基于科學(xué)史的小學(xué)科學(xué)跨學(xué)科概念教學(xué)路徑探析

隨著《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”的頒布，宣告了小學(xué)科學(xué)正式進(jìn)入為素養(yǎng)而教的新時代。新課標(biāo)在課程內(nèi)容板塊明確提出，科學(xué)課程設(shè)置13個學(xué)科核心概念，是所有學(xué)生在義務(wù)教育階段應(yīng)該掌握的科學(xué)課程的核心內(nèi)容，“通過對學(xué)科核心概念的學(xué)習(xí)，理解跨學(xué)科概念”。但怎樣助力學(xué)生在科學(xué)課堂上深入理解跨學(xué)科概念，已然成為擺在一線科學(xué)教師面前的關(guān)鍵研究議題。

新課標(biāo)強調(diào)，引入科技史的素材，讓學(xué)生經(jīng)歷類似的思維過程，有助于學(xué)生了解科學(xué)家解釋自然現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律的過程，同時對深入理解科學(xué)概念，加強學(xué)科關(guān)聯(lián)，開展跨學(xué)科學(xué)習(xí)，形成跨學(xué)科概念具有重要意義[2。鑒于此，本研究基于科學(xué)史，以\"計量時間”單元為例進(jìn)行教學(xué)實踐，探索在本單元教學(xué)中跨學(xué)科概念“穩(wěn)定與變化”的“點一線一面一體”的進(jìn)階路徑。

一、點：活動中融入科學(xué)史，探究實踐，初識概念

概念的認(rèn)識需從具體的一個個“點”起步，遵循由淺入深的原則，逐步朝著更高級的抽象層次邁進(jìn)。科學(xué)具有活動性的特點，教學(xué)活動成為認(rèn)識跨學(xué)科概念的出發(fā)“點”。

1.科學(xué)史實助力，驅(qū)動問題引導(dǎo)，增進(jìn)學(xué)生探究興趣

新課標(biāo)明確指出，科學(xué)學(xué)習(xí)應(yīng)創(chuàng)設(shè)良好的學(xué)習(xí)情境，引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，開展探究實踐活動來促進(jìn)認(rèn)知的深化[3]，為此，教師需融入科學(xué)史創(chuàng)設(shè)活動主題情境。此外，教師還要立足新課標(biāo)，分析教材內(nèi)容，明確將要進(jìn)行的學(xué)習(xí)活動指向的是哪些跨學(xué)科概念，再基于跨學(xué)科概念的要點，轉(zhuǎn)化為融合科學(xué)史實的驅(qū)動問題[4]。

如在“計量時間”單元的“機械擺鐘”一課中，第一個學(xué)習(xí)活動是探究擺的等時性。教師融入科學(xué)史實，創(chuàng)設(shè)意大利科學(xué)家伽利略發(fā)現(xiàn)擺的等時性的活動主題情境。隨后，通過對新課標(biāo)以及教材內(nèi)容的梳理，明確了活動學(xué)習(xí)內(nèi)容指向“穩(wěn)定與變化”這個跨學(xué)科概念。

這一跨學(xué)科概念包含兩個要點：（1）每個系統(tǒng)都在時刻變化著；（2）系統(tǒng)在變化之中又存在相對穩(wěn)定的狀態(tài)[5。由此可以融合活動主題情境，將其轉(zhuǎn)化為兩個關(guān)鍵的探究問題：（1）如果你是伽利略，你覺得吊燈每時每刻都在發(fā)生著哪些變化？（2）你覺得吊燈在變化之中又存在哪些相對穩(wěn)定不變的規(guī)律？

通過兩個關(guān)鍵探究問題組成的問題鏈來引領(lǐng)整個“擺的等時性”的學(xué)習(xí)活動，為學(xué)生初步思考“穩(wěn)定與變化”這一跨學(xué)科概念提供視角和支架，激發(fā)學(xué)生的探究熱情。

2.基于探究實踐，主動發(fā)現(xiàn)知識，完成初始概念認(rèn)知

在探究實踐中，教師需基于科學(xué)史中知識的演進(jìn)邏輯，選定相應(yīng)階段的“阻礙”“方法”“成果”，設(shè)計合理認(rèn)知阻礙，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷相似困惑并開展探究活動[，解決兩個關(guān)鍵探究問題，讓學(xué)生在活動參與中探索并初步認(rèn)知相關(guān)概念。

以“探究擺的等時性”活動為例，以伽利略發(fā)現(xiàn)教堂吊燈擺動的主題情境將學(xué)生帶入學(xué)習(xí)活動，圍繞兩個關(guān)鍵的探究問題開展探究學(xué)習(xí)。首先，面對“吊燈每時每刻都在發(fā)生著哪些變化”的問題，教師引導(dǎo)學(xué)生明確懸掛的吊燈本質(zhì)上就是一個“擺”，學(xué)生經(jīng)過小組討論及教師的引導(dǎo)，歸納出吊燈的位置和速度都在發(fā)生變化，完成了對第一個探究問題的解答。其次，教師根據(jù)伽利略在探索過程中所遇到的“阻礙”、解決問題的“方法”、取得的“成果”設(shè)置子問題，啟發(fā)學(xué)生尋找解決方法，并發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律。學(xué)生借助棉線、螺母等自制一個簡單的擺，使用秒表等工具重復(fù)測量并記錄擺的1分鐘擺動的次數(shù)，最終發(fā)現(xiàn)同一個擺在相同時間內(nèi)擺動次數(shù)相同的科學(xué)結(jié)論，完成了對第二個探究問題的解答。

通過上述活動，學(xué)生已經(jīng)初步發(fā)現(xiàn)了擺的穩(wěn)定與變化之間的邏輯關(guān)系，對跨學(xué)科概念“穩(wěn)定與變化”有了更具體的感知，這為進(jìn)一步深入理解跨學(xué)科概念奠定了堅實的基礎(chǔ)。

二、線：課中梳理科學(xué)史，組織串聯(lián)，理解概念

每一個學(xué)習(xí)活動就是一個具體的案例，一課時通常由2＼～4個學(xué)習(xí)活動組成。將每一課的具體活動串聯(lián)起來，形成一條“線”，就可以讓學(xué)生的思維重走前人的探索之路，基于前人經(jīng)驗快速走過某些階段且不遺漏任何環(huán)節(jié)，深化對跨學(xué)科概念的理解[8

1.橫向關(guān)聯(lián)，梳理科學(xué)史，拓寬跨學(xué)科概念的范疇

同一時代的不同空間上發(fā)生的科學(xué)史事件，具有橫向并列關(guān)系。所謂橫向關(guān)聯(lián)，就是將這些具有橫向并列關(guān)系的活動串聯(lián)起來，從而豐富支持跨學(xué)科概念的具體案例[。在教學(xué)中，教師基于跨學(xué)科概念“穩(wěn)定與變化”的內(nèi)涵要點，融合主題情境將其進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為兩個關(guān)鍵探究問題，引導(dǎo)學(xué)生思考本節(jié)課的活動及相應(yīng)科學(xué)史之間的橫向并列聯(lián)系，從而橫向拓展對跨學(xué)科概念的理解[10]。

例如，在“時間在流逝”一課，教材安排了四個探索活動：在鐘表工其發(fā)明以前，探索人們?nèi)绾卫锰?、圭表、燃香、蠟燭等四種計時工具來計時。這四種我國古代的計時工具的科學(xué)史事件具有橫向并列關(guān)系。基于上述具有并列關(guān)系的科學(xué)史案例，教師可以向?qū)W生提問：（1）這些古人使用的計時工具每時每刻都發(fā)生著哪些變化？（2）這些古人使用的計時工具在變化之中又存在哪些相對穩(wěn)定不變的規(guī)律？學(xué)生基于兩個關(guān)鍵探究問題，將學(xué)習(xí)到的各種計時工具進(jìn)行整理與總結(jié)。經(jīng)過上述串點成線，學(xué)生最終繪制出一條“橫線狀”的課時概念圖[（如圖1）。

經(jīng)過橫向關(guān)聯(lián)，學(xué)生認(rèn)識到這些古人常用的計時工具雖然各不相同且都在不停地變化，但它們都在變化之中存在相對穩(wěn)定的規(guī)律（等時性）。學(xué)生在初步感知的基礎(chǔ)上，拓寬了跨學(xué)科概念“穩(wěn)定與變化”的范疇。

2.縱向深挖，梳理科學(xué)史，深化跨學(xué)科概念的理解

教師可以基于課時學(xué)習(xí)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步縱向延伸，深化對跨學(xué)科概念的理解。所謂縱向深挖，就是從科學(xué)史發(fā)生的不同歷史階段（古代、近代、現(xiàn)代）出發(fā)，逐步深入，理解不同歷史階段的研究對象穩(wěn)定與變化的關(guān)系。

如在“機械擺鐘”一課，導(dǎo)入活動提到了日晷、水鐘、沙漏等，這些計時工具在計時工具科學(xué)史上與機械擺鐘之間具有縱向遞進(jìn)關(guān)系。教師可選擇鐘擺作為案例，搭建學(xué)習(xí)支架，通過實驗、調(diào)查、觀看視頻資源等多種方式，引導(dǎo)學(xué)生從“古代計時工具的穩(wěn)定與變化”“近代計時工具的穩(wěn)定與變化”“現(xiàn)代計時工具的穩(wěn)定與變化”等不同歷史發(fā)展階段思考穩(wěn)定與變化的關(guān)系。

三、面：單元內(nèi)整合科學(xué)史，縱橫貫通，提取概念

跨學(xué)科概念的提取要經(jīng)歷擴展和整合的過程學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，基于科學(xué)史，從整個單元視角出發(fā)，以具體活動案例為起點，在不同課時間橫向關(guān)聯(lián)、縱向深挖，并將縱橫兩條線貫通，厘清概念之間的關(guān)系，逐級往上抽象概括，提取跨學(xué)科概念。

1.縱橫貫通，整合科學(xué)史，提取跨學(xué)科概念

通過課時中一系列活動，以及單元中的一系列課時的學(xué)習(xí)，學(xué)生在活動、課時中積累了大量的科學(xué)史資料和科學(xué)概念。在單元整理課中，教師根據(jù)單元主題創(chuàng)設(shè)單元主題情境，并將由跨學(xué)科概念“穩(wěn)定與變化”的內(nèi)涵要點轉(zhuǎn)化而來的問題與單元主題情境融合，形成關(guān)鍵探究問題。通過問題驅(qū)動，組織學(xué)生以積累的大量科學(xué)史資料和科學(xué)概念為基礎(chǔ)縱橫鋪開，

例如，在“計量時間”單元，單元主題為“了解計時工具的計時方法”。教師可借助惠更斯發(fā)明機械擺鐘的故事創(chuàng)設(shè)單元主題情境，并以關(guān)鍵探究問題：“計時工具每時每刻都在發(fā)生著哪些變化？”“這些變化之中又存在哪些相對穩(wěn)定的規(guī)律？”引領(lǐng)學(xué)生整理思路。以此為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生以整個單元學(xué)習(xí)中積累的概念為基礎(chǔ)，沿著橫向與縱向兩個維度展開，先從起步期層面厘清各類計時工具之間的橫向邏輯關(guān)系，再逐步層層推進(jìn)，構(gòu)畫“計量時間”單元概念圖[12]，在大量豐富案例的支持下，學(xué)生最終提取單元的學(xué)科核心概念“系統(tǒng)在每時每刻都在發(fā)生變化”“系統(tǒng)在變化之中又存在相對穩(wěn)定的狀態(tài)”等，并在此基礎(chǔ)上提取跨學(xué)科概念“穩(wěn)定與變化”

學(xué)生通過構(gòu)畫“計量時間”的單元概念圖（如圖2），發(fā)現(xiàn)各類計時工具雖然都在不停地發(fā)生變化，但都在變化之中又存在相對穩(wěn)定的狀態(tài)，形成了對“系統(tǒng)的穩(wěn)定與變化”等學(xué)科核心概念的深度理解。

2.抽象概括，整合科學(xué)史，提取跨學(xué)科概念從計時工具領(lǐng)域拓寬到其他領(lǐng)域，升華跨學(xué)科概念學(xué)生通過縱橫貫通的方法，厘清并繪制了單元概！“穩(wěn)定與變化”。

學(xué)生以概念圖的形式，將本單元所有概念的層級分布、邏輯關(guān)系清晰地呈現(xiàn)了出來，學(xué)生的思路得以厘清，升華了對跨學(xué)科概念“穩(wěn)定與變化”的理解。此外，跨學(xué)科概念具有極大遷移價值，學(xué)生可利用跨學(xué)科概念進(jìn)行單元外遷移應(yīng)用，為知識的內(nèi)化做好準(zhǔn)備。

四、體：單元外關(guān)聯(lián)學(xué)科史，遷移應(yīng)用，內(nèi)化概念

掌握跨學(xué)科概念的過程起始于具體的活動經(jīng)驗，隨后通過不斷地總結(jié)概括，逐步掌握抽象的跨學(xué)科概念，接著通過豐富的學(xué)習(xí)形式將跨科學(xué)概念與新的真實情境相互鏈接，形成“體”。

1.在同一學(xué)科史間遷移應(yīng)用，關(guān)聯(lián)科學(xué)史，內(nèi)化跨學(xué)科概念

在科學(xué)學(xué)科內(nèi)，可將跨學(xué)科概念應(yīng)用到不同學(xué)段的對應(yīng)單元，解決真實問題。如在學(xué)習(xí)完“計量時間”單元后，學(xué)生掌握了“穩(wěn)定與變化”跨學(xué)科概念，便可以將其應(yīng)用到后面“生物與環(huán)境”單元，理解“雖然食物鏈中生物的數(shù)量在不斷發(fā)生變化，但能量在食物鏈傳遞過程中都遵守逐級遞減的十分之一定律（1942年美國生態(tài)學(xué)家林德曼通過對賽達(dá)伯格湖生態(tài)系統(tǒng)的研究提出）“生態(tài)系統(tǒng)的溫度、氣候、光照等都在不斷發(fā)生變化，但組成成分、能量流動規(guī)律等都保持穩(wěn)定（生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)發(fā)展史），從而深化對跨學(xué)科概念“穩(wěn)定與變化”的理解，內(nèi)化跨學(xué)科概念。

2.在不同學(xué)科史間遷移應(yīng)用，關(guān)聯(lián)科學(xué)史，內(nèi)化跨學(xué)科概念

學(xué)生通過對跨學(xué)科概念在不同學(xué)科史上的遷移應(yīng)用，感悟自古以來科學(xué)與其他學(xué)科之間的發(fā)展關(guān)系以及相互促進(jìn)作用，內(nèi)化跨學(xué)科概念。如教師為學(xué)生提供機械擺鐘發(fā)明前天文學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展史（如開普勒發(fā)現(xiàn)行星運動的三大定律），引導(dǎo)學(xué)生了解天文學(xué)的發(fā)展對精確時間測量提出了迫切的需求，理解天體運動的穩(wěn)定與變化。又如學(xué)生了解到17世紀(jì)的歐洲正處于從封建社會向資本主義社會的過渡時期，隨著資本主義經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工廠制度逐漸興起，對時間的精確管理變得越來越重要，基于經(jīng)濟(jì)發(fā)展史理解經(jīng)濟(jì)雖然在不斷變化，但都會經(jīng)歷繁榮、衰退、蕭條和復(fù)蘇四個階段等。學(xué)生通過將跨學(xué)科概念與真實世界的其他學(xué)科歷史相聯(lián)系，進(jìn)行關(guān)聯(lián)比較，最終內(nèi)化跨學(xué)科概念。

基于跨學(xué)科概念“穩(wěn)定與變化”的內(nèi)涵，將跨學(xué)科概念轉(zhuǎn)化為關(guān)鍵問題，并與相應(yīng)的科學(xué)史主題情境相融合，形成關(guān)鍵探究問題，引導(dǎo)學(xué)生在“活動中、課時中、單元內(nèi)、單元外”四個學(xué)習(xí)進(jìn)階過程中，感悟科學(xué)史與其他學(xué)科的相互促進(jìn)關(guān)系，深度理解科學(xué)概念的演進(jìn)歷程。同時，學(xué)生在此過程中逐漸深化對跨學(xué)科概念的認(rèn)知，并應(yīng)用于真實情境，培養(yǎng)核心素養(yǎng)。

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跨學(xué)科概念是連通學(xué)校學(xué)習(xí)和現(xiàn)實生活的橋梁。

[責(zé)任編輯：郭振玲]