吳晗清， 王陸陽

(首都師范大學 教師教育學院， 北京 100037)

“跨學科”，就是從學科知識、概念群到認識論和方法論，構筑新的研究視角來解決某單一學科難以解決的問題，也被稱為“交叉學科”[1]。其本質是突破學科之間的限制，跨越不同學科范式。“跨學科概念”是一個典型的上位概念，是超出學科界限的共通性知識，因其高度的概括性常常被視為概念學習的先行組織者[2]。目前，跨學科已經(jīng)成為一種重要的科研范式，而跨學科概念也成了教育研究的熱點。

一、跨學科概念及其典型代表“穩(wěn)定與變化”

(一)跨學科概念的意義和價值

首先，由于跨學科概念的包容面廣、概括性強，因此可以作為上位概念來統(tǒng)領多學科知識，體現(xiàn)了它的“廣度”。如“穩(wěn)定與變化”，可以統(tǒng)領如化學中的化學平衡移動，物理中物體運動狀態(tài)的改變，生物中生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定問題等。其次，跨學科概念還可以作為學科內知識建構強有力的支點，體現(xiàn)了它的“深度”。如初中階段了解物質之間可以發(fā)生化學反應，到高中階段則需掌握相關的理論。另外，除了認知方面，還有利于學生深入認識科學本質，以及情意態(tài)度方面的培養(yǎng)。比如認識到穩(wěn)定與變化(此處“穩(wěn)定”和“變化”兩個詞是否需要加雙引號)是一對辯證關系，世界沒有絕對的靜止，有利于培養(yǎng)多元的復雜性思維。

(二)“穩(wěn)定與變化”及相關研究

雖然跨學科概念的內涵有不同表述，但其重要作用卻十分明確[3]。2011年美國發(fā)布《K-12科學教育框架：實踐、跨學科概念和核心概念》(下稱《框架》)，并將跨學科概念作為三個維度之一來統(tǒng)整《下一代科學標準》(下稱《標準》)?！犊蚣堋诽岢銎邆€跨學科概念，分別是模式，因果，尺度、比例和數(shù)量，系統(tǒng)和系統(tǒng)模型，物質與能量，結構和功能，穩(wěn)定與變化[4]。其中將“穩(wěn)定”定義為至少在觀察范圍內可以表示系統(tǒng)的某些方面保持不變的狀態(tài)，而“變化”往往源自穩(wěn)定條件的改變或補償機制的缺失。

漢語中，“穩(wěn)定”為穩(wěn)固安定，即在一定的可觀察范圍內，物質的狀態(tài)不發(fā)生改變。“變化”為事物產(chǎn)生新的狀況，即舊的狀態(tài)被新的狀態(tài)所取代?！胺€(wěn)定”與“變化”作為兩個相對的概念常為人們所討論，事物若要臻于完善，它的運行就必須在恰當?shù)牡匚?、恰當?shù)南薅?、恰當?shù)臅r間，否則“物極必反”，穩(wěn)定的狀態(tài)被打破，產(chǎn)生新的變化[5]。唯物辯證法認為世界是一個過程，過程是由狀態(tài)組成的。舊事物滅亡的同時，就意味著新事物的產(chǎn)生，即萬物無時無刻不在發(fā)展變化，變化的結果往往是達到一個新的穩(wěn)定狀態(tài)。

本研究認為，穩(wěn)定表示事物某些方面保持不變的狀態(tài)，變化是當條件改變事物脫離原有穩(wěn)定狀態(tài)而向新的穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展的過程，主要涉及物質和能量兩個范疇。有研究表明，由于學生沒有對這一跨學科概念進行系統(tǒng)的學習，所以很難將不同學科中“穩(wěn)定與變化”的相關內容聯(lián)系起來，更談不上形成“穩(wěn)定與變化”的觀念[6]。本文擬梳理出物理、化學、生物三個學科中的相關內容，作出以跨學科概念統(tǒng)領的認知框架。

二、美國課程文本中關于“穩(wěn)定與變化”跨學科概念的設計

(一)設計理念

美國課程文本注重對科學和工程學兩大領域的學習，跨學科概念涉及這兩大領域，被看成強大的學習工具。首先，跨學科概念可以幫助學生更好地理解科學和工程學的核心概念，幫助學生建立認識框架，形成連貫的世界觀。其次，跨學科概念可以幫助學生更好地理解科學和工程學實踐，在實踐中又加深對跨學科概念的理解。再次，跨學科概念為科學和工程學提供了通用的詞匯表。最后，跨學科概念對所有學生都適用，尤其是為學業(yè)水平較低的學生提供科學學習的門檻，形成一種更為公平的教育環(huán)境。

(二)內容表述

美國課程文本將“穩(wěn)定與變化”這一跨學科概念表述分為穩(wěn)定與變化兩個大的方面，穩(wěn)定可以分為靜態(tài)平衡和動態(tài)平衡兩種。靜態(tài)平衡即宏觀保持不變的狀態(tài)，如物體的靜止狀態(tài)；動態(tài)平衡包括兩種系統(tǒng)，即有恒定條件的系統(tǒng)和有周期性變化的重復模式的系統(tǒng)，動態(tài)平衡存在的本質是原子系統(tǒng)的穩(wěn)定。系統(tǒng)保持穩(wěn)定的重要因素是正負反饋，當條件發(fā)生改變或者補償機制缺失時，穩(wěn)定的系統(tǒng)就會發(fā)生變化，進而打破原有穩(wěn)定狀態(tài)進入一種新的狀態(tài)。在判斷系統(tǒng)是否處于穩(wěn)定狀態(tài)時，時間標度是一個重要的因素，即對時間做出限定才能判斷系統(tǒng)處于穩(wěn)定還是變化狀態(tài)。

《標準》在《框架》的基礎上，對學科核心概念和跨學科概念進行了梳理，共總結出八個“穩(wěn)定與變化”的子概念。它們分別為：一是事物可能會緩慢或快速的變化。二是可以通過考察時間和力的變化來解釋自然或人造系統(tǒng)的穩(wěn)定性和變化。三是系統(tǒng)某一部分的微小改變可能會導致另一部分的較大改變。四是突發(fā)事件或隨時間積累的逐漸變化可能會擾亂穩(wěn)定性。五是建立對事物如何變化及如何保持穩(wěn)定的解釋。六是系統(tǒng)可以被設計為有更大或更小穩(wěn)定性的系統(tǒng)。七是反饋(負的或正的)可能會使系統(tǒng)穩(wěn)定或不穩(wěn)定。八是變化和變化率可以在很短或很長一段時間內被量化和建模，有些系統(tǒng)變化是不可逆轉的[7]。

(三)層級進階

美國課程文本中，指明了不同年段學生對于“穩(wěn)定與變化”這一跨學科概念應達到的水平。以中學階段為例，《框架》中提出在初中對穩(wěn)定與變化(此處“穩(wěn)定與變化”是否需要加上雙引號)的理解應該發(fā)展到原子水平，同時也應該意識到保持穩(wěn)定性需要滿足一定的條件。高中可以通過建模來更好地理解復雜系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并認識到科學是對事物歷史演進的解釋。以《框架》為指導，《標準》對“穩(wěn)定與變化”這一跨學科概念進行了更加深入的闡釋，并描述了不同年級學生的期望表現(xiàn)。跨學科概念的層級進階主要體現(xiàn)在不同學段的同一學科中，從直觀感受，到邏輯推理，再到理性抽象，來認識科學的本質。如物質科學中從“物體受到外力其運動狀態(tài)會發(fā)生變化”等開始，進而認識到“可以通過考查時間和力的變化來認識穩(wěn)定性與變化”，最后上升到對事物的變化與穩(wěn)定做出解釋。

三、我國課程文本中關于“穩(wěn)定與變化”的表述

(一)設計理念

我國課程標準涉及“跨學科”的內容主要集中在課程內容中的選修課程、教學建議、教材編寫建議及課程實施建議等部分，主要內容有設計聯(lián)系不同學科的學習活動，選擇跨學科內容進行教學，設置跨學科實驗室等。通過這些方式來幫助學生融合各學科基礎知識，學會綜合運用多學科知識分析解決問題，更好地理解科學概念、科學思想方法及科學本質，從而形成科學正確的世界觀。如《普通高中化學課程標準(2017年版)》在選修課程設置上提出選修課程可與校本選修課程、綜合實踐活動課程等統(tǒng)籌安排，提倡開展學科內綜合和跨學科的綜合實踐活動。加強化學與物理學、生物學、地理學、材料科學和環(huán)境科學等學科的聯(lián)系，引導學生在更寬廣的學科背景下認識物質及其變化的規(guī)律，發(fā)展學生的科學素養(yǎng)。

(二)內容表述

1.中學化學學科課程標準中“穩(wěn)定與變化”概念

《義務教育化學課程標準(2011年版)》要求學生認識化學變化、化學反應及化學變化過程中會伴隨能量變化等。高中提出了更高的要求，物質角度主要包括物質轉化和化學平衡，認識不同物質在一定條件下可以互相轉化，知道一定條件下可以達到化學平衡；能量角度要求學生知道化學能與熱能之間可以相互轉化，以及吸、放熱反應，以原電池為例認識化學能與電能之間的轉化。選擇性必修階段，物質角度增加了原子核外電子運動、化學反應方向的影響因素，學會以化學平衡常數(shù)表示化學反應的限度和方向，知道化學反應速率的測定、表示方法和影響因素及原理，掌握水溶液中的電離平衡、水解平衡和沉淀溶解平衡；能量角度主要有能量守恒定律和反應熱的表示方法，基于前兩者了解蓋斯定律及化學能與熱能的轉化，以電解池為例進一步認識化學能與電能的轉化。

2.中學物理學科課程標準中“穩(wěn)定與變化”概念

《義務教育物理課程標準(2011年版)》中涉及“穩(wěn)定與變化”的概念主要有物質的形態(tài)變化、運動和相互作用兩個主題。其中物質角度包括物質的形態(tài)變化、機械運動、二力平衡、牛頓第一定律、簡單機械和杠桿平衡、聲音的產(chǎn)生等；能量角度要求學生了解物態(tài)變化過程中的吸放熱現(xiàn)象、不同形式能量的互相轉化與做功、能量守恒定律等?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標準(2017年版)》中在必修階段“穩(wěn)定與變化”涉及的相關概念主要有各種復雜受力、運動規(guī)律和能量定理。物質角度主要包括了解勻變速直線運動、圓周運動、曲線運動、自由落體運動、萬有引力定律和牛頓運動定律等；能量角度主要包括知道重力勢能與重力做功的關系、動能和動能定理及機械能守恒定律。選擇性必修階段要求更高，物質角度主要包括簡諧運動、帶電粒子在勻強磁場中的運動，共振，多普勒效應，光的干涉、衍射和偏振現(xiàn)象，動量定理和動量守恒定律等；能量角度包括熱力學第一定律、第二定律及能量守恒定律。

3.中學生物學科課程標準中“穩(wěn)定與變化”概念

《義務教育生物學課程標準(2011年版)》對“穩(wěn)定與變化”這一跨學科概念下的表述涉及多個方面，包括細胞、綠色植物、人體以及生態(tài)系統(tǒng)四個維度。從物質角度來看主要包括細胞分裂和分化，綠色植物的生命過程、光合作用和呼吸作用，人體內血液循環(huán)、氣體交換、消化吸收、代謝廢物排出，神經(jīng)系統(tǒng)和內分泌系統(tǒng)的調節(jié)活動，生命起源和進化過程，有機體的生殖和發(fā)育，生態(tài)系統(tǒng)中的食物鏈和食物網(wǎng)、綠色植物和人在其中的作用等；能量角度要求學生說明能量來自細胞中有機物的氧化分解?！镀胀ǜ咧猩飳W課程標準(2017年版)》中高中必修階段，主要涉及細胞內外物質的穩(wěn)定與變化以及細胞內的能量轉化。物質角度包括細胞內外物質進出、不同的分裂方式和分化過程、衰老和死亡、基因突變、基因重組等；能量角度包括植物細胞光合作用和細胞呼吸過程中的能量轉化過程。選擇性必修階段增加了生態(tài)系統(tǒng)的知識。物質角度包括細胞內環(huán)境的作用，植物體的激素調節(jié)及其他調節(jié)方式，人體不同器官系統(tǒng)共同維持內環(huán)境穩(wěn)定、人體的體液調節(jié)、神經(jīng)調節(jié)等，生態(tài)系統(tǒng)的自我調節(jié)及動態(tài)平衡狀態(tài)、生物多樣性、群落演替、物質流動等；能量角度包括生態(tài)系統(tǒng)中能量單向流動并逐級遞減。

(三)層級進階

我國課程標準中“穩(wěn)定與變化”跨學科概念相關的知識分散在不同學科的不同年段中，沒有明確表述出其水平進階，但同一學科中不同年級的水平進階非常明顯。本研究以物質和能量兩個角度，選取幾個典型知識點為示例進行分析(如表1)。除了知識的進階之外，科學的認識角度方面的要求也在增加。如宏觀到微觀、定性到定量、具體到抽象等。

表1 我國課程標準中“穩(wěn)定與變化”相關知識的學習進階

四、結論及探討

(一)美國傾向于從跨學科概念到學科領域的學習，我國側重于從學科學習走向跨學科交融

美國設置跨學科概念來幫助學生更好地理解科學和工程學核心概念，并為科學和工程學提供通用的詞匯表，同時適用于所有學生。他們把跨學科概念視為一個所有學生都可以應用的工具，將其作為學習的起點和支點，來幫助學生對不同學科核心概念的理解?？梢?，美國傾向于以跨學科概念來組織和統(tǒng)領學生的科學學習，從整體走向部分，綜合走向分科，它既是學習的工具，也是學習的內容。我國沒有以跨學科概念來統(tǒng)領各學科領域的學習，但各學科課程標準對相關跨學科內容都作了一些要求。不同于美國將跨學科概念作為所有學生尤其基礎薄弱生的學習工具，我國在跨學科概念方面的要求更多是針對學有余力的學生。比如相關跨學科內容更多地出現(xiàn)于選修課程中，對教師的要求也比較高。我國設計視域更多的是從分科走向融合，部分趨向整體，把跨學科概念視為學習較高的目標定位。

(二)美國的跨學科概念更為抽象，我國則緊扣物質與能量來討論“穩(wěn)定與變化”

美國采用大框架的形式對所有跨學科概念相關的知識進行系統(tǒng)性梳理，并將跨學科概念分解為幾個子概念。但子概念的表述較為抽象化，對應的核心知識概括性較強，沒有具體呈現(xiàn)出學生應掌握的具體知識及程度。如“系統(tǒng)某一部分的微小改變可能會導致另一部分的較大改變”這一子概念就較為抽象，對應生命科學的核心知識為“生態(tài)系統(tǒng)中任何物理或生物成分的破壞都可能導致所有種群的變化”。但在《標準》中沒有表述出學生應該掌握哪些物理成分或生物成分，以及引起種群的何種變化，也沒有說明需要掌握的程度。教師靈活處理的自由度較大，但同時難度也大。我國課程標準中沒有設置固定的跨學科概念板塊，而是將“穩(wěn)定與變化”融入各學科核心知識中。如化學課程標準中多次提到“物質轉化”“能量轉化”等此類詞句，并在不同主題下有不同的拓展，如不同價態(tài)同種元素的物質的相互轉化、有機化合物在一定條件下可以相互轉化、化學能與電能的轉化等，從具體知識到概念，進而形成跨學科概念。

(三)美國明確將學科概念和跨學科概念并列作為進階的主線，而我國將跨學科概念暗含于學科概念之中

美國課程文本將學科核心概念、跨學科概念和科學與工程實踐三條線索并行作為進階的主線。在“穩(wěn)定與變化”這一跨學科概念下，在每個學科內部對應的子概念中，學生的認識都是從較低水平的事實性知識，過渡到較為抽象的認知，而后上升到理性的認識?？鐚W科概念在幫助學生構建知識的同時可以聯(lián)系各學科知識，有助于形成融合的大科學觀。我國課標中沒有單獨設置“穩(wěn)定與變化”跨學科概念，而是將其融入各科核心知識的表述中。在同一學科中，年級越高所涉及的知識更深更廣。如能量相關概念廣泛分布于中學理科課程中，但都可以歸為三類，即能源與能量形式(靜態(tài))、能量轉移和轉化(動態(tài))、能量定律(理論)。具體來說，形式涉及物理上的機械能、化學上的熱能、生物上的光能等。轉化則體現(xiàn)于諸如動能和勢能、化學能與熱能、太陽能和化學能之間。定律主要體現(xiàn)于能量守恒，比如物理上機械能守恒，化學上的蓋斯定律，生物上生態(tài)系統(tǒng)中的能量流動等?？梢姡鲗W科中的子概念共同支撐起了上位的“被暗含”的跨學科概念[8]。

五、跨學科角度“穩(wěn)定與變化”概念的教學啟示與建議

(一)以跨學科概念為中心，建構橫向聯(lián)系的跨學科認知體系

在分科教學的框架下，跨學科概念可以作為學科知識架構的支點，一定程度上打破學科壁壘，避免完整知識的人為割裂。如能量的轉化，不僅限于某一學科之內，而是廣泛地存在于自然界。具體以ATP為例，ATP即三磷酸腺苷(分子簡式A-P～P～P)，式中A表示腺苷，T表示三個，P代表磷酸基團。進一步深入掌握它的性質，則需了解其元素組成和分子結構。因此需要融合化學中的基礎知識，如原子結構、元素性質，化學鍵、官能團，取代反應、水解反應等。ATP是生物體內最直接的能量來源，是因為它是一種不穩(wěn)定的高能化合物，結構中存在特殊的化學鍵，易水解，斷鍵時釋放出較多的能量。如分子簡式中，含有一個以“-”表示的普通磷酸鍵，及兩個以“～”代表的高能磷酸鍵。從宏觀的角度來理解這一過程，可以將化學鍵的結構視為被壓縮的彈簧，積聚了大量能量?；瘜W鍵斷裂的過程如同彈簧彈出，釋放出大量能量。在物理學中這種過程叫作“轉移勢能”，用這種形象的比擬既可以提升學習的興趣，促進學科知識的理解，還能夠形成跨學科的認知意識和思考習慣。

(二)關注學習進階，逐漸深化跨學科概念的縱深內涵

所謂學習進階，就是在不同學段學習同一主題時所遵循的連貫的、典型的學習路徑。跨學科概念可以架構不同年級、不同水平的相關知識，如對“變化”的理解，不僅需要從物理、化學等多學科角度，還需要關注初中、高中必修及選擇性必修等階段的進階，才能夠實現(xiàn)對“變化”的縱深認識。具體以“化學反應方向與限度”為例。高中必修階段，只要求知道在一定條件下化學反應可以達到平衡。而在選擇性必修階段，則要求掌握電離平衡、水解平衡以及沉淀溶解平衡，能夠定性、定量地判斷平衡狀態(tài)和平衡移動的方向。基于進階的視角，選擇性必修“化學反應的限度”的教學可以設計五個階梯：一是基于必修階段的基礎，分析猜測化學平衡的影響因素。二是通過實驗探究濃度、溫度對化學平衡的影響。三是構建定性判斷化學反應限度的認識模型，分析濃度、溫度對化學平衡的影響。四是基于建構的認識模型，來檢驗壓強和催化劑兩個物理量對平衡的影響。五是結合濃度、溫度、壓強和催化劑等因素，及平衡常數(shù)等相關內容，對化學平衡進行定量分析[9]，深度認知“化學反應的限度”。

(三)關注跨學科視角，形成大科學觀念

科學觀念的建立，有助于學生以高位的視角對知識進行理解和建構，形成科學的認識論、方法論。顯而易見，大科學觀念的形成需要跨學科視角。“穩(wěn)定與變化”作為跨學科概念，其基礎就是相應的物理、化學及生物學知識。唯物辯證法對“穩(wěn)定與變化”的理解，就是超越學科的上位闡釋。如化學中的“變化觀念與平衡思想”，就是“穩(wěn)定與變化”的學科特色表達。生物中“生命觀念”，也包含穩(wěn)態(tài)與平衡觀。物理中的“物理觀念”部分，提到了物質觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念，也是“穩(wěn)定與變化”認識的重要基礎。再細化一點，如物質變化，物理主要關注物質狀態(tài)變化及物體運動狀態(tài)的變化，而生物多注重細胞層面的變化、有機體的變化乃至生態(tài)系統(tǒng)中的物質變化。在化學中，則側重于從微觀角度來研究物質的組成、結構及其變化。可見，學科知識形成學科觀念，學科觀念融合升華為大科學觀。只有長期深入關注跨學科視角，才能促進學生大科學觀的形成。