小學(xué)科學(xué)“結(jié)構(gòu)與功能”跨學(xué)科概念的建構(gòu)

摘 要：“結(jié)構(gòu)與功能”跨學(xué)科概念是學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的基礎(chǔ)，其建構(gòu)過程是學(xué)生形成科學(xué)思維方式的重要途徑，需注重正逆思維的合理選用、縱橫建模的綜合考量與規(guī)范循證的真實(shí)呈現(xiàn)。教學(xué)中，以核心問題為驅(qū)動(dòng)，通過觀察、比較與分析、歸納與概括等方法的綜合運(yùn)用進(jìn)行逐級(jí)建模，聚焦概念的生成與理解；再以核心問題為導(dǎo)向，進(jìn)行真實(shí)規(guī)范的循證研究，凸顯概念的內(nèi)化與遷移。

關(guān)鍵詞：小學(xué)科學(xué)；結(jié)構(gòu)與功能；跨學(xué)科概念；建模；循證研究

*本文系國(guó)家社科基金教育學(xué)一般課題“數(shù)字教育背景下小學(xué)生創(chuàng)造性學(xué)習(xí)的發(fā)生機(jī)制與培育模式研究”（批準(zhǔn)號(hào)：BHA240244）的階段性研究成果。

為了使知識(shí)在各種科學(xué)實(shí)踐情境中變得可用，學(xué)生需要建立一個(gè)以關(guān)鍵觀點(diǎn)或概念（大概念）為中心、相互連接良好的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。這樣的知識(shí)組織可以幫助學(xué)生在不同的情境中激活和調(diào)用相關(guān)概念，從而解決問題并作出決策。事實(shí)上，在各國(guó)的科學(xué)課程改革中，這種關(guān)于學(xué)習(xí)的觀點(diǎn)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。各國(guó)的科學(xué)新課程都強(qiáng)調(diào)了學(xué)生在科學(xué)學(xué)習(xí)中最需要理解的關(guān)鍵概念（如德國(guó)自然科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中的“基本概念”，美國(guó)《K-12年級(jí)科學(xué)教育框架》中的“跨學(xué)科概念”），以及圍繞這些概念組織知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，加強(qiáng)知識(shí)間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，促進(jìn)知識(shí)結(jié)構(gòu)化的重要性。^［1］同樣地，我國(guó)《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）凝練了“系統(tǒng)與模型”“物質(zhì)與能量”“結(jié)構(gòu)與功能”“穩(wěn)定與變化”4個(gè)跨學(xué)科概念，與13個(gè)學(xué)科核心概念一起，構(gòu)成了義務(wù)教育科學(xué)課程的主體內(nèi)容。^［2］本文主要聚焦“結(jié)構(gòu)與功能”這一跨學(xué)科概念，分享一些思考。

一、“結(jié)構(gòu)與功能”跨學(xué)科概念的內(nèi)涵及具體體現(xiàn)

“結(jié)構(gòu)”是物體或系統(tǒng)的內(nèi)部組織和構(gòu)造方式，“功能”是這些結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出的作用或效能。功能可以用結(jié)構(gòu)來解釋，結(jié)構(gòu)可以通過功能進(jìn)行推測(cè)，兩者相統(tǒng)一，是系統(tǒng)的兩個(gè)互補(bǔ)方面。

“結(jié)構(gòu)與功能”跨學(xué)科概念在多個(gè)領(lǐng)域中均有運(yùn)用：在生物科學(xué)中，生物體的結(jié)構(gòu)與其功能密切相關(guān)，如魚鰓的結(jié)構(gòu)使魚具有了在水下呼吸的本領(lǐng)；在物質(zhì)科學(xué)中，物體的結(jié)構(gòu)決定了其物理性質(zhì)和功能，如根據(jù)物體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，分離兩種混合在一起的物體；在技術(shù)與工程中，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品預(yù)期功能的關(guān)鍵?！敖Y(jié)構(gòu)與功能”跨學(xué)科概念是小學(xué)階段學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的基礎(chǔ)，是學(xué)生形成用科學(xué)的眼光看待問題、分析問題、解決問題這樣的科學(xué)思維的重要途徑，也是學(xué)生進(jìn)行知識(shí)遷移與應(yīng)用的重要手段。

梳理新課標(biāo)及小學(xué)科學(xué)教材（以蘇教版為例）中的相關(guān)內(nèi)容，我們可以發(fā)現(xiàn)，“結(jié)構(gòu)與功能”跨學(xué)科概念在學(xué)科核心概念及具體教學(xué)內(nèi)容中均有體現(xiàn)（詳見表1）。

二、建構(gòu)“結(jié)構(gòu)與功能”跨學(xué)科概念的邏輯向度

以建構(gòu)“結(jié)構(gòu)與功能”跨學(xué)科概念為目標(biāo)的科學(xué)教學(xué)，需要基于以下邏輯進(jìn)行合理考量與設(shè)計(jì)。

（一）正逆思維的合理選用

“結(jié)構(gòu)”與“功能”是相輔相成的兩個(gè)概念，同步結(jié)合于生物體（物質(zhì)）中：一方面，基于生物體（物質(zhì)）呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)特征，可以用來解釋功能；另一方面，根據(jù)生物體（物質(zhì)）表現(xiàn)

出的功能，可以推測(cè)其內(nèi)部無法直接觀察的結(jié)構(gòu)。基于此，在建構(gòu)“結(jié)構(gòu)與功能”跨學(xué)科概念時(shí)，教師應(yīng)依據(jù)學(xué)生認(rèn)知與教學(xué)實(shí)際，合理選用從結(jié)構(gòu)到功能或從功能到結(jié)構(gòu)的思維方式。如有必要，可以兩者兼有，但應(yīng)做好合理配置。

（二）縱橫建模的綜合考量

對(duì)生物體（物質(zhì)）進(jìn)行建模是建構(gòu)“結(jié)構(gòu)與功能”跨學(xué)科概念的基礎(chǔ)，需要綜合考量橫向聯(lián)結(jié)與縱向抽象的思維邏輯?；趯?duì)生物體（物質(zhì)）的多維觀察，通過梳理多種結(jié)構(gòu)的共同功能，達(dá)成橫向聯(lián)結(jié)，并進(jìn)行思維與方法的遷移，初步形成對(duì)生物體（物質(zhì)）的整體印象；再基于對(duì)生物體（物質(zhì)）結(jié)構(gòu)與功能散點(diǎn)認(rèn)知的概括性理解，包含比較與分析、歸納與概括等，達(dá)成縱向抽象，逐步建構(gòu)、優(yōu)化生物體（物質(zhì)）的模型。

（三）規(guī)范循證的真實(shí)呈現(xiàn)

在建構(gòu)跨學(xué)科概念的過程中，規(guī)范真實(shí)的循證研究，是內(nèi)化與拓寬概念理解的必由之路。規(guī)范真實(shí)的循證研究應(yīng)呈現(xiàn)基于真實(shí)而系統(tǒng)推進(jìn)的樣態(tài)：學(xué)生在真實(shí)的情境中，基于真實(shí)的起點(diǎn)與證據(jù)，借助真實(shí)的學(xué)習(xí)支架，開展真實(shí)的數(shù)據(jù)收集與分析，呈現(xiàn)真實(shí)的系統(tǒng)論證過程。

三、建構(gòu)“結(jié)構(gòu)與功能”跨學(xué)科概念的實(shí)踐路徑

教學(xué)中，我們可以從“建模”與“循證”兩個(gè)維度引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)“結(jié)構(gòu)與功能”跨學(xué)科概念（如圖1所示）。下面，以蘇教版小學(xué)科學(xué)四年級(jí)上冊(cè)《鳥類》一課為例，具體闡述相關(guān)實(shí)踐。

（一）建模架構(gòu)：概念的生成與理解

一個(gè)物體的結(jié)構(gòu)決定了其可能的功能，而功能又往往反映了結(jié)構(gòu)的某些特性。因此，對(duì)物體的結(jié)構(gòu)建立初步的模型，是形成“結(jié)構(gòu)與功能”跨學(xué)科概念的基礎(chǔ)。建立物體的模型，以形成對(duì)某一類別物體的概念，重點(diǎn)在于“能夠描述某一類物體的共同特征”。例如，要想理解鳥類結(jié)構(gòu)及其功能之間的關(guān)系，學(xué)生首先要了解鳥類的共同特征，其中涉及觀察、比較、分析、概括、歸納等多種思維活動(dòng)。

1.觀察

充分的觀察是獲得科學(xué)證據(jù)最直接的方式，更是學(xué)生科學(xué)思維發(fā)生的起點(diǎn)。

《鳥類》一課的開篇即以觀察動(dòng)物園的視頻和圖片引入，讓學(xué)生初步識(shí)別鳥類和其他動(dòng)物的區(qū)別，將學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)結(jié)構(gòu)化，以此作為“鳥類”概念發(fā)展的基石。

隨后，教師通過核心問題“請(qǐng)你仔細(xì)觀察，把它們的共同點(diǎn)寫在記錄單上”“這兩種羽毛對(duì)鳥類有什么作用？”“看一看這些喙分別是什么樣子的，想一想，它們分別適合吃什么樣的食物？”引出本課三個(gè)重要的觀察活動(dòng)：觀察并記錄五種鳥的共同點(diǎn)；觀察鳥類羽毛的特征，進(jìn)而推理出其作用；遷移應(yīng)用羽毛的研究方法，觀察不同鳥喙的結(jié)構(gòu)，推理其食性。三個(gè)觀察活動(dòng)由淺入深，以觀察為起點(diǎn)，逐步開展比較、分析、歸納、概括等思維活動(dòng)，避免了活動(dòng)內(nèi)容的碎片化。

2.比較與分析

學(xué)生在研究一種物體的共同特征時(shí)，通常會(huì)帶著對(duì)這個(gè)物體的前概念。他們可能對(duì)這個(gè)物體很熟悉或者知道它的一些特點(diǎn)，但這些零散的、不系統(tǒng)的前概念，不足以支撐學(xué)生建立起這個(gè)物體的概念模型，還需要進(jìn)一步的比較與分析。

分析是將一個(gè)復(fù)雜的事物、現(xiàn)象或問題拆解成其組成部分或基本元素，以便更好地理解其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、功能或原因的過程。學(xué)生在研究鳥類的共同特征時(shí)，需要將鳥這個(gè)整體分解為頭、軀干、翅膀、足、尾巴、鳥喙、羽毛等各個(gè)部分，通過比較發(fā)現(xiàn)對(duì)象之間的異同，進(jìn)而確定鳥類的分類標(biāo)準(zhǔn)，初步建構(gòu)出鳥類共同特征的模型。這么多共同特征中，哪些是鳥類特有的呢？學(xué)生再一次運(yùn)用比較、分析的思維方法，消解“會(huì)飛是鳥類的本質(zhì)特征”這一錯(cuò)誤前概念，加深對(duì)鳥類特征的理解，也為接下來進(jìn)一步研究羽毛和鳥喙“結(jié)構(gòu)”與“功能”的聯(lián)結(jié)做了鋪墊。

3.歸納與概括

歸納與概括是兩種常用于整理信息、提煉要點(diǎn)和形成結(jié)論的思維方法。歸納是一種從個(gè)別到一般的推理方法，即通過觀察、分析一系列具體事例或現(xiàn)象，提煉出它們之間的共同特征或規(guī)律，從而得出一般性的結(jié)論或原理。概括是一種將復(fù)雜信息或長(zhǎng)文本提煉為簡(jiǎn)短表述的過程，旨在保留關(guān)鍵信息，去除修飾和細(xì)節(jié)。

通過比較與分析，學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)關(guān)于鳥類的諸多特征，但是課堂上給出的觀察材料只是有限的幾種鳥類，還需要學(xué)生通過小組討論和匯報(bào)，從五種鳥的具體特征中提煉有效信息，概括歸納出鳥類的共同特征（如羽毛、喙等），從而從具體走向抽象，優(yōu)化鳥類特征的模型。

需要注意的是，以上幾種方法不是獨(dú)立存在的，而是在模型建構(gòu)時(shí)綜合運(yùn)用的。建構(gòu)跨學(xué)科概念時(shí)，還需要根據(jù)實(shí)際情況引導(dǎo)學(xué)生合理運(yùn)用正逆思維理解概念，對(duì)問題進(jìn)行全面而深入的分析；同時(shí)，綜合考量橫向聯(lián)結(jié)與縱向抽象的思維邏輯，在逐級(jí)建構(gòu)中不斷調(diào)整和優(yōu)化模型。

（二）循證探究：概念的內(nèi)化與遷移

“循證”一詞源自醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，其含義是“遵循證據(jù)”，強(qiáng)調(diào)基于可靠的數(shù)據(jù)、研究或經(jīng)驗(yàn)來制定策略?！而B類》一課的第二個(gè)探究活動(dòng)“搜集信息，分析解釋鳥類羽毛的結(jié)構(gòu)特征和作用”，既是對(duì)鳥類特征模型的深化研究，也是一次典型的基于真實(shí)證據(jù)的循證探究。學(xué)生通過多方面的證據(jù)支持，理解鳥類羽毛結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性及其對(duì)鳥類生存的重要性，建立結(jié)構(gòu)與功能的有效連接，深化對(duì)鳥類特征的理解。

1.循證起點(diǎn)

以問題為導(dǎo)向，是循證的起點(diǎn)。只有明確了問題，才能有針對(duì)性地收集和分析證據(jù)，從而找到解決問題的方法。

首先，教師讓學(xué)生觀察、分類，了解正羽、絨羽的羽毛結(jié)構(gòu)；接著，從“這兩種羽毛對(duì)鳥類有什么作用？”這一核心問題出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生自主思考并產(chǎn)生探究欲望。

2.循證支持

循證研究強(qiáng)調(diào)基于證據(jù)進(jìn)行決策和實(shí)踐，而證據(jù)往往來源于對(duì)實(shí)際現(xiàn)象的觀察和對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析。在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，豐富真實(shí)的循證材料可以為學(xué)生提供觀察和實(shí)驗(yàn)的對(duì)象，使他們直接接觸到科學(xué)現(xiàn)象，從而收集到有價(jià)值的數(shù)據(jù)和證據(jù)，為后續(xù)整理、分析、解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供支持。這些材料不僅包括各種實(shí)驗(yàn)器材、試劑和工具，還包括與課程內(nèi)容相關(guān)的實(shí)物、模型、圖片、視頻等多媒體資源。

在研究羽毛的結(jié)構(gòu)和功能時(shí)，教師提供了三種鳥的正羽、絨羽實(shí)物以及鴿子、鴨子和鵪鶉的活體等真實(shí)可感的觀察對(duì)象作為循證材料，還提供了剪刀、滴管、水、放大鏡等多樣化的工具。學(xué)生通過直觀觀察、分類、記錄等方式收集第一手資料，既滿足了制定個(gè)性化探究方案的需求，也有助于教師全面評(píng)估學(xué)生觀點(diǎn)的可靠性、有效性，為后續(xù)的探究和推理提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.循證推理

學(xué)生在科學(xué)探究時(shí)根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)和證據(jù)進(jìn)行循證推理是一個(gè)復(fù)雜而系統(tǒng)的過程。在收集到數(shù)據(jù)和證據(jù)后，學(xué)生要將數(shù)據(jù)和證據(jù)按照性質(zhì)、來源或相關(guān)性進(jìn)行分類整理；然后，基于已有數(shù)據(jù)和證據(jù)，運(yùn)用科學(xué)思維和邏輯推理方法，推導(dǎo)出新結(jié)論或新觀點(diǎn)；同時(shí)，確保推理過程中所使用的證據(jù)充分、可靠，并能夠有效地支持所得出的結(jié)論。

在《鳥類》一課教學(xué)中，教師為學(xué)生的循證推理設(shè)計(jì)了一個(gè)真實(shí)的重要線索——三折頁記錄單?！叭垌摗?，顧名思義，是將一張較大的紙張折疊兩次后形成的具有三個(gè)頁面的記錄工具?！而B類》一課“三折頁記錄單”的三欄內(nèi)容分別為不同羽毛的“生長(zhǎng)位置”“羽毛特點(diǎn)”“作用”（如圖2所示）?？v向來看，學(xué)生可以方便地對(duì)比不同來源的數(shù)據(jù)和證據(jù)；橫向來看，學(xué)生可以直觀展示觀點(diǎn)（“作用”一欄）和證據(jù)（“生長(zhǎng)位置”“羽毛特點(diǎn)”兩欄）之間的關(guān)系，從而更利于“結(jié)構(gòu)與功能”跨學(xué)科概念的建構(gòu)。

通過循證推理，可以確保學(xué)生能夠系統(tǒng)記錄和整理觀察結(jié)果，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和信息整合能力。這也將學(xué)生的觀察結(jié)果和推理過程可視化地呈現(xiàn)出來，促使學(xué)生的思維走向深度。

4.證據(jù)呈現(xiàn)與論證

真實(shí)證據(jù)的呈現(xiàn)與論證，通?？梢园凑铡蔼?dú)立思考→小組討論→全班研討”的流程來進(jìn)行。獨(dú)立思考階段，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生依靠證據(jù)和推理，對(duì)問題進(jìn)行深入思考與分析，形成個(gè)人對(duì)問題的初步理解。這些見解可能是片面、不完全準(zhǔn)確的，但恰恰能為后續(xù)的研討提供重要的學(xué)習(xí)資源。小組討論階段，應(yīng)允許學(xué)生大膽分享他們的見解，從而引發(fā)學(xué)生的思維碰撞與融合，引導(dǎo)學(xué)生從不同角度看待問題，補(bǔ)充和糾正原有認(rèn)知。全班研討階段，應(yīng)為學(xué)生提供一個(gè)展示小組討論成果的交流平臺(tái)。教師可根據(jù)學(xué)生的匯報(bào)相機(jī)板書，將關(guān)鍵信息和證據(jù)進(jìn)行提煉與呈現(xiàn)，在師生共商中，達(dá)成共識(shí)。

《鳥類》一課中，學(xué)生通過獨(dú)立思考和研討，得出了“正羽更輕，更利于飛行；絨羽貼在鳥類身體上，可以保暖”等結(jié)論。這些結(jié)論是基于真實(shí)的實(shí)證材料和邏輯推理得出的，具有較強(qiáng)的科學(xué)性和說服力。

在研究羽毛的結(jié)構(gòu)與功能時(shí)，教師通過提供的材料（如剪刀、滴管、水、放大鏡等）啟發(fā)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行推理分析，探究羽毛結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、數(shù)據(jù)分析能力和解決問題能力。此外，教師精心設(shè)計(jì)了多種記錄工具（氣泡圖、三折頁、表格等），給學(xué)生思維發(fā)展搭建了合適的腳手架：氣泡圖能凸顯鳥類的共同特點(diǎn)，三折頁和表格能建立起結(jié)構(gòu)與功能的緊密聯(lián)系，將學(xué)生的思維歷程進(jìn)一步優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

［1］武倩，裴新寧.利用跨學(xué)科概念促進(jìn)科學(xué)學(xué)習(xí)——基于美國(guó)與德國(guó)科學(xué)課程相關(guān)文本分析［J］.比較教育學(xué)報(bào)，2024（6）：163.

［2］中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：16.