〔摘 要〕 伴隨著科學(xué)課程走向整合的趨勢，跨學(xué)科概念應(yīng)運而生?？鐚W(xué)科概念主要包括兩個方面，一是系統(tǒng)，二是模型，其獨特的教育價值更加顯現(xiàn)。本文以系統(tǒng)與模型為例，通過對系統(tǒng)與模型的理解、課程資源的提取，教學(xué)轉(zhuǎn)化與實踐和教學(xué)啟示，闡述了引入系統(tǒng)與模型跨學(xué)科概念的必要性和可行性，并對這一概念在實踐中的運用做了初步分析。

〔關(guān)鍵詞〕 小學(xué)科學(xué)；跨學(xué)科概念；系統(tǒng)與模型

〔中圖分類號〕 G424 〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕 A 〔文章編號〕 1674-6317 （2024） 23 067-069

20世紀(jì)80年代以來，科學(xué)的發(fā)展趨向于從單一學(xué)科到多學(xué)科的結(jié)合。發(fā)達(dá)國家進(jìn)一步修訂科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，例如美國、日本等國，將跨學(xué)科概念作為核心命題，并對學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)結(jié)果方面的要求越來越高。我國結(jié)合國際科學(xué)研究以及教育實踐成果，于2022年4月頒布了義務(wù)教育課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)造性地提出了我國科學(xué)教育教學(xué)的4個跨學(xué)科概念：一是物質(zhì)與能量，二是系統(tǒng)與模型，三是結(jié)構(gòu)與功能，四是穩(wěn)定與變化。這四個概念并不是具體的學(xué)科概念，而是超越學(xué)科概念的上位觀念與科學(xué)思想，是認(rèn)識世界、觀察世界、理解世界的一種新的思維方式，也是對學(xué)科知識遷移能力的拓展和強(qiáng)化。

由于課標(biāo)中一直未有與跨學(xué)科概念相當(dāng)?shù)奶岱?，因此，對跨學(xué)科概念價值的研究當(dāng)前還只是停留在理論介紹方面，跨學(xué)科概念和教學(xué)轉(zhuǎn)化案例缺失。跨學(xué)科概念是否真的具有與學(xué)科核心概念同等重要的地位？下面就以系統(tǒng)與模型為例，談?wù)勅绾螌⒖鐚W(xué)科概念融入小學(xué)科學(xué)教學(xué)中。

一、對系統(tǒng)與模型的理解

系統(tǒng)與模型作為跨學(xué)科概念之一，具有豐富的內(nèi)涵。系統(tǒng)是指各組件以及組分間執(zhí)行某些功能的集合，是系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與輸入、輸出相互作用與影響的總和。它具有邊界，可以嵌套在更大的系統(tǒng)中，這是自然界中最主要的單位。模型則是跨學(xué)科概念的運行機(jī)制，是指在理解一個系統(tǒng)時，由于系統(tǒng)受到很多限制，使很多實物不方便直接觀察或教學(xué)，于是便可借助模型進(jìn)行必要的簡化。用適當(dāng)?shù)哪Ｊ娇梢詫⑾到y(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系全面體現(xiàn)出來，并進(jìn)行實體或虛擬的表征，或利用模型進(jìn)行解釋和預(yù)測，這也是認(rèn)識系統(tǒng)的重要方法。

系統(tǒng)與模型是人類認(rèn)識世界的主要手段，比較適合通過進(jìn)階形式，確定不同過程的相關(guān)要求。以學(xué)科核心概念“5.5.人體由多個系統(tǒng)組成”為例，學(xué)生可以用不同的部分來描述物體，并能理解各部分在系統(tǒng)中協(xié)同工作的機(jī)制。例如1～2年級學(xué)生需要識別眼、耳、鼻、舌、皮膚等器官，并能直接體會到各個器官在人體中的分工和配合。在中段，學(xué)生可以認(rèn)識到系統(tǒng)是由整體或不同組件構(gòu)成，可以執(zhí)行部分無法單獨執(zhí)行的功能，并且可以分析不同部分或系統(tǒng)的共同特征，初步形成模型。例如3～4年級需要學(xué)生描述人體用于呼吸和消化的器官，從而認(rèn)識到人體的呼吸和消化系統(tǒng)，并初步形成呼吸系統(tǒng)和消化系統(tǒng)模型。在高段，學(xué)生需要認(rèn)識到一個大系統(tǒng)之下存在著更加復(fù)雜的子系統(tǒng)，并認(rèn)識到不同的系統(tǒng)之間有何相互影響，更需要用簡化的模型進(jìn)行理解。例如5～6年級學(xué)生可以逐步理解生命系統(tǒng)的復(fù)雜性和層次性，進(jìn)一步揭示生命系統(tǒng)構(gòu)成層次的內(nèi)在規(guī)律。

二、系統(tǒng)與模型課程資源的提取

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》在課程內(nèi)容部分設(shè)置了13個學(xué)科核心概念，無論是物質(zhì)科學(xué)還是生命科學(xué)或是技術(shù)科學(xué)等，都有大量涉及系統(tǒng)與模型的跨學(xué)科概念。不同的核心概念多以實驗探究的形式使學(xué)生加深理解和認(rèn)識，因此在課標(biāo)附錄4中列出78個學(xué)生必做的探究實驗，并對探究實驗活動提出了具體的要求，促使學(xué)生從不同角度形成系統(tǒng)與模型的跨學(xué)科概念。下表是從78個必做實驗中對跨學(xué)科概念“系統(tǒng)與模型”課程部分資源進(jìn)行提取。

三、系統(tǒng)與模型的教學(xué)轉(zhuǎn)化與實踐

跨學(xué)科概念中的系統(tǒng)與模型可以將分散在各個學(xué)段和學(xué)科中的問題聯(lián)系起來，為學(xué)生理解學(xué)科核心概念提供新的思路和視角，在學(xué)科核心概念方面發(fā)揮相應(yīng)的支撐價值。但從課標(biāo)到課堂，還需要教師的教學(xué)轉(zhuǎn)化和實踐落實。為了在教學(xué)過程中全面滲透系統(tǒng)與模型概念，筆者在教學(xué)時采用了以下方法對學(xué)生給予指導(dǎo)。

（一）依托學(xué)科核心知識，對系統(tǒng)與模型概念進(jìn)行外顯化教學(xué)

盡管系統(tǒng)與模型在核心知識中普遍存在，但學(xué)生并不會自發(fā)形成對跨學(xué)科概念的理解，此時就需要教師將概念融合進(jìn)教學(xué)實踐中外顯化地進(jìn)行指導(dǎo)?？鐚W(xué)科概念也不是孤立地調(diào)查或者在問題解決情境中學(xué)習(xí)，而與學(xué)科核心知識密切相關(guān)。因此在教學(xué)時，要使學(xué)生處于系統(tǒng)與模型和跨學(xué)科概念的情境中。例如，在地球與宇宙科學(xué)領(lǐng)域，課堂上學(xué)生會通過地球儀、手電筒等模型進(jìn)行地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的模擬實驗，深入探究，通過自身語言將概念的認(rèn)識全面表述出來，并且理解地球自轉(zhuǎn)及公轉(zhuǎn)構(gòu)成的系統(tǒng)。在學(xué)生自行構(gòu)建系統(tǒng)模型之后，教師以此為依托，對系統(tǒng)與模型的跨學(xué)科概念進(jìn)行清晰、具體地說明，把學(xué)科核心概念和模型本質(zhì)結(jié)合起來，向?qū)W生進(jìn)行演示。學(xué)生以此為依托對其進(jìn)行改進(jìn)，同時向系統(tǒng)模型階段邁進(jìn)，從而理解晝夜交替、四季變化等自然現(xiàn)象的發(fā)生。結(jié)合系統(tǒng)、模型概念復(fù)雜性特點，且一個系統(tǒng)模型中可能包含多個具有邊界的子系統(tǒng)，教師在推動學(xué)生理解系統(tǒng)組成和特征時，應(yīng)采取循序漸進(jìn)的方法，讓學(xué)生在多次深入學(xué)習(xí)過程中實現(xiàn)。例如隨著課程的不斷深入，后續(xù)還會制作以太陽為中心、由八顆行星組成的太陽系模型。這同樣需要結(jié)合系統(tǒng)、模型概念，實施多樣化教學(xué)，使學(xué)生能順利呈現(xiàn)太陽系的大致結(jié)構(gòu)，了解恒星、行星與衛(wèi)星的區(qū)別。此時學(xué)生便能更深刻地認(rèn)識到每個系統(tǒng)都有屬于自己的邊界，同類型的系統(tǒng)還可以嵌套在更大的模型中。

（二）圍繞一個或者多個跨學(xué)科概念，生成學(xué)科內(nèi)容教學(xué)

在認(rèn)識學(xué)科核心概念方面，最主要的工具就是系統(tǒng)與模型。建立科學(xué)的模型，是科學(xué)實踐過程中最關(guān)鍵的一個方面，因此可以在教學(xué)中反復(fù)、多次使用。這也是美國跨學(xué)科概念教學(xué)的基本范式。在技術(shù)與工程領(lǐng)域，通常需要引導(dǎo)學(xué)生解決工程問題，完成工程實踐。一般來講，學(xué)生都會從設(shè)計出發(fā)，先在圖紙上構(gòu)思，再做出縮小比例的實物模型，進(jìn)行調(diào)試之后，符合標(biāo)準(zhǔn)才會做出實物。此時，實物是系統(tǒng)，圖紙和實物模型都是模型。在地球與宇宙科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的自然界水循環(huán)課程中，教師與學(xué)生共同建立系統(tǒng)模型，同時深入了解水循環(huán)。學(xué)生憑借探究過程獲取數(shù)據(jù)，對這一模型在水循環(huán)組分以及作用方面進(jìn)行評價，查找模型中出現(xiàn)的問題。此時，學(xué)生能夠進(jìn)一步了解水循環(huán)過程。之后，教師對學(xué)生加以正確指導(dǎo)，對前期建立的模型進(jìn)一步改進(jìn)，把優(yōu)化后的模型在實際水循環(huán)中應(yīng)用，從而使學(xué)生進(jìn)一步強(qiáng)化對概念的認(rèn)識?？梢钥闯?，課程設(shè)計以模型為主體，這樣學(xué)生可以從不同層面入手，全面掌握課程內(nèi)容，一是整體，二是局部。所以，教師要把系統(tǒng)模型當(dāng)成是學(xué)生認(rèn)識、了解概念的主要工具，在教學(xué)過程中，對學(xué)生建立、改進(jìn)與優(yōu)化模型提供支持與幫助。這樣，學(xué)生才能總結(jié)現(xiàn)象組分，了解它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，確保能夠正確認(rèn)識學(xué)科核心概念，進(jìn)一步強(qiáng)化記憶，同時有效應(yīng)用。

四、系統(tǒng)與模型的教學(xué)啟示

跨學(xué)科概念在學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展方面的作用是十分關(guān)鍵的，它是對傳統(tǒng)科學(xué)教育的突破，但仍面臨著諸多問題和挑戰(zhàn)。

（一）系統(tǒng)與模型的教學(xué)需要緊密聯(lián)系科學(xué)與工程實踐

科學(xué)與工程實踐和跨學(xué)科概念同等重要但又有明顯不同的維度。美國《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》指出，全面整合科學(xué)和工程實踐，是使學(xué)生能夠積極主動參與，正確認(rèn)識世界，建立模型，了解和改造世界的主要方式；同時，在學(xué)生正確認(rèn)識、了解跨學(xué)科概念時提供支持和幫助?！读x務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出，科學(xué)與工程實踐的核心思想可以促進(jìn)對跨學(xué)科概念的理解。學(xué)生遇到任何現(xiàn)象，無論是在科學(xué)實驗室還是需要自己動手、實地考察，學(xué)習(xí)的主要宗旨都是使實際生活中發(fā)生的問題得到有效解決，并以此為依托，了解人們在具體工作中出現(xiàn)的問題，同時制訂科學(xué)的解決措施。例如，在設(shè)計開發(fā)保溫飯盒時，最主要的問題就是能源生產(chǎn)以及應(yīng)用能源。要解決上述問題，就必須了解歸納模式，科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)和模型，從而使自身能夠從科學(xué)視角出發(fā)，進(jìn)一步了解上述現(xiàn)象，憑借科學(xué)實踐現(xiàn)象，進(jìn)一步加深對系統(tǒng)與模型跨學(xué)科概念的認(rèn)識。因此在教學(xué)時，需將系統(tǒng)與模型和科學(xué)與工程實踐緊密聯(lián)系起來。

（二）系統(tǒng)與模型的教學(xué)整體采用進(jìn)階的方式進(jìn)行

以年級進(jìn)階為依托，不斷深入推進(jìn)教學(xué)，是新課標(biāo)的最大特點。從分析附錄4中78個學(xué)生必做探究實踐活動中可知，不同時期的科學(xué)課程，都將系統(tǒng)和模型包括在內(nèi)。同時，由于學(xué)生思維方式發(fā)生變化，加之學(xué)生理解能力不斷強(qiáng)化，系統(tǒng)模型的進(jìn)階要求和不同時期的科學(xué)教學(xué)緊密聯(lián)系在一起。為了更好地將系統(tǒng)與模型融入科學(xué)教學(xué)，可以考慮采用以單元整體教學(xué)的進(jìn)階方式進(jìn)行。將問題圍繞學(xué)科核心概念設(shè)計，并指向跨學(xué)科概念。在大問題的統(tǒng)攝下，以學(xué)科知識結(jié)構(gòu)為支點，逐級聚合科學(xué)學(xué)科知識，同時保證學(xué)生在跨學(xué)科概念教學(xué)中保持思維連貫性，促使學(xué)生形成協(xié)同化、整體程度高的結(jié)構(gòu)知識。

（三）依據(jù)教學(xué)目標(biāo)考慮是否再引入其他跨學(xué)科概念

單一的跨學(xué)科概念并不一定能滿足課堂教學(xué)。在技術(shù)與工程的教學(xué)中，學(xué)生完成作品的設(shè)計和制作形成一個系統(tǒng)，在通過多個現(xiàn)象、多重事物學(xué)習(xí)和鞏固一個跨學(xué)科概念的同時，可能還會涉及另一個跨學(xué)科概念。以結(jié)構(gòu)與功能為例，學(xué)生在對作品的結(jié)構(gòu)與功能間的內(nèi)在聯(lián)系得到全面了解后，通過對結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行抽象認(rèn)識，最終超越原有結(jié)構(gòu)與功能，將這些作品生成更大系統(tǒng)的實物模型。由于這種教學(xué)方式既可以復(fù)現(xiàn)科學(xué)現(xiàn)象，又可以演示科學(xué)原理，因此在教學(xué)中可依據(jù)教學(xué)目標(biāo)實際，對其他跨學(xué)科概念的加入進(jìn)行科學(xué)判定。但不宜設(shè)計過多，以滲透兩個為宜，并要根據(jù)學(xué)科內(nèi)容對跨學(xué)科概念進(jìn)行甄選。

跨學(xué)科概念屬于上位思維模式，屬于上位概念的范疇，有兩個方面的特點，一是統(tǒng)攝性，二是引領(lǐng)性。新課程標(biāo)準(zhǔn)指出，課程核心素養(yǎng)最主要的一個方面就是具有跨學(xué)科概念，同時，教學(xué)目標(biāo)全面實現(xiàn)的基礎(chǔ)也是有效轉(zhuǎn)化跨學(xué)科概念。作為教師，我們應(yīng)深入了解與認(rèn)識系統(tǒng)和模型的本質(zhì)，重視構(gòu)建系統(tǒng)與模型的實踐活動，進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)研究，促成學(xué)生對科學(xué)整體性理解的形成，為新時代背景下科學(xué)教育的深入發(fā)展提供支撐。

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