將跨學(xué)科概念融入化學(xué)教材——美國(guó)教材的做法

王維臻 張榮慧 鐘曉媛

摘要： 調(diào)研分析美國(guó)《科學(xué)維度： 化學(xué)》（簡(jiǎn)稱HMH）教材落實(shí)跨學(xué)科概念的具體做法。在內(nèi)容組織上，HMH教材重視學(xué)科概念與跨學(xué)科概念的相互支撐，滲透跨學(xué)科概念的上位特征。在呈現(xiàn)上，以多種欄目設(shè)置和落實(shí)跨學(xué)科概念，創(chuàng)設(shè)多層次情境，并設(shè)計(jì)指向跨學(xué)科概念的活動(dòng)與任務(wù)。這些做法對(duì)我國(guó)化學(xué)教材的建設(shè)有一定的啟示意義。

關(guān)鍵詞： 跨學(xué)科概念; 上位特征;美國(guó)化學(xué)教材研究;HMH教材

文章編號(hào)： 1005-6629（2021）10-0091-07

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

在發(fā)展核心素養(yǎng)的科學(xué)課程理念下，跨學(xué)科概念已成為課程改革關(guān)注的焦點(diǎn)之一。美國(guó)《下一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》[1]（以下簡(jiǎn)稱NGSS）將跨學(xué)科概念與學(xué)科核心概念、科學(xué)與工程實(shí)踐并列，構(gòu)成科學(xué)教育內(nèi)容體系。多國(guó)科學(xué)課程文件中都有“共通概念”或類似提法。我國(guó)理科課程也開(kāi)始關(guān)注跨學(xué)科概念。高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中已提到跨學(xué)科的科學(xué)概念和過(guò)程?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》[2]指出，要適當(dāng)融合跨學(xué)科知識(shí)，以發(fā)展學(xué)生的綜合問(wèn)題解決能力。

跨學(xué)科概念，是對(duì)理科知識(shí)共通性的高度歸納。作為組織科學(xué)課程的大概念，跨學(xué)科概念的價(jià)值包括促進(jìn)概念整合、為理解新知提供支持、支持科學(xué)探究、促進(jìn)對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解等。體系、物質(zhì)、能量、結(jié)構(gòu)與功能、穩(wěn)定與變化等作為跨學(xué)科概念，受到了廣泛的關(guān)注[3]。

在我國(guó)分科教學(xué)制度下，如何培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)的整體性理解，統(tǒng)整多學(xué)科概念、方法和工具去理解、解決真實(shí)的科學(xué)問(wèn)題，是學(xué)科課程面臨的重要挑戰(zhàn)。已有研究在將跨學(xué)科概念融入學(xué)科課程和教學(xué)上進(jìn)行了諸多探索： 有些研究從課程角度探討了跨學(xué)科概念融入理科課程的可能性[4，5]，不少教學(xué)研究關(guān)注挖掘承載不同學(xué)科知識(shí)的素材[6，7]。但由于不聚焦跨學(xué)科概念，很難實(shí)現(xiàn)從知識(shí)到觀念的提升，也就難以體現(xiàn)跨學(xué)科概念發(fā)展科學(xué)整體性理解的價(jià)值。

教材是對(duì)課程的具體化解讀，是對(duì)教學(xué)的方向性導(dǎo)引?？鐚W(xué)科概念能否在科學(xué)教育中發(fā)揮作用，在某種程度上取決于教材對(duì)其落實(shí)的程度和形式。然而，我國(guó)基于跨學(xué)科概念的教材研究較為欠缺。已有教材研究較多地關(guān)注對(duì)教材某部分（如結(jié)構(gòu)、欄目、習(xí)題、情境設(shè)置等）或某內(nèi)容主題（如化學(xué)史、化學(xué)平衡等）特點(diǎn)的分析和比較[8，9]，而對(duì)于跨學(xué)科視角的教材研究則較少，同時(shí)泛化于跨學(xué)科內(nèi)容[10]，因此總體上對(duì)教材如何落實(shí)跨學(xué)科概念討論不足。

美國(guó)對(duì)跨學(xué)科概念的關(guān)注持續(xù)了30年。NGSS更是明確了7個(gè)跨學(xué)科概念： 模式，原因與影響，尺度、比例與數(shù)量，體系與體系模型，能量與物質(zhì)，結(jié)構(gòu)與功能，穩(wěn)定與變化。這些概念融合了科學(xué)概念與方法，著力凸顯價(jià)值，值得對(duì)美國(guó)教材如何落實(shí)這些跨學(xué)科概念開(kāi)展研究。全球三大教育出版集團(tuán)之一的哈考特出版社（HMH）根據(jù)NGSS編寫并于2020年出版了《科學(xué)維度》系列教材。本研究以《科學(xué)維度： 化學(xué)》[11]教材（以下簡(jiǎn)稱HMH教材）作為研究對(duì)象，探討其落實(shí)跨學(xué)科概念的做法，以期為我國(guó)化學(xué)教材的建設(shè)和修訂提供啟示。

1? 教材基本情況

作為“為下一代設(shè)計(jì)的教材”[12]，HMH教材指出，未來(lái)場(chǎng)景對(duì)科學(xué)素養(yǎng)要求很高，對(duì)創(chuàng)新和問(wèn)題解決能力的要求更高，因此，化學(xué)課堂應(yīng)該具備以學(xué)生為中心在情境中學(xué)習(xí)、解決問(wèn)題、積極參與科學(xué)活動(dòng)等特點(diǎn)。該教材是為9～12年級(jí)學(xué)生設(shè)計(jì)的分科必修化學(xué)課程，共五個(gè)單元（見(jiàn)表1）。

2? 教材融入跨學(xué)科概念的具體做法

HMH教材對(duì)7個(gè)跨學(xué)科概念都有所涉及。一方面，能量、物質(zhì)、結(jié)構(gòu)、體系、變化等作為化學(xué)學(xué)科中的重要詞匯，在教材中大量出現(xiàn);另一方面，立足于跨學(xué)科視角，跨學(xué)科概念本身在教材中出現(xiàn)的頻數(shù)并不高，多集中在某個(gè)主題上。例如，“穩(wěn)定與變化”多體現(xiàn)在化學(xué)平衡主題，“尺度”“模式”主要體現(xiàn)在物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)主題等。

為了分析HMH教材組織和呈現(xiàn)跨學(xué)科概念的做法，研究進(jìn)行了定性與定量相結(jié)合的文本分析。定性分析主要用來(lái)解釋跨學(xué)科概念的組織方式，定量分析則用于統(tǒng)計(jì)跨學(xué)科概念的欄目分布和情境設(shè)置。通過(guò)分析，HMH教材組織和呈現(xiàn)跨學(xué)科概念的做法可以歸納為三點(diǎn)?，F(xiàn)闡釋如下。

2.1? 依托學(xué)科內(nèi)容框架，為學(xué)科內(nèi)容的組織提供新思路

跨學(xué)科概念的意義有二。其一，加深對(duì)學(xué)科核心概念的理解;其二，打破學(xué)科界線，建構(gòu)對(duì)世界科學(xué)、整體的認(rèn)識(shí)[13]。要體現(xiàn)跨學(xué)科概念的意義，其組織就需要既立足于發(fā)展學(xué)科概念，又體現(xiàn)跨學(xué)科概念超越學(xué)科概念的上位特征。

2.1.1? 關(guān)聯(lián)學(xué)科概念，依托學(xué)科內(nèi)容框架

跨學(xué)科概念是從理科概念自下而上抽提出來(lái)的，表現(xiàn)出理科概念的共通性。因此，學(xué)科內(nèi)容勢(shì)必可以在一定程度上體現(xiàn)相應(yīng)的跨學(xué)科概念。找到跨學(xué)科概念與學(xué)科內(nèi)容的結(jié)合點(diǎn)，是跨學(xué)科概念融入學(xué)科教材的重要途徑。

對(duì)教材中跨學(xué)科概念設(shè)置位置的學(xué)科內(nèi)容整理（見(jiàn)表2）發(fā)現(xiàn)，跨學(xué)科概念伴隨具體學(xué)科概念反復(fù)出現(xiàn)?？鐚W(xué)科概念與學(xué)科內(nèi)容的密切關(guān)聯(lián)，使學(xué)科概念框架成為了組織跨學(xué)科概念的基本框架。

學(xué)科概念對(duì)跨學(xué)科概念的支撐體現(xiàn)在具體知識(shí)上。以“原子與元素”單元的元素周期律一節(jié)為例，該節(jié)的教學(xué)重點(diǎn)是探究元素周期律。元素周期律即是一種“模式”，為了探尋這種模式，學(xué)生需要分別探究原子半徑變化的規(guī)律、電離能變化的規(guī)律、電負(fù)性變化的規(guī)律。這些規(guī)律都是“模式”這一跨學(xué)科概念在化學(xué)學(xué)科中的體現(xiàn)。這些規(guī)律的發(fā)現(xiàn)將最終幫助學(xué)生建構(gòu)起對(duì)元素周期律的認(rèn)識(shí)。從這個(gè)例子可以看到，學(xué)生對(duì)化學(xué)具體知識(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程將會(huì)支撐對(duì)“模式”這一跨學(xué)科概念的認(rèn)識(shí)。

2.1.2? 提供組織學(xué)科內(nèi)容的新思路

在元素周期律一節(jié)的例子中，除了依托學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程滲透對(duì)“模式”這一跨學(xué)科概念的認(rèn)識(shí)之外，尋找“模式”（規(guī)律）這類任務(wù)的反復(fù)出現(xiàn)，也使“模式”這個(gè)關(guān)鍵詞成為了組織該節(jié)內(nèi)容的重要線索和思路?？鐚W(xué)科概念能夠?yàn)閷W(xué)科概念的理解提供新思路和視角，體現(xiàn)了其上位特征。

一些跨學(xué)科概念本身就是重要的學(xué)科觀念，貢獻(xiàn)了學(xué)科的重要認(rèn)識(shí)角度，如物質(zhì)、能量、體系、尺度等。在這種情況下，依托跨學(xué)科概念，學(xué)科具體內(nèi)容可以跳出節(jié)與單元的限制，實(shí)現(xiàn)跨單元整合。下面以“體系”概念對(duì)HMH化學(xué)教材的整合作用為例進(jìn)行說(shuō)明。

體系是化學(xué)反應(yīng)原理和化學(xué)工程領(lǐng)域的重要概念，是認(rèn)識(shí)化學(xué)平衡、化學(xué)反應(yīng)與能量等主題的重要認(rèn)識(shí)角度。在教材中，合理設(shè)計(jì)體系概念，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)內(nèi)容的跨單元整合，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)與其他學(xué)科的整合。

在第1單元“化學(xué)與工程”大篇幅介紹“體系”，為后續(xù)單元的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。之后，“體系”一詞直接且大量出現(xiàn)，從太陽(yáng)系、地球系統(tǒng)、生命系統(tǒng)，到體系的能量流動(dòng)趨勢(shì)，潛移默化地伴隨著學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)。到第4單元“化學(xué)反應(yīng)”，“體系”對(duì)揭示反應(yīng)規(guī)律的意義逐步顯現(xiàn)。在第5單元，學(xué)生開(kāi)始討論多種類型的化學(xué)反應(yīng)體系。在這個(gè)例子中（見(jiàn)圖1），“體系”概念貫穿全書，既貢獻(xiàn)了重要的化學(xué)認(rèn)識(shí)角度，引導(dǎo)學(xué)生在不同情境下建立“體系”，深化對(duì)“體系”價(jià)值的理解;又體現(xiàn)了其作為跨學(xué)科概念對(duì)學(xué)科具體知識(shí)的整合作用以及對(duì)不同學(xué)科情境的關(guān)聯(lián)作用。

2.2 ?滲透跨學(xué)科概念的上位特征

跨學(xué)科概念的一些特征在具體學(xué)科概念中難以直接體現(xiàn)。這些特征超越學(xué)科，導(dǎo)致其盡管是重要的科學(xué)理念與做法，卻不容易通過(guò)具體知識(shí)教學(xué)傳達(dá)出來(lái)。例如，模式無(wú)處不在，其對(duì)于理解自然現(xiàn)象非常重要，是“模式”作為跨學(xué)科概念的特征之一，但在學(xué)科教學(xué)中由于與知識(shí)聯(lián)系不緊密而容易被忽略。

對(duì)于跨學(xué)科概念的這類上位特征，HMH教材也有意識(shí)地進(jìn)行了滲透。這種滲透大多是隱性的，往往體現(xiàn)在圖片、表格或問(wèn)題、活動(dòng)步驟中。HMH教材對(duì)跨學(xué)科概念特征的體現(xiàn)舉例見(jiàn)表3。

除了隱性滲透外，在適當(dāng)位置，HMH教材也將跨學(xué)科概念超越學(xué)科的上位特征直接落實(shí)在文字上。這種落實(shí)主要是通過(guò)“課時(shí)總結(jié)”（Make your own study guide）欄目實(shí)現(xiàn)的。例如，第1單元第1課的課時(shí)總結(jié)指出：“化學(xué)家通過(guò)研究數(shù)據(jù)和模式來(lái)理解現(xiàn)象”，這就對(duì)應(yīng)了“模式可以引發(fā)問(wèn)題和研究”這一特點(diǎn)。再如，第1單元第2課的課時(shí)總結(jié)提到：“科學(xué)家和工程師通過(guò)定義體系來(lái)確定邊界并研究體系內(nèi)部和體系之間的相互作用”，這就直接點(diǎn)明了“體系可以簡(jiǎn)化研究對(duì)象”的特征。

2.3? 利用多類型欄目設(shè)置跨學(xué)科概念

研究將HMH教材欄目分為正文（用Z表示）、評(píng)價(jià)類欄目（用P表示，包括課時(shí)評(píng)價(jià)、單元評(píng)價(jià)）、資料類欄目（用ZL表示，包括課內(nèi)拓展、職業(yè)生涯、單元關(guān)聯(lián)、單元拓展閱讀）、其他欄目（用Q表示，包括詞匯表、提示語(yǔ)）四類，對(duì)跨學(xué)科概念相關(guān)內(nèi)容所在欄目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)圖2）。

跨學(xué)科概念在正文、評(píng)價(jià)類、資料類和其他（如詞匯表）欄目中均有分布。同時(shí)，跨學(xué)科概念的內(nèi)容主要設(shè)置在正文中，其次是資料類欄目、評(píng)價(jià)類欄目，在其他欄目中分布最少。

在正文中，跨學(xué)科概念主要結(jié)合具體概念，在探究活動(dòng)中出現(xiàn)，如探究元素周期表的模式。在資料類欄目中，跨學(xué)科概念或直接以欄目標(biāo)題的形式出現(xiàn)，并附相關(guān)介紹，如生命系統(tǒng)中的模式、自然界中的循環(huán)模式等;或作為隱性線索出現(xiàn)在職業(yè)生涯介紹中，如環(huán)境化學(xué)家清理原油泄漏（涉及能量與物質(zhì)、尺度等）。在評(píng)價(jià)類欄目中，除了習(xí)題，“課時(shí)總結(jié)”是促進(jìn)跨學(xué)科概念落地的重要板塊。在其他欄目中，跨學(xué)科概念在每單元的詞匯表中被標(biāo)注出來(lái)，學(xué)生須書寫其定義、相似說(shuō)法、相關(guān)詞組，并對(duì)用法進(jìn)行舉例;跨學(xué)科概念有時(shí)也出現(xiàn)在提示語(yǔ)中，提醒學(xué)生將其寫在筆記本上。

2.4? 用不同層次的情境包裝，以明確的任務(wù)促進(jìn)跨學(xué)科理解

2.4.1? 設(shè)置單學(xué)科、理科綜合，科學(xué)與社會(huì)、工程整合的情境

在正文與資料類欄目中，HMH教材對(duì)與跨學(xué)科概念相關(guān)的情境進(jìn)行了特殊標(biāo)記。對(duì)這些情境進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，一些是化學(xué)學(xué)科情境（占34.6%），一些涉及科學(xué)學(xué)科間的整合（占30.8%），還有一些情境涉及科學(xué)與社會(huì)、工程的整合（占34.6%）。圖3是對(duì)這些情境的分類整理。

從圖3看，針對(duì)不同的跨學(xué)科概念，其情境設(shè)置的傾向不同。針對(duì)“模式”設(shè)置的化學(xué)情境最多，主要集中在元素周期律、化學(xué)鍵等內(nèi)容;而對(duì)于“能量與物質(zhì)”，科學(xué)學(xué)科間整合的情境設(shè)置最多。一些跨學(xué)科概念關(guān)聯(lián)非常密切，如“體系”與“能量”，因此其情境設(shè)置也體現(xiàn)出了相應(yīng)的綜合化特點(diǎn)，如針對(duì)“體系與體系模型”這一跨學(xué)科概念設(shè)置的“能量與反應(yīng)體系”情境。

2.4.2? 設(shè)計(jì)指向性強(qiáng)、步驟明確的活動(dòng)任務(wù)

圍繞情境設(shè)置合理的活動(dòng)，是實(shí)現(xiàn)學(xué)科整合，體現(xiàn)跨學(xué)科概念價(jià)值的關(guān)鍵。本研究按照提出問(wèn)題（明確活動(dòng)任務(wù)）、活動(dòng)步驟提示、結(jié)論引導(dǎo)三部分對(duì)HMH教材跨學(xué)科概念的相關(guān)情境活動(dòng)（N=24）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖4所示。

在與跨學(xué)科概念相關(guān)的24個(gè)情境中，除3個(gè)情境沒(méi)有設(shè)置明確的活動(dòng)任務(wù)外，其余21個(gè)都提出了活動(dòng)任務(wù)。其中，10個(gè)情境只布置了活動(dòng)任務(wù)，即只提出問(wèn)題，沒(méi)有對(duì)活動(dòng)步驟和結(jié)論的指導(dǎo);8個(gè)情境布置的活動(dòng)或缺少活動(dòng)步驟指導(dǎo)，或缺少對(duì)結(jié)論的引導(dǎo);3個(gè)情境設(shè)置了完整的提出問(wèn)題、活動(dòng)步驟和結(jié)論引導(dǎo)環(huán)節(jié)。

以“綠色革命”為例，所創(chuàng)設(shè)的活動(dòng)見(jiàn)表4。綠色革命作為一個(gè)真實(shí)的科學(xué)事件，是科學(xué)與其社會(huì)屬性和工程整合的真實(shí)情境。這個(gè)情境包裹的化學(xué)知識(shí)有工業(yè)合成氨（化學(xué)平衡）、氮及其化合物（元素化合物），同時(shí)涉及生物、地理學(xué)科;聚焦的跨學(xué)科認(rèn)識(shí)是科學(xué)、技術(shù)、工程對(duì)自然社會(huì)的影響;討論的話題是氮肥的功與過(guò)。這個(gè)活動(dòng)通過(guò)對(duì)資料的組織設(shè)計(jì)了兩個(gè)子任務(wù)，從兩方面引導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)氮肥對(duì)世界的影響。同時(shí)，教材圍繞這個(gè)跨學(xué)科情境，在拓展任務(wù)1設(shè)置了與科學(xué)史、科學(xué)寫作相關(guān)的任務(wù);在拓展任務(wù)2設(shè)置了具有化學(xué)工程設(shè)計(jì)特點(diǎn)的任務(wù)，更大限度地開(kāi)發(fā)了這個(gè)情境的功能和價(jià)值。

3? 對(duì)我國(guó)教材的啟示

在全球關(guān)注核心素養(yǎng)，以少而精的概念重構(gòu)科學(xué)課程的大背景下，化學(xué)教材需要回應(yīng)如何讓學(xué)生在綜合化的生活和社會(huì)情境中探究和解決與科學(xué)相關(guān)的問(wèn)題。對(duì)HMH教材的分析給我國(guó)化學(xué)教材落實(shí)跨學(xué)科概念提供了一些啟示。

3.1? 梳理學(xué)科概念與跨學(xué)科概念的關(guān)系

已有研究已經(jīng)明確學(xué)科概念與跨學(xué)科概念的依存共生關(guān)系[14]。一方面，利用跨學(xué)科概念促進(jìn)對(duì)學(xué)科概念的理解是深化教學(xué)改革的大方向。深入探討跨學(xué)科概念的含義和特征，挖掘其與學(xué)科概念之間的聯(lián)系，有助于在現(xiàn)有的教材概念體系中融入跨學(xué)科概念，并發(fā)揮其促進(jìn)學(xué)科概念理解的作用。另一方面，提高跨學(xué)科概念的地位，以學(xué)科概念為基礎(chǔ)構(gòu)建跨學(xué)科概念體系，突出跨學(xué)科概念的特點(diǎn)，是促進(jìn)學(xué)生形成對(duì)科學(xué)的整體性、協(xié)同性理解的有效途徑。從HMH教材的例子可以發(fā)現(xiàn)，將跨學(xué)科概念外顯化，其可以成為組織一個(gè)單元、一個(gè)主題的重要線索，而這種線索為學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)現(xiàn)象提供了學(xué)科概念之外的新視角。

3.2? 甄選跨學(xué)科概念

對(duì)于化學(xué)學(xué)科而言，并非所有的跨學(xué)科概念都要呈現(xiàn)在教材中。這既不符合學(xué)科特點(diǎn)，也不一定符合具體跨學(xué)科概念的特點(diǎn)。在化學(xué)教材中，“結(jié)構(gòu)與功能”“穩(wěn)定與變化”只涉及某些主題。但在生物教材中，這兩個(gè)跨學(xué)科概念同時(shí)又是重要的學(xué)科概念。HMH教材盡管涉及到7個(gè)跨學(xué)科概念，但被重點(diǎn)標(biāo)注出來(lái)的概念只有6個(gè)，“原因與影響”始終以一種隱性的方式存在于教材中，這與其和科學(xué)推理密切相關(guān)的特點(diǎn)有關(guān)。因此，教材中選擇哪些跨學(xué)科概念，需要結(jié)合具體學(xué)科內(nèi)容加以論證。

3.3  創(chuàng)設(shè)指向跨學(xué)科理解的真實(shí)情境

相比于學(xué)科概念，理解跨學(xué)科概念需要更具包容性的情境和探究空間。而情境越真實(shí)，學(xué)科整合化程度越高，其跨學(xué)科探究的空間就越大。在橫向上，促進(jìn)跨學(xué)科概念理解的情境可以包括“學(xué)科情境”“科學(xué)學(xué)科整合情境”“科學(xué)與社會(huì)、工程整合情境”三種類型，具體選擇哪種類型需要綜合考慮化學(xué)學(xué)科概念以及科學(xué)、工程、社會(huì)與自然的關(guān)系。在縱向上，跨學(xué)科情境的創(chuàng)設(shè)則需要考慮學(xué)科概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階和跨學(xué)科概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階，控制情境的綜合度和復(fù)雜度，促使學(xué)生形成協(xié)同化、整體化程度高的知識(shí)結(jié)構(gòu)。在橫向情境的創(chuàng)設(shè)上，HMH教材提供了很好的范例，但由于缺乏年級(jí)信息，因此在縱向上沒(méi)有給出更多的參考。另外，在跨學(xué)科情境的創(chuàng)設(shè)中，布置指向性明確的任務(wù)、提供適當(dāng)?shù)幕顒?dòng)思路和步驟以及對(duì)結(jié)論進(jìn)行合理的引導(dǎo)等，對(duì)發(fā)揮跨學(xué)科情境的價(jià)值可以起到很好的作用。

參考文獻(xiàn)：

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