科學(xué)創(chuàng)新人才培養(yǎng)視域下的跨學(xué)科教育

張杰

2020年10月7日，瑞典皇家科學(xué)院常任秘書戈蘭·漢松宣布，將2020年諾貝爾化學(xué)獎授予法國生物化學(xué)家埃馬紐埃爾·卡彭蒂耶（Emmanuelle Charpentier）和美國生物學(xué)家詹妮弗·杜德納（Jennifer Doudna）以表彰她們“開發(fā)出一種基因組編輯方法”。

諾貝爾化學(xué)獎頒給兩位跨學(xué)科研究基因編輯的女生物科學(xué)家這一事件使跨學(xué)科研究再次進(jìn)入大眾視野。有人梳理了20世紀(jì)獲得諾貝爾自然科學(xué)獎的466位頂尖科學(xué)家們的知識背景，發(fā)現(xiàn)具有學(xué)科交叉背景的人數(shù)占比41.63%。特別是20世紀(jì)最后25年，具有交叉學(xué)科背景的獲獎?wù)哒歼@一時段獲獎總?cè)藬?shù)的49.07%?？梢钥闯?，多學(xué)科的知識結(jié)構(gòu)正是創(chuàng)新型人才素質(zhì)的核心要素和顯著特征，打破學(xué)科邊界，進(jìn)行跨學(xué)科人才培養(yǎng)迫在眉睫。在中學(xué)階段，跨學(xué)科教育的研究呼之已出。

跨學(xué)科學(xué)習(xí)與跨學(xué)科教育

從字面上理解，跨學(xué)科即是以往研究中提到的邊緣學(xué)科、交叉學(xué)科。任何一門科學(xué)都有它的跨學(xué)科性質(zhì)，這里的跨學(xué)科（Interdisciplinary），主要是指超越了原學(xué)科界限，正如美國國家科學(xué)院促進(jìn)跨學(xué)科研究委員會給出的解釋：跨學(xué)科是指通過“整合兩個及更多學(xué)科或?qū)I(yè)知識體系的信息、數(shù)據(jù)、技術(shù)、根據(jù)、視角、概念以及理論，以促進(jìn)基礎(chǔ)理解或解決單一學(xué)科或領(lǐng)域難以解決的問題”。

跨學(xué)科教育與傳統(tǒng)學(xué)科教育有著不同的發(fā)展方向和側(cè)重，對于兩者的區(qū)別，中國地質(zhì)大學(xué)校長王焰新進(jìn)行了準(zhǔn)確的概括。他認(rèn)為，傳統(tǒng)的學(xué)科專業(yè)教育是一種縱深式的教育，其教育內(nèi)容是探究該學(xué)科自身的客觀規(guī)律，研究方向是線性的，教育目標(biāo)是培養(yǎng)某一領(lǐng)域的專門人才。而跨學(xué)科教育則是一種橫向的多學(xué)科教育，它雖然也有一定的學(xué)科立足點和側(cè)重點，但研究發(fā)展的方向是橫向的，是在相關(guān)或相近學(xué)科中尋找共同點或矛盾統(tǒng)一點，以建立起相關(guān)的聯(lián)系，解決新的問題，同時發(fā)現(xiàn)新的交叉點和增長點。

中學(xué)階段跨學(xué)科學(xué)習(xí)與教育現(xiàn)狀

從目前深圳市高中教學(xué)內(nèi)容上看，學(xué)科之間的跨界無處不在。比如在地理課上，講解地球正午太陽高度角的概念及計算方法時，會引用立體幾何中的線面角、二面角等相關(guān)知識;講到喀斯特地貌的形成時，會運用化學(xué)反應(yīng)方程式說明該地貌的溶蝕作用;至于環(huán)境保護(hù)這個主題，語文、英語、物理、化學(xué)、生物、地理、歷史、政治學(xué)科幾乎都有涉及。

從深圳市高中課程的設(shè)置上看，其課程內(nèi)容基本沒有體現(xiàn)學(xué)科之間的聯(lián)系共通，仍是采取多學(xué)科分科的學(xué)習(xí)形式。至于初中課程設(shè)置，此前曾開設(shè)過一段時間的跨學(xué)科學(xué)習(xí)課程，將物理、化學(xué)、生物三門學(xué)科合為自然科學(xué)一科，將政治、歷史、地理三門學(xué)科合為社會科學(xué)一科。但隨著高考恢復(fù)單科考試，以及跨學(xué)科教育本身不具有扎實的教學(xué)基礎(chǔ)，初中階段的跨學(xué)科課程也隨之取消。

高考指揮棒下的跨學(xué)科教育

以2021年6月全國新高考中備受矚目的作文題為例，全國新高考Ⅰ卷引用了1917年毛澤東在《新青年》發(fā)表的《體育之研究》一文的片段，可以從中挖掘出哲學(xué)、歷史、政治學(xué)科的主題進(jìn)行寫作。即便是數(shù)學(xué)科目，也具有越來越多的跨學(xué)科色彩：2021年新高考Ⅱ卷第 4 題以北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為試題情境設(shè)計立體幾何題;新高考Ⅰ卷第 18 題以“一帶一 路”知識競賽為試題背景;新高考Ⅰ卷第 16 題以我國傳統(tǒng)剪紙藝術(shù)為背景………

目前，新高考改革正在全國鋪展開來，全國多省份已經(jīng)不分文科理科，或淡化文理分科，從多方面促進(jìn)學(xué)生關(guān)注優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，將所學(xué)知識應(yīng)用于日常生活，關(guān)注科技發(fā)展、社會進(jìn)步，加強人文關(guān)懷。

跨學(xué)科教育在科學(xué)創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的重要性

進(jìn)行科技創(chuàng)新大多需要具有跨學(xué)科學(xué)習(xí)與融合的能力。即便拋開歷年諾貝爾獎獲得者的跨學(xué)科背景不談，在其他領(lǐng)域和范疇中，取得顯著成績者也大多具有跨學(xué)科的知識背景。中學(xué)生在科技發(fā)明、活動創(chuàng)造等很多方面，如若具有跨學(xué)科的知識與融合能力的加持，會更容易取得成績。

2020年第六屆中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽順利舉行，全國報送“萌芽賽道”欄目的近300個作品中僅設(shè)置了20個“創(chuàng)新潛力獎”獎?wù)?，深圳市翠園中學(xué)作品《防燙傷智能安全餐》與《自動飛行救生圈》摘得兩枚，是大賽中唯一獲得雙獎的學(xué)校，筆者剛好是這兩個項目的指導(dǎo)老師。

《防燙傷智能安全餐具》這一作品的選題源于鄧禹同學(xué)觀察到的老人和孩子由于自理能力弱，喂食時容易被食物燙傷的現(xiàn)象。鄧禹同學(xué)在養(yǎng)老院做義工時，看到有些老人生活不能自理，喂食時容易被燙傷;他還看到一則新聞：一個孩子喝水被嚴(yán)重燙傷，住進(jìn)了ICU病房。鄧禹同學(xué)想到，要使老人和孩子進(jìn)食不受傷害，不如設(shè)計一款可以防燙傷的餐具。于是，他以自己掌握的數(shù)理化地政等學(xué)科的知識為基礎(chǔ)，不斷擴(kuò)大知識面，在課余時間又學(xué)習(xí)了編程、開源電子、工程設(shè)計，同時又進(jìn)行了市場調(diào)查，經(jīng)過反復(fù)推敲，升級迭代，歷時近三年終于完成此項目。

該項目通過傳感器感應(yīng)食物溫度，將其進(jìn)行直觀的數(shù)據(jù)化顯示，智能判斷食物是否有燙傷風(fēng)險，并根據(jù)燙傷風(fēng)險程度進(jìn)行相應(yīng)的主動預(yù)警。在參加比賽、進(jìn)行項目研究的過程中，鄧禹同學(xué)的實踐能力、表達(dá)能力、寫作能力、應(yīng)變能力和協(xié)作能力都得到了巨大的提升?？鐚W(xué)科研究極大程度上開拓了鄧禹的思維方式，擴(kuò)展了他的研究視域，這對于他以后思考問題、開展研究具有重要的推動作用，在跨學(xué)科思維的加持下，鄧禹同學(xué)一定可以取得更多成果。

《自動飛行救生圈》項目由馬俊楷同學(xué)負(fù)責(zé)。和鄧禹同學(xué)相似，馬俊楷研發(fā)救生圈的想法也是出于生活經(jīng)歷給自己帶來的啟發(fā)。馬俊楷在夏季去海邊游玩時發(fā)現(xiàn)，夏季是海邊避暑游玩的高峰期，游客眾多，而救生人員和設(shè)備有限，一旦發(fā)生落水事故，救援工作很難開展，成效也不甚理想，于是他產(chǎn)生了空中救援的想法。馬俊楷是我校航模社社長，有五年多無人機的飛行經(jīng)驗。剛開始，他設(shè)想通過無人機拋投救生圈，但多次實驗均以失敗告終。而后，經(jīng)過多方討論，選擇“飛行救生圈”的思路，并進(jìn)行設(shè)計和探索。馬俊楷同學(xué)在SolidWorks軟件上完成了全尺寸概念機的設(shè)計，并進(jìn)行仿真測試，根據(jù)測試結(jié)果，同時考慮到實驗地區(qū)的氣象、水文等特征，最終確定了機載設(shè)備的基本分布。

筆者的這兩個學(xué)生團(tuán)隊在學(xué)習(xí)學(xué)校設(shè)置的課程之外，還在課外學(xué)習(xí)了開源電子、物聯(lián)網(wǎng)、硬件編程、人工智能、數(shù)據(jù)系統(tǒng)、工程設(shè)計、3D打印等知識，并學(xué)以致用，進(jìn)行大量的實驗，收集實驗數(shù)據(jù)，進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查和市場調(diào)研。懷揣人文關(guān)懷和社會責(zé)任，把數(shù)理化地政電美等學(xué)科進(jìn)行融合，最終，三年磨成一劍。

當(dāng)前中國科技仍對國外有一定的依賴性，急需各種科學(xué)研究、科學(xué)創(chuàng)新人才，科教興國勢在必行。國家近幾年更為重視科技創(chuàng)新，一直在積極推動科創(chuàng)人才的培養(yǎng)，高考的指揮棒也在引導(dǎo)對學(xué)生創(chuàng)新實踐思維與能力的培養(yǎng)。科創(chuàng)能力的提高亟需各種跨學(xué)科融合能力強的科研科創(chuàng)人才，這不僅僅是大學(xué)跨學(xué)科教育的任務(wù)，中學(xué)階段的跨學(xué)科教育同樣義不容辭。