制作相關的具體概念（如圖1）。在概念的逐層建構下，教師可以引導學生更加直觀地認識、理解模型，使學生學會實物模型制作的基本流程及規范。因此，“系統與模型”在本單元的學習中，具有概念性知識的學習價值。

3.演繹教學活動價值確定內容

在“聲音的奧秘”單元中，“系統與模型”還能作為認知方法指導教學活動。首先，教師引領學生以系統的視角分析聲音，通過探究性建模活動，發現聽到的聲音和觀察到的現象之間的關系，洞悉現象本質，借文字、符號等表征繪制思維導圖，將思維的過程可視化、結構化，逐步形成模型。這樣的認知方法有利于學生后續對光、電、磁等現象的學習遷移。然后，學生借助表達性建模活動制作樂器模型，學會制作實物模型的基本流程，并進一步闡述、修正關于聲音的個人知識結構。最后，學生在交流展示中，運用多種模型解釋聲音產生、傳播與變化的過程及規律。

綜上分析，以“聲音的奧秘”單元作為教學載體，能夠再現原型系統的基本屬性及其關系，幫助學生在學習中形成模型意識，促進學科內、跨學科間的知識聯結。

（二）錨定概念要求，規劃教學目標

概念要求指的是本單元跨學科概念及學科概念在新課標中所對應的學業要求、內容要求、質量標準等描述。由于跨學科概念超越單一學科的特殊性，在制訂教學目標時，基于概念要求規劃目標能幫助教師明確教學方向，便于及時評價，促進學生學習的真實發生。

1.根據學業質量確定單元目標

單元目標能明確教學的素養要求，教師應參考跨學科概念在新課標中的學業要求、質量標準等描述，分析整體教學內容，著眼于學生的最近發展區，設計出符合真實教學情況的單元教學目標。新課標對3～4年級學生關于“系統與模型”的學業質量要求是使用模型或者自己設計制作模型解釋簡單的科學現象。因此，筆者結合單元學習內容，制訂了本單元的教學目標，即學生在樂器小講壇的單元活動中，能采用思維導圖、實物作品等形式闡述聲音的產生、傳播和變化等知識，并不斷修正、改進自己的模型。

2.結合教學內容分解課時目標

學生的認知能力發展是循序漸進的，單元目標需要通過每一課時的教學來實現，課時目標是單元目標的具體化和操作化。將單元目標分解為課時目標，能夠確保單元目標的逐步達成和具體落實。細化課時目標時，應以新課標中學科核心概念的素養要求為導向，從整體性出發，定位于跨學科概念的發展，結合課時教學內容細分課時目標，使學習有標可循，有據可依［4］，可操作、可評價。筆者根據新課標中3～4年級“物質的運動與相互作用”“工程設計與物化”學業要求和本單元相關的內容，結合制作樂器的綜合性學習活動，設計課時教學目標如表1所示。

（三）設計單元問題，推動概念發展

圍繞跨學科概念、學科核心概念及學生興趣點等提出單元問題，能促進學習真實發生。教師可以以單元問題為綱，具體學科概念為支撐，根據學生概念建構的需求，分解出具有一定邏輯結構的核心問題，形成問題鏈，驅動學生持續思考、深入探究，引導其逐步建構跨學科概念。

1.梳理教材內容明確單元問題

教師把握單元整體教材內容，明晰知識點之間的內在邏輯關系，才能明確單元問題。在此基礎上，創設貼合學生生活的真實情境，引發學生思考。教師通讀教材內容發現，“聲音的奧秘”單元以聲音為主題，學習聲音的產生、傳播與變化相關知識，并在最后進行小樂器的制作。因此，教師由學生熟悉的校園情境入手，整合創設“參加校園音樂節系列活動”的大情境，以學生感興趣的樂器制作活動為引，明確單元問題為：“在音樂節樂器大講壇上活動中，如何向同學介紹自制的小樂器？”

2.基于問題鏈形成概念體系

基于學生已有的知識或經驗設計問題鏈，有助于學生將分散的知識點串聯起來，形成具有邏輯性和系統性的知識網絡。單元問題較為復雜，教師將復雜的單元問題依據教學內容分解為若干具有邏輯關系的核心問題，形成完整的問題鏈條體系，有利于學生體驗各級概念的形成過程，實現概念進階，理解跨學科概念的內涵。教師首先將單元問題細分為6個子問題（如圖2），以“你在音樂會上能聽到哪些聲音？”作為單元首課，挖掘學生前概念；接著，設計問題讓學生充分理解物體振動、物質傳聲和聲音變化；最后，讓學生運用前面所學自制樂器的方法，開展工程實踐。學生由描述聲音入手，探究聲音的產生、傳播和變化，構建學科思維模型，設計樂器，搭建樂器物理模型，在展示交流中用模型進行分析，深入感悟系統、模型在真實生活的運用，逐步完善概念體系。

（四）設計探究實踐，促進概念建構

探究實踐活動能促進學生新舊知識間的交互，架設事實知識和形象思維到概念知識和抽象思維的橋梁。教師可以以課時目標為指導，以問題鏈為主軸，設計關鍵的探究實踐活動，讓學生體驗由易到難、由淺入深的概念建構過程，強化概念聯結。

1.尋找概念聯結點設計學習活動

跨學科概念層級高，其發展需要學科核心概念的支撐，跨學科概念與學科核心概念之間關系密切且相輔相成。因此，在實際教學中，教師必須尋找與跨學科概念和學科概念的聯結點，設計學生感興趣的探究實踐活動，從而促進二者產生關聯。“聲音的奧秘”單元圍繞“系統與模型”跨學科概念設計了探究性建模活動和表達性建模活動，根據聲音產生、傳播和變化的原因設計相應的學科系列實驗，組成探究性建模活動，以制作樂器的實踐活動為引，形成表達性建模活動。教師通過尋找概念聯結點并設計相應的學習活動，引導學生從淺層的知識記憶轉向深層的概念理解和應用，將零散的知識整合成一個有機的知識體系，將相關概念聯系起來，使學生掌握它們之間的內在聯系和相互作用，從而深化對跨學科概念的理解。

2.借助探究活動領悟“系統與模型”

教師圍繞單元問題設計探究實踐活動，使學生在解決問題的活動中，運用已有的知識、技能進行探索實踐，加深對科學概念的理解，并將這些概念與實際問題相聯系，促進跨學科整合的能力。以“聲音的奧秘”單元為例，學生通過探究實踐充分理解聲音的學科概念，在“系統與模型”這一認知方法的指導下，將實驗中的宏觀現象及現象背后的科學本質與如何用符號表征結合起來思考，繪制聲音概念的思維導圖，形成思維模型。在制作樂器活動中，學生搭建樂器模型，解釋樂器發聲的相應結構、關系和變化過程，理解學科概念，發展“系統與模型”跨學科概念。當再次出現“聲音”“工程”之類的真實問題時，學生便可以快速調動頭腦中的相關模型，提高解決問題的綜合能力。

（五）強化過程評價，助力概念內化

學生內化大概念需要經歷螺旋上升的過程，采用過程性評價能實時反饋學生概念認知情況，幫助教師調控教學進程，使教學更有目的性。單元教學評價的核心是檢驗學生對大概念的理解與應用情況。［5］在單元教學評價中，教師運用多樣化的評價方法，多維度搜集學生的知識內化情況，能幫助學生及時反思學習進程，并進行自我審視概念建構程度。

“系統與模型”跨學科概念在本單元的學習中主要表現為理解聲音系統概念、建立思維模型、動手制作物理模型，并嘗試應用所學知識進行分析解釋。根據以上表現制訂明確的評價標準及方式，設計與之對應的過程性評價任務，能確保評價起到檢驗學生概念內化程度的作用。對于“聲音的奧秘”單元，教師制訂了3個評價任務及對應的評價標準（見表2），將評價任務融入單元教學過程，使評價任務與學習活動相匹配，借助評價的反饋和指導作用，幫助學生深化“系統與模型”的認知方法及建模知識。

三、理性回顧：指向“系統與模型”的大單元教學審思

指向跨學科概念的大單元教學研究是順應科學教育發展趨勢的嘗試，也是基于“素養本位”新課程改革推進的實踐探索。教學實踐表明，以跨學科概念作為大概念重構大單元教學，打破了以單課時教學、單一學科概念為主的傳統教學模式，解決了學科內、跨學科間知識聯結不緊密，單元活動設計各自獨立等問題，對促進學生理解事物的科學本質，領悟跨學科概念的內涵，聯結校園知識與生活問題產生積極的影響。需要注意的是，實際教學不是一成不變的，教師應結合教學內容及學生具體情況做出適切調整，如真實情境的創設、表現性任務的設計等，以幫助學生逐步完善對“系統與模型”跨學科概念的認識，提升科學素養。

參考文獻：

［1］李瑞雪，王健. 美國科學課程中的跨學科概念：演進、實踐及啟示［J］. 外國教育研究，2021（4）：102-117.

［2］中華人民共和國教育部.義務教育科學課程標準（2022年版）［M］. 北京：北京師范大學出版社，2022.

［3］義務教育科學課程標準修訂組.義務教育科學課程標準（2022年版）解讀［M］. 北京：高等教育出版社，2022.

［4］賈妍蘭，曹澎. 主題意義引領下的初中英語單元整體教學探究：“You are supposed to shake hands.”的教學設計案例［J］.教學月刊·中學版（外語教學），2022（9）：59-63.

［5］頓繼安，何彩霞. 大概念統攝下的單元教學設計［J］. 基礎教育課程，2019（18）：6-11.

（責任編輯：羅小熒）