跨學科概念視角下初中科學分科教材內容構建研究

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

在知識爆炸式增長和綜合人才需求增加的背景下，新課改遵循“少而精”原則，強調大概念對課程內容和教材編排的統領作用。跨學科概念作為大概念系統的一部分，既具有重要認知價值，又從跨學科視角統攝課程內容并為教材組織提供新線索。《義務教育科學課程標準（2022年版）》（后簡稱“科學新課標\"）提出4大跨學科概念一物質與能量、結構與功能、系統與模型、穩定與變化，并要求通過學科核心概念的學習理解跨學科概念[1]。分科課程體系下，推動跨學科概念理解并發揮其認知價值，需要科學分科教材體現跨學科概念的相關內容，以提供學習資源與建構基石，同時教材的組織邏輯將直接影響其認知和理解。可見，關注跨學科概念視角下的教材內容與組織有重要意義。

目前，科學分科教材大多關注學科視角的大概念統領，跨學科教材研究也多為跨學科內容的橫向比較和外國教材的跨學科概念融人分析。跨學科概念如何融入我國科學分科教材？在教材中如何展開？這些問題仍待解答。本研究以跨學科概念“穩定與變化”為例，深入闡釋其基本內涵及學科關聯，并從微觀角度分析科學分科教材中“穩定與變化”的相關內容及構建模式，為分科教材落實跨學科概念提出編寫建議。

1科學跨學科概念的內涵及認知價值

1.1科學跨學科概念的內涵

跨學科概念指跨越學科界限在所有領域反復出現和運用的主要概念[2]。若將范圍限定于科學領域，聯結、融通不同科學領域學科核心概念生成的共通概念，即為科學跨學科概念。科學新課標在物質科學、生命科學、地球與宇宙科學、技術與工程四個領域，規定了13個學科核心概念作為課程核心內容，其中蘊含著科學學科共同關注的關鍵概念，基于聯系各學科領域、體現共同思維方式等原則，新課標凝練了四大科學跨學科概念作為學科核心概念的上位概念[3]，如圖1所示。科學跨學科概念共同指向科學研究對象的構成與運作，它們既相對獨立，又相互支撐，聯結形成了科學領域通用、整體的框架，幫助融合不同科學學科的視角完整地認識自然界。

1.2科學跨學科概念的認知價值

科學跨學科概念是蘊含科學本質的高階概念。一方面，科學跨學科概念可以作為聯結科學各學科的支點，

實體與抽象物質科學 生命科學 地球與學宙 技術與工程 系統與模型物質的結構與性質 物質的變化與化學反應 物質的運動與相互作用 能的轉化與能量守恒 生命系統的構成層次 生物體的穩態與調節 生物與環境的相互關系 生命的延續與進化 宇宙中的地球 地球系統 技術工程與環境 工程設計與物化 成成分 基本廚成內部組分相互作用影響 決定穩定與變化 結構與功能相對概念 影響 屬性 體現物質與能量并列概念相互依存人類活動與環境

從概念、原理與思想方法等方面建立起知識本體與思維方式的跨學科聯系。通過學習各領域學科核心概念，可以凝練跨學科概念，并以其為統領發展科學的完整認識，構建跨學科框架。另一方面，科學跨學科概念可以提供共通性框架或思維工具，為學習新知識減輕障礙，助力知識與概念的同化、順應或遷移4；同時，從科學跨學科概念的視角思考，可以促進學科知識的深層理解，從而發展學科核心概念。

科學新課標頒布后，科學跨學科概念成為綜合科學和分科科學的重要目標，促進跨學科概念與學科核心概念的相互作用和協同發展將成為培養學生綜合能力和核心素養的重要手段。

2“穩定與變化”內涵解析與學科關聯

2.1“穩定與變化”的內涵解析

物質世界不斷變化，穩定與變化是系統兩種相對的狀態。變化指系統的某些方面在觀察尺度上隨時間變化出現了新狀態；穩定指在觀察尺度上保持不變，是多因素作用下的相對平衡[5]。美國《新一代科學課程標準》（簡稱NGSS）總結了“穩定與變化”的8個子概念[；胡衛平在“義務教育科學課程標準（2022年版）解讀”中指出“穩定與變化”的3個學習內容：穩定是變化的動態平衡，系統的穩定需要一定條件，反饋是控制系統穩定與變化的機制[。本研究梳理“穩定與變化”的基本內涵包括其形式、條件、尺度和機制，見表1。

2.2“穩定與變化”的學科關聯

跨學科概念“穩定與變化”既有科學領域的基本內涵，又在各學科中細化而呈現出學科視角下的獨特內涵。關注其學科層面的內涵表達與關聯，有助于確定分科教材中“穩定與變化”的相關內容和范圍。以科學新課標和義務教育物理、化學、生物、地理課標（2022年版）為對象，比較課標中學科核心概念的具體要求和“穩定與變化\"基本內涵（A形式、B條件、C尺度、D機制），分析“穩定與變化”和科學學科核心概念的關聯情況。

科學新課標雖未對“穩定與變化”做出明確要求，但它指出一些學科核心概念的學習有助于形成跨學科概念，并明確了其內容要求與學業要求。例如，物質科學中“物質的變化與化學反應”要求在學習后達成：理解物質不斷變化的本質（“穩定與變化”的形式），認識反應需要一定條件（“穩定與變化”的條件），從宏微觀、定性定量的角度解釋物質的變化（尺度與機制）；生命科學中“生物體的穩態與調節\"要求：了解生物體進行物質循環和能量流動的過程（形式），認識生命系統通過自我調節維持穩態（機制）；地球與宇宙科學中“宇宙中的地球”要求：認識地球、月球、太陽間的相對運動（形式與尺度），解釋天體運動與晝夜交替、四季變化等周期性自然現象的關系（形式與機制）。可見，“穩定與變化”的基本內涵在不同學科領域中具體化，在學科核心概念的要求中得以體現。

科學分科課程標準中，學科核心概念統領的學習主題和科學課標的學科核心概念相對應，體現“穩定與變化”的內涵。化學課標中“物質的變化與轉化”隸屬于科學學科核心概念“物質的變化與化學反應”，二者的內容要求與學業要求具有一致性；生物課標中“植物的生活”“人體生理與健康”介紹了植物或人體內的物質與能量變化，和科學課標“生物體的穩態與調節”存在內容交集。這些學科核心概念都蘊含著“穩定與變化”的基本內涵，可以成為跨學科概念學習的依托。根據內涵對應情況，總結“穩定與變化”和科學學科核心概念的關聯如表2所示。

3科學分科教材中\"穩定與變化”的內容構建分析

本研究選擇人教版七年級生物和地理、八年級物理、九年級化學教材（2024版）為研究對象，依據以下基本程序分析科學分科教材中“穩定與變化”相關內容的構建模式：（1）選定分析內容，確定知識展開范圍。根據表2中“穩定與變化”和學科核心概念的關聯情況，確定分科教材中和“穩定與變化”相關的具體知識，并聚焦其展開過程。（2）分析知識展開過程，確定內涵層級。依據“穩定與變化”基本內涵和學科關聯，從微觀角度分析相關知識的展開過程，確定教材內容體現的內涵層級（具體知識、學科核心概念、跨學科概念）。（3）歸類內容構建模式。聚焦知識展開過程中“穩定與變化”和相關學科核心概念的關系與相互作用，歸納分科教材中“穩定與變化”的內容構建模式。基于教材分析，發現科學分科教材中跨學科概念“穩定與變化”的內容構建可以歸納出如下四大模式。

3.1科學學科教材中\"穩定與變化\"的構建模式

3.1.1模式I——自上而下：跨學科概念助力學科核心概念發展

模式I發揮了抽象上位的跨學科概念對下位知識的關聯和促進作用，如圖2所示，教材將跨學科概念作為先行組織者或引子，從抽象概念中引出具體知識，并利用跨學科概念“穩定與變化”的基本內涵幫助理解新知識，發展相關學科核心概念。以化學九年級上冊“物理變化和化學變化”為例，章引言指出“大到天體，小到微觀粒子各種物質間存在著多種相互作用，也不斷發生著變化”，從跨學科概念視角體現了“穩定與變化”中事物不斷變化的內涵。節引言利用問題串將“物質世界不斷變化”進一步聚焦于身邊的物質變化及其特點、本質，最后教材正文以化學實驗為支撐展開“物理變化和化學變化”的學習。通過“變化”這一跨學科概念要素，新知識“物理變化和化學變化”更容易被接受，學科核心概念“物質的變化與轉化”的認識也得以發展一物質變化分為物理變化和化學變化，其本質區別為有無新物質生成。

知識引人 知識闡述跨學科概念 具體知識 學科核心概念（先行組織者/引子） （問題/實例聚焦） （具體知識體現其內容及要求）

3.1.2 模式Ⅱ——跨學科整合不足：學科核心概念獨立發展

模式Ⅱ表現為教材基于具體知識，逐漸發展對學科核心概念的理解并構建學科內的知識體系，該過程中正文和探究/實驗活動、圖解、欄目等呈現方式充分結合，以便更好地理解和構建學科核心概念。例如：物理八年級下冊“牛頓第一定律”中，教材結合實驗“阻力對物體運動的影響”概括牛頓第一定律，揭示力與機械運動的本質關系，發展學科核心概念“運動和相互作用”。生物七年級下冊第三單元“植物的生活”，在學習植物生長過程、光合作用、呼吸作用等具體內容后，單元小結利用概念圖從“被子植物的生命周期”和“植物體內的生理過程”兩部分統整學科核心概念“植物的生活”，體現了植物生命過程中的一系列變化。可見，分科教材關注學科核心概念的發展，期望獲得具體知識之上更凝練的核心概念，以促進概念構建與知識結構化。然而，該模式沒有將“穩定與變化”的學科釋義進一步升華為跨學科領域的一般內涵，造成知識展開過程中跨學科概念視角的整合不足。這是分科課程背景下科學分科教材最主要的內容構建模式，也反映了教材中跨學科概念視角未得到充分重視和有效落實的現實問題。

3.1.3模式Ⅲ——自下而上：學科核心概念促進跨學科概念理解

模式Ⅱ強調下位具體知識不斷抽象、凝練與發展形成上位概念或一般理解的過程，如圖3所示，分科教材中豐富的學科內容和學科核心概念體現“穩定與變化”學科層面的內涵，通過學科核心概念的學習，“穩定與變化\"學科層面的釋義和理解從具體到抽象、從特殊到一般進一步綜合至科學普遍領域，從而發展對跨學科概念的理解。例如：化學九年級下冊“化學與可持續發展”在已有知識“自然資源利用”（空氣、水、化石燃料等）的基礎上，歸納：社會的可持續發展要以自然資源的合理開發和利用為基礎；發展要充分考慮資源供給與環境承載力。在學科核心概念“物質的變化與轉化”和“化學與可持續發展”之上，教材強調環境穩定和可持續發展需要一定條件、人類的不合理活動影響環境穩定，體現了“穩定與變化”的條件和機制兩個基本內涵，進一步深化了對“穩定與變化”的理解。體現該模式的還有物理八年級上冊“參照物”的內容，教材通過“判斷物體的運動和靜止需要選取參照物”，進一步歸納出“物體的運動和靜止是相對的”，這在一定程度上體現了“穩定與變化”的內涵：不同觀察尺度下穩定與變化是相對的。

知識闡述 概念抽象/升華具體知識amp;學科核心概念 跨學科概念（學科層面體現“穩定與變化” （科學領域的一般釋義）的具體內容）

學科核心概念可以促進跨學科概念的理解，體現對科學問題和科學現象更深刻的認識。然而，受分科課程限制，模式Ⅲ在教材中體現較少，這也說明：當前教材的內容組織與呈現中，學科核心概念促進跨學科概念發展的過程普遍缺失。

3.1.4模式IV——關聯發展：不同學科的學科核心概念交織作用

除了跨學科概念和學科核心概念在學科內部的相互作用以外，分科教材也體現出學科核心概念在學科間的關聯發展。模式V（見圖4）表現為教材使用其他學科的內容或概念為輔助，體現學科核心概念間的跨學科聯系，不同學科的知識或概念被統整到共同情境中，以便更好地理解本學科核心概念，或推動跨學科概念的發展。以化學九年級上冊“二氧化碳對生活和環境的影響”為例，教材聯合“物質的變化與轉化”“化學與可持續發展”和生物學科核心概念“生物與環境”，介紹了溫室效應和碳循環等學科交織的內容，以碳循環中二氧化碳含量的相對穩定和其不斷升高加劇溫室效應等內容，體現“穩定與變化”的條件和機制。此外教材還在相應跨學科實踐活動里突出碳循環中二氧化碳的物質轉化關系，發展本學科核心概念“物質的變化與轉化”的認識。

知識闡述 理解與發展 概念抽象/升華具體知識 學科核心概念 跨學科概念（學科課程主體） “穩定與變化” （科學領域的一學科體現） 般釋義）其他學科知識/學科核心概念（輔助或拓展理解的素材）

不同學科核心概念關聯發展的模式，源于跨學科概念“穩定與變化”對所有科學學科的聯結作用，以跨學科概念為統領、交織不同學科內容發展對科學的完整認識，發揮了跨學科概念寶貴的認知作用。在當前分科教材中，該模式大多存在于跨學科性較強的主題，如：二氧化碳和溫室效應、水資源、能源等“人類活動與環境”主題，見表3。

3.2教材內容構建分析小結

科學分科教材中存在大量和“穩定與變化”相關的學科內容與學科核心概念，使跨學科概念的發展成為可能。而學科核心概念和跨學科概念的相互作用與多樣關系，使得分科教材中存在多樣化的內容構建模式。“穩定與變化”的四大構建模式可整合如圖5所示，它們體現了具體事實之上的學科核心概念和跨學科概念的相互作用，共同構成了分科教材中較為完整的跨學科概念發展模型。

4科學分科教材落實跨學科概念的問題及編寫建議

基于構建模式分析和跨學科概念發展模型，進一步反思分科教材中跨學科概念的融人情況并嘗試提出分科教材落實跨學科概念的有效建議。

4.1從“學科獨立模式”走向\"跨學科概念視角 的融人與顯化”

雖然當前分科教材中存在多種跨學科概念內容構建模式，但學科核心概念獨立發展的模式Ⅱ仍是最主要的構建模式，跨學科概念整合不足導致大多數學科知識的展開過程忽視了跨學科概念的獨特認知價值。因此，科學分科教材應積極融人和顯化跨學科概念。一方面，教材應結合知識特點運用合適的構建模式。化學學科“物質的變化與轉化”包含豐富的具體事實，自上而下模式可以由變化的基本內涵出發指導具體知識學習，如：從“系統的穩定與變化可以建立相應機制”到“化學反應遵循質量守恒定律”；自下而上模式可以進一步發展對“穩定與變化”的理解；兩種構建模式的結合則形成了“鏈接演繹-習得-歸納整合”的完整過程。另一方面，挖掘并顯化跨學科概念內容。教材應加強學科內容的跨學科概念鏈接，適當融人跨學科概念介紹，以便清晰呈現學科聯系和獲得一般理解。

4.2從“跨學科概念結構化缺失”走向\"概念框 架的構建”

受分科課程限制，自下而上構建跨學科概念的模式Ⅱ在分科教材中很少體現，不同學科關聯發展的模式V也大部分存在于跨學科性較強的特定主題。教材中由學科核心概念凝練/抽象形成跨學科概念的過程較為欠缺，跨學科概念的理解較為分散，跨學科概念未得到系統發展而呈現結構化缺失的問題。

跨學科概念在縱向上可以體現概念的深入與發展，在橫向上可以連接不同學科的內容。科學分科教材應提供方便凝練和結構化跨學科概念的資源，將孤立的概念構建為體現科學本質的概念框架。例如：利用概念圖在連接事實知識、次級概念、學科核心概念的基礎之上，進一步凝練和抽象形成跨學科概念。同時，跨學科概念的發展是長期的，教材應適時聯系相關的先前知識，引導跨學科概念框架的不斷發展與完善。

4.3從“跨學科概念引而不深”走向“概念理解 的遷移運用”

跨學科概念具有比學科核心概念更廣域的解釋功能，以跨學科概念作為先行組織者能夠有效連接學生已有基礎并幫助理解新知識。然而當前分科教材中，自上而下的模式I僅把跨學科概念作為引子，跨學科概念對學科核心概念理解的推動與遷移過程在教材中未得到體現，認知價值未能充分發揮。

突出跨學科概念對學科內容的統領作用，有助于發揮其對學科理解的促進作用。國外科學教材已經出現以跨學科概念為線索實現跨單元跨學科整合的組織方式，這提供了科學內容組織的新思路[9]。同時，教材應利用已有的跨學科概念理解框架，提示知識學習的跨學科視角，以便獲得深入理解。例如：化學教材可以基于其他學科學習形成的跨學科理解“變化的發生與穩定的維持都需要一定條件”，深入理解“化學反應需要一定條件”“溶解與結晶”等內容。

參考文獻：

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