编译：严传鑫 东南大学脑与学习科学系，儿童发展教育研究所
研究生导师：柏毅 夏小俊
作者：Jeffrey Carl Nordine，Okhee Lee
【摘要】：跨学科概念（crosscutting concepts）是一组涵盖科学和工程学科的概念，近十年来开始呼吁将其明确纳入科学和工程教育。起初，关于跨学科概念的教学和学习研究有限，但后来的研究澄清了跨学科概念在支持科学和工程学习中的作用。本文列举了一个小学级别示范性的课程单元，展示了如何运用跨学科概念进行教学。研究和发展工作表明：（1）跨学科概念为学生提供了不同的观察现象的途径，（2）跨学科概念是拓宽科学和工程学科学习渠道的有力工具，（3）从教育从业者的创新在建立更为坚实的跨学科概念在科学和工程教育中强化作用的研究基础方面具有重要作用。
【关键词】：跨学科概念、下一代科学标准、三维科学学习、课程开发
一、引言
“跨学科概念”在科学教育中相对较新，起源于十年前出版的美国K-12科学教育框架。这一出版物为美国下一代科学标准（NGSS）提供了基础愿景文件，规定了K-12年级范围内学生在科学和工程领域应该了解和能够掌握的知识和技能。在该框架中，“跨学科概念”指的是在所有科学和工程学科中都使用的七个特定的“概念”，它们包括：
1、模式
2、因果关系：机制和解释
3、规模、比例和数量
4、系统和系统模型
5、能量和物质：流动、循环和保持
6、结构与功能
7、稳定性和变化
这个框架强调跨学科概念应该与科学和工程学习的另外两个维度一起学习和使用：科学和工程实践（SEPs）以及学科核心概念（DCIs）。框架的作者写道，将跨学科概念明确纳入科学和工程教育将“帮助为学生提供一个组织框架，将来自各个学科的知识连接成一个连贯的、科学基础的世界观”。不过，框架的作者也承认“关于跨学科概念的学习和教学的研究基础有限”。这一承认意味着科学教育研究主要集中在框架的另外两个维度的学习和教学上：科学和工程实践如模型的开发和使用，从证据出发进行论证）和学科核心概念（如物质及其相互作用，地球和人类活动）。因此，尽管跨学科概念对于进行和学习科学和工程至关重要，但对于学生如何随着时间构建对跨学科概念的理解，以及如何获得使用跨学科概念来解释现象和解决问题的能力，了解得相对较少。
自框架出版以来，研究人员已经探索了关于跨学科概念如何支持科学和工程学习的理论和概念框架，从业者也已经开发出有望的教育方法，利用跨学科概念来增强科学和工程学习。在这篇文章中，我们借助十年的经验和额外的研究成果，来（1）澄清跨学科概念在支持科学和工程学习中的作用，以及（2）举例说明跨学科概念如何加强科学和工程的教学和学习。
二、跨学科概念在支持科学和工程学习中的作用
在早期有关跨学科概念研究中，Rivet等人回顾了NGSS和相关文件，识别出了四种隐喻视角，解释跨学科概念在科学和工程教育中的作用：(1)透镜(2)桥梁(3)工具和(4)游戏规则。透镜的比喻描述跨学科概念是观察现象和问题的方式，不同的透镜可以强调现象和问题的不同特征，而这些不同的观察方式可以加深理解。桥梁的将跨学科概念比喻为描述为学生跨越不同现象和问题的支持，有可能支持在各种现象和问题中识别出类似的潜在特征。工具的比喻指的是学生如何利用他们对跨学科概念的现有理解来建立关于现象和问题的新的、更复杂的解释和想法。最后，"游戏规则"的比喻描述跨学科概念如何确定了科学和工程社区中的共同语言和实践。"
为了明确跨学科概念应如何有意识地融入教学，需要明确跨学科概念在支持科学和工程学习中的角色。有一定程度的共识正在形成，关于跨学科概念在科学学习中的价值，这一点可以从Rivet等人的比喻视角和Fick以及Arias的文献综述主题之间的重叠来证实。首先，最明显的重叠在于跨学科概念在跨学科间建立联系的作用，这在两个列表中都有体现。其次，Fick和Arias指出跨学科概念在与学科核心概念（主题3）和科学和工程实践（主题4）的联系中的作用，与工具的比喻相符。跨学科概念被视为一种概念工具，支持使用学科核心概念和科学和工程实践来理解现象和解决问题，这与科学和工程的三维学习的含义强烈相符。第三，在学生的知识基金主题（主题1）和透镜比喻之间存在重叠。这里的重点是学生在面对陌生的问题或现象时使用他们已有的想法。这些已有的想法可能来自学生在学校或校外的经验，但重要的特点是跨学科概念为学生提供了有意义地参与新情境的多种切入点。
三、小学科学教育中的跨学科概念的应用
科学与综合语言（SAIL）是一个为期一年的五年级课程，与NGSS相一致，旨在促进所有学生的科学和语言学习，重点关注多语言学习者。SAIL课程包括四个单元：
第1单元：我们的垃圾会发生什么？（物理科学）
第2单元：为什么虎螫鲵消失了？（生命科学）
第3单元：我喝自来水和瓶装水有什么关系？（地球科学与工程嵌入）
第4单元：流星为什么会坠落？（空间科学）
我们提供了第一单元中的一个示例，五年级教师充分利用学生日常经验中的跨学科概念。学年的第一天，五年级学生走进他们的教室，立刻看到了一些不寻常的东西：学校餐厅的垃圾堆放在沥青布上。教师将班级分成了四到五名学生的小组，每个小组的英语水平不同，并将每个小组分配到一堆午餐垃圾。在准备垃圾材料时，教师确保没有危险材料。
学生戴上手套和护目镜，使用夹子移动垃圾材料，对垃圾材料进行了观察。教师指导学生将他们的垃圾堆分成不同的组或类别。在与每个小组一起工作时，教师会提出深入的问题，询问每个分类中的相似之处和不同之处，并在学生继续思考分类时提供反馈。小组根据材料的外观或被丢弃之前的用途对垃圾材料进行分类。例如，一个小组按颜色和质地对材料进行分类，而另一个小组将材料分为三类：餐具、碗和食物，意识到不同的材料在被丢弃之前有不同的用途。教师倾听了小组对其垃圾分类的理由，寻找学生是否使用了跨学科概念。在倾听的过程中，教师认识到学生已经通过识别垃圾材料中的相似之处和不同之处来使用跨学科概念。
在与每个小组讨论垃圾材料的相似之处和不同之处后，教师将全班学生聚集在一起，讨论他们的观察结果。每个小组分享了他们对学校午餐垃圾的分类。在这次讨论中，教师通过告诉班级科学家如何寻找和发现他们的观察中的相似和不同的模式，从而明确了学生对跨学科概念的使用。这些模式可以帮助科学家提出新问题或找到新的数据组织方式。在课程结束时，教师表扬学生像科学家一样使用跨学科概念来对垃圾材料进行分类。他还建议班级在未来调查其他现象时牢记模式的概念。作业中，学生要在家庭垃圾材料中识别相似和不同的跨学科概念。在这里，学生能够更有意识地使用他们对模式的直观理解来理解这一现象。
在这个课堂示例中，教师充分利用学生日常经验中的跨学科概念作为一种资源，帮助他们开始理解垃圾的现象。教师倾听了小组决定分类（例如颜色、质地）的方式，学生能够根据他们的日常经验使用模式的直观观念。在为学生提供基于日常经验的模式使用机会后，教师使学生对跨学科概念的使用和目的有了更明显的认识。教师将学生对跨学科概念的直观使用与科学家的工作联系起来，并鼓励所有学生从学年的一开始就把自己看作科学家。
这个课堂示例来自物理科学单元的第一天教学。通过以学生对跨学科概念的直观观念开始单元，并使学生对跨学科概念的使用显而易见，教师在学年初期为将来教学单元中（例如空间科学）利用跨学科概念来理解现象奠定了基础。
最后，教师通过具体的探讨引导学生更有意识地使用跨学科概念。第一个探讨（“你们的小组是如何决定哪些材料放在一起的？”）是一个开放性问题，旨在引出学生如何直观使用跨学科概念。第二和第三个探讨（“这个类别中的材料有什么相似之处？”和“每个类别中的材料有什么不同之处？”）鼓励学生识别他们的观察中的相似之处和不同之处，这是五年级跨学科概念的一个重要元素。最后，第四个探讨（“如果你得到了新的材料，你将如何知道它属于哪个类别？”）提出了一个假设的情境，以促使学生更有根据地使用跨学科概念。通过按照这个探讨序列，教师能够将学生从更直观的跨学科概念使用过渡到更有意识的跨学科概念使用。
教师将跨学科概念作为资源的观点对于那些能够利用他们所有的意义创造资源来理解这一现象的多语言学习者特别有益。在这个示例中，在开始教学之前，有机会结合手势（例如，指着特定的垃圾材料并说：“把那个放这儿！”）使用日常语言，然后逐渐过渡到NGSS性能期望的更专门化语言（“通过可观察性质中的模式区分材料”）使学生能够从一开始就有意义地参与。这种跨学科概念资源的观点不同于传统方法，传统方法通常在学生经历并发展了对科学概念的理解之前就引入专门化语言（例如模式）。在教学中，教师接受了这样一个观点，即语言是“做”科学的产物，而不是其先导，通过认识到学生的日常语言与跨学科概念之间的关系，为科学学习提供了一个切入点。
所有学生都带着来自他们家庭和社区的经验来到学校，这些经验可以作为资源用来理解现实世界和科学课堂中的现象。这种将跨学科概念作为资源的观点促进了学生的参与和包容，使他们能够将自己看作科学家。
四、结论
总的来说，跨学科概念在科学教育中发挥着重要作用，通过为学生提供一组概念工具，帮助他们理解现象和解决问题。跨学科概念的力量在于它们可以强化学生对现象和问题的理解，而不仅仅是用于跨学科连接。此外，跨学科概念可以利用学生在日常生活中的经验，帮助他们更有意义地参与科学和工程学习，从而扩大了对科学和工程的接触。这种跨学科概念作为资源的观点有助于学生的参与和包容，让他们看到自己也可以成为科学家。
然而，尽管跨学科概念信息教育的潜力巨大，但我们急需进行更多的研究，以深入探讨跨学科概念如何有效地支持学生学习。这需要研究人员和从业者之间的合作，以发展和传播有关跨学科概念信息教育的最佳实践。虽然正式的课程研究和发展通常需要较长时间，但面对跨学科概念信息教育的迅速发展，我们不能一直等待更多的研究结果。因此，现有的从业者知识库是宝贵的，应该通过有意义的研究和实践结合来不断提炼和传播。
在未来，我们需要进一步深化我们对跨学科概念信息教育的理解，以促进更有力的科学和工程学习，同时确保更多的学生可以融入科学和工程领域，实现广泛的科学参与。通过跨学科概念，我们可以为学生提供更多的工具，让他们更好地理解和探索世界，从而为未来的科学家和工程师培养奠定坚实的基础。
查阅原文：DOI: https://doi.org/ 10.3390/educsci13070640
本文是来自美国的Jeffrey Carl Nordine，Okhee Lee学者于2023年发表在教育科学期刊的文章。
转自：“百研工坊”微信公众号
