基于项目式学习的科学教育领域跨学科概念建构

王愉鑫

(1.北京师范大学 教育学部,北京 100875; 2.四川省教育科学研究院,四川 成都 610225)

面对充满复杂性、模糊性和不确定性的智能时代,科技创新更加依赖学科融合。因此,科学教育更要重视学科融合,强调科学探究与实践,关注跨学科概念的理解与建构,以情境化方式促进学生科学素养的发展。《义务教育科学课程标准(2022年版)》《义务教育生物学课程标准(2022年版)》明确提出了物质与能量、结构与功能、系统与模型、稳定与变化、尺度比例、模式等跨学科概念。[1-2]跨学科概念因具有统整性和跨学科性,更需要在跨学科学习的情境下进行深度建构和拓展迁移。然而,在当下分科教学的现实背景下,跨学科概念的建构更多依赖不同学科的教学,缺少让学生在真实的问题情境中感悟、理解并迁移跨学科概念的融合性学习机会。项目式学习作为跨学科学习的一种重要方式,能够很好地突破学科壁垒,促进跨学科概念的深度建构与迁移。

一、跨学科概念的内涵及建构

(一)跨学科概念的内涵

跨学科概念常常联结多个领域的学科核心概念,是和学科核心概念同等级的知识概念。跨学科概念具有双重地位,它们不仅是各个学科的核心概念,而且超越学科边界,在多个学科中反复出现,广泛联系各个学科的核心概念,并且对多个学科具有解释力,具有高度的归纳性和抽象性。[3]从科学教育的视角而言,跨学科概念是指物质科学、生命科学、地球与宇宙科学、工程与技术科学等领域都涉及的共同的重要概念。例如“物质与能量”“稳定与变化”这两个跨学科概念涉及物质科学领域和生命科学领域,“既是‘物质的结构与性质’和‘物质的变化与化学反应’这两个核心概念的跨学科概念,又是‘生物体的稳态与调节’‘生物与环境关系’这两个核心概念的跨学科概念。”[4]学生通过这些跨学科概念,“可以更好地理解和掌握不同领域的学科和学科之间概念、原理、思想方法和内容之间的逻辑关系,理解和把握跨领域学习内容之间的互通性认知”[4],也可以在科学探究和实践应用中丰富对科学核心概念的理解。

(二)跨学科概念的功能

跨学科概念是一个典型的上位概念,是超出学科界限的共通性知识,因其具有高度的概括性常常被视为概念学习的先行组织者。通过分析“美国下一代科学教育标准”提出的跨学科概念,笔者发现跨学科概念具有以下特殊的功能。

一是跨学科概念是科学理解的基础,可以为学生提供在不同领域跨学科内容之间建立联系和思考的工具,在物理、化学、生物、地理等学科中都适用。例如,应用“物质与能量”概念深入探究食物链、生态系统、能量转换等内容,探究其中的能量流动与物质转化规律,形成整体的理解框架。这超越了生物学、化学与物理学的界限,实现了知识的跨学科整合与理解。

二是跨学科概念可以为学生提供观察和分析复杂知识系统的视角和思维工具,帮助学生更深入地理解不同学科之间概念、原理、思想方法的逻辑关系。例如,应用“系统与模型”概念可以探究生态系统、行星系统与人体系统,理解系统之间的共通规律。这有助于学生在认知上形成整体性与连贯性,避免因学科分隔产生的认知碎片化。

三是跨学科概念有助于学生理解科学的本质,深化对学科核心概念的理解与应用。[3]例如,应用“结构与功能”概念深入理解生物体的结构与功能相适应,化学分子结构决定其分子性能,地理结构特征与地理气候相适应等学科核心概念。可见,跨学科概念在帮助学生理解科学本质的同时,也促进了学生对相关学科核心概念的深度理解。

四是跨学科概念可以将学习内容与实际生活和社会紧密联系,将学校知识与学生生活经验相联系,提高学生的学习兴趣和动机。例如,应用“系统与模型”概念学习呼吸系统时,教师可以设计让学生制作呼吸系统模型的项目,提升学生的学习动机,深入理解呼吸系统模型在其他学科与生产生活中的应用。

(三)跨学科概念的建构

跨学科概念的建构是指通过科学学科的分科学习或者融合学习,学生在科学探究与实践中逐步形成对跨学科概念的深度理解,能够运用跨学科概念解释相关的科学现象或规律。目前跨学科概念的建构一般可以通过以下两种途径。一是通过不同学科的核心概念教学和实践,理解并抽象形成跨学科概念。例如,通过学习生物学,认识到生态系统具有一定的自我调节能力,在一定范围内可以通过自我调节保持相对稳定,进而理解并建构起“稳定与变化”的跨学科概念;还可以通过学习物理学中水的三态变化,理解水在标准大气压100摄氏度以下稳定为液态,水分子运动随温度升高越来越剧烈,达到100摄氏度后水分子就会汽化,借此形成“稳定与变化”的跨学科概念。二是通过学科融合式的跨学科学习,从超越学科的视角更加系统地理解和运用跨学科概念解释具有共性的科学现象。例如,在“探寻地球上的水循环”的项目式学习中,学生需要综合考虑地势、气候、海拔、温度、植被等多种因素对水循环的影响,深度整合地理、物理、生物、化学等自然科学课程,在多学科融合的真实情境下的建构起“稳定与变化”跨学科概念。

跨学科概念是从多个学科核心概念中抽象归纳出的上位概念。在基础教育分科教学为主的现实背景下,学生的跨学科概念建构更多的是基于分科学习,缺少跨学科整合的真实学习情境。因此,我们希望能够联系学生的生活实际,以学生熟悉的事例和实践过程为基点,引导学生在真实情境中结合自身体验,逐渐理解、习得、建构跨学科概念。[5]

二、项目式学习对促进跨学科概念建构的价值

项目式学习既是一种教学理念,也是一种教与学模式,它以学生为中心,通过聚焦复杂真实的问题,开展一定周期的探究与合作学习,完成项目并形成项目成果,使学生获得知识、能力、素养的全方面发展。项目式学习倡导教师引领学生在真实情境中通过跨学科学习、合作学习、可持续深入探究等方式解决复杂问题、发展核心素养、习得跨学科知识。在项目式学习过程中,学生要对核心知识和学习历程产生深刻理解,并能够在新情境中进行迁移。[6]31

项目式学习作为一种课程理念、教学方式、学习方式、课程形态,具有一定的操作范式和流程,呈现为动态的学习过程。而跨学科概念作为一种超越学科具有更广泛解释力的通识性概念,本身具有静态知识的特征。二者在本质上具有共同性:一是在价值追求上具有一致性,都致力于解决现实世界的真实、复杂问题,发展学生的核心素养;二是在内容统整上具有一致性,都关注跨学科的知识、概念和技能的整合;三是在学习方式上具有一致性,都鼓励学生在真实情境下整体认识理解世界,注重学习的情境性;四是对学习成效的追求具有一致性,关注学生直接经验的获得、深化与拓展。

项目式学习在学生跨学科概念建构中具有独特的价值。(1)项目式学习主张解决现实世界的真实问题,而现实世界的问题往往都是复杂的、综合的,不是一门学科可以独立解决,需要多门学科知识、概念和方法深度整合,这是目前分科教学所欠缺的,所以项目式学习与跨学科概念建构有着相通的理念。(2)项目式学习主张将学科核心概念进行系统化的迁移应用,从而实现深度学习,而跨学科概念的理解与建构离不开学科核心概念的支持,是对不同学科核心概念的整合和提炼,因此二者在方法上是相通的。(3)项目式学习在本质上是师生共同参与的实践活动,是建立科学与生活的联系的桥梁,而跨学科概念因其对科学现象具有普遍解释力,更需要这样的实践活动来帮助学生在真实项目活动中实现对知识与生活问题的感知和理解,因此二者在价值上是相通的。

三、基于项目式学习促进跨学科概念建构的实践策略

跨学科概念的建构基础是:基于学科、超越学科、融合学科。只有在多学科融合的学习中才能帮助学生深度构建跨学科概念,而项目式学习的本质特点就是基于问题解决的跨学科实践活动。[7]因此,项目式学习可以帮助学生在真实的学科融合情境中深度建构和迁移跨学科概念。

(一)基于项目式学习的驱动问题,启动跨学科概念的逻辑分析

在项目式学习活动中,驱动问题是指能够驱动学生参与项目,且促使项目有序开展并最终促进产品产出的问题。[8]一个主驱动问题往往是从本质问题中延伸出来,或者直接来自学生感兴趣的现实问题,同时还可以再细分为多个分解问题。一个优质的驱动问题一般具备以下特点:反映学科的核心知识;能实现多学科的融合协作;激发学生的求知实践欲望;能引发学生的高阶思维;引领项目开展的方向和成果产出。因此,高质量的驱动问题可以帮助学生深刻理解和把握核心知识和关键能力,促进学生对概念的深度理解,实现跨越情境的迁移,使学生在新情境中创造出新知识。[6]57

项目式学习的驱动问题往往具有高度综合性,需要联动多学科知识,这就需要学生启动跨学科概念的逻辑进行问题分析。驱动问题的提出可以由师生共同讨论交流而产生,需要学生从学科融合的视角来思考和发现问题。例如,关于“如何健康饮水”这个驱动问题,就是学生和教师共同讨论得出的。在思考这一问题的过程中,开始学生聚焦“喝饮料是否健康”(重在关注生物学健康生活)、“饮料有哪些成分”(重在关注化学)、“人体需要什么样的水”(重在关注生物学人体的营养物质、内环境)等问题,这些问题过于聚焦某个学科核心概念,没有从跨学科的综合视角进行逻辑思考。因此,教师引导学生思考无论喝什么样的水、怎样喝水都要考虑的核心问题是“健康”,需要从“健康”这个本质出发来系统考虑“喝什么水”“怎么喝水”“何时喝水”等问题,于是学生运用“系统”这一跨学科概念综合考虑饮水成分、饮水方法、饮水时间等问题,进而提出了“如何健康饮水”这一驱动问题,而这个驱动问题就有了跨学科概念建构的特征。

由此看出,项目式学习提出驱动问题的环节,既培养学生发现问题的意识,也能锻炼学生综合思考分析归纳出研究问题的能力。发现并提出有价值的研究问题的过程可以激发学生运用跨学科概念的逻辑进行思考和分析,提出更加综合、上位、有研究价值的现实问题。

(二)基于项目式学习的真实情境,感悟跨学科概念的本质特点

项目式学习的一大特点就是强调情境的真实性,即学习环境、问题和挑战都是真实存在的;学习任务是真实的,学生的实践任务、探究活动、运用的工具等是真实的;项目所产生的影响是真实的,学生提出的计划、宣传口号、实物产品等能够真实呈现且对身边的人产生影响,让学生能够感受到付出的意义。鉴于项目式学习情境的真实性和复杂性,学生能够真切感受并全情投入运用知识解决问题、习得知识、发展思维、提升素养这一过程。

跨学科概念本身高度抽象,很难给学生进行具体的解释和讲解,往往需要在真实的情境中让学生进行感悟。例如,在进行“如何打造美的云端花园”这个项目中,学生在不同情境下化身不同角色进行项目探究。首先,学生化身小小“调研员”,实地勘测和调查天台的面积、方位、坡度、光照、风向等环境因素,在现实测量调查情境中感知“尺度”“比例”等跨学科概念。其次,化身“设计师”,自主设计天台花园,规划不同的植被分区、植物搭配等;学生需要将现实的测量数据按一定比例转化成平面图或立体沙盘,运用“比例”的跨学科概念选择合适的比例尺架构设计图,同时还需要考虑对光照、水分需求不同的植物如何分区和搭配。再次,化身“园艺师”,亲自翻土、撒种、移栽,养护天台花园,在浇水、施肥、除草的过程中思考植物如何利用环境中的无机物合成有机物、合成的有机物又会去向哪里、花园的生机盎然还需要哪些生物的参与等问题,进而更深入地理解“物质与能量”“系统”等跨学科概念。最后,化身“架构师”,向公众推荐和宣传天台花园的建设过程及收获感悟。在对整个花园打造过程的回顾反思环节,学生自然而然地会运用“系统”这一跨学科概念解释花园生态系统的建设及运转。

由此可见,在整个项目实施的过程中,每个环节都为学生提供真实的情境,让学生真正经历“做中学”“做中思”“做中创”,能够在真实的直接经历中感知感悟相应的跨学科概念的本质特点,理解跨学科概念建构过程中的科学思维方法,提升探究与实践的能力。因此,在开展项目式学习时,需要给学生一定的时间和空间去感悟相应的跨学科概念,而不是生硬地去讲授跨学科概念是什么、怎么用。

(三)基于项目式学习的学科融合,指向跨学科概念的问题解决

“跨学科概念是科学研究中的一个概念范畴,包括一系列内容,呈现出比较复杂、相对完整的体系。它普遍适用于科学(包括物质科学、生命科学、地球和空间科学)、技术、工程中,能够超越各个学科的界限,但又将其联系为统一体,是一种反映科学本身的上位思维方式或工具。”[4]跨学科概念可以为学生搭建连接各学科的概念桥梁,联结分散的知识与理解,从而建构更加完整的科学思维。例如,应用“能量与物质”概念可以理解食物链、生态系统、物质循环和能量流动等内容,探究其中的能量流动与物质转化规律,形成整体的理解框架。这超越了生物学、化学与物理学的界限,实现了知识的跨学科整合。因此,跨学科概念为科学学习提供了统一的分析视角和思维工具,可以突破学科界限,将各学科的知识体系连贯起来,为学生建构更加系统完备的科学世界观提供有力支撑。[5]当学生能运用跨学科概念进行整体分析与思考时,其科学理解和科学素养也就逐步形成。

项目式学习强调通过学科间不可分割的联系达到整体理解,而不是简单进行多学科的主题活动。项目式学习往往都是跨学科的实践,只是跨越程度不同而已,有些是以某一学科为主要学科,其他学科辅助;有些是多个学科平均用力联合解决问题;有些是多个学科深度融合解决问题。因此,项目式学习的学科融合性为跨学科概念的理解与建构提供了很好的实践经历。例如,在探究解决“我们如何看清周围的世界”这个项目时,学生需要将物理学中的透镜成像原理与生物学中的视觉形成深度整合。学生运用水透镜来模拟晶状体,通过注水或抽水改变水透镜的曲度,进而类比研究晶状体如何通过调节曲度变化来看清周围远近不同的世界。这个视觉形成过程背后隐含的是物理学的光学原理,在探究模拟的过程中学生会更深入地理解“结构与功能”的跨学科概念及其与问题解决的关系。

(四)基于项目式学习的实践探究,实现跨学科概念的深度理解和迁移

“项目式学习需要学生在一段时间内对与学科或者跨学科有关的驱动性问题进行深入持续的探索,调动所有知识、能力、品格等创造性地解决新问题、形成公开成果中,形成对核心知识和学习历程地深刻理解,并能够在新情境中进行迁移”[7]。因此,项目式学习就是学生开展深入、持续探究的过程。为了解决复杂问题,学生需要调动已有知识和能力,需要运用跨学科概念进行逻辑分析,这就为学生迁移运用跨学科概念提供了良好的实践沃土。

以成都市的“墨池”和“兴隆湖”两个真实的学习场景为例。在开展“墨池的华丽转身”这一项目式学习过程中,学生为了改造学校墨池的生态,需要完成一系列的实践活动:首先,要调查了解墨池现有的生物种类、水质、结构、无机环境等情况,并形成调查报告;其次,要实地调查生态环境良好的兴隆湖,记录兴隆湖生态系统中的生物种类、数量以及各生物间的关系,并参观兴隆湖生态实验室,访谈记录兴隆湖水质、水温、水深等相关指标,从物种类型、物种数量、氧含量、氮磷含量等方面进行讨论,形成考察报告;再次,要根据前期调查,提出墨池的改造计划并进行论证;最后,要将改造计划提交学校进行实施,完成墨池改造。在整个项目过程中,学生会不自觉地运用“稳定与变化”“物质与能量”等跨学科概念来设计改造墨池的生态环境。如通过完善物种种类和数量,选择合适的河沙泥土改善水质,根据自然条件设计蓄水池、过滤池等,使墨池生态系统具有更强的自我调节能力,实现墨池生态系统在一定范围内的稳定,在稳定中又充满变化。由此可见,通过这样的项目式学习学生能够深度迁移运用跨学科概念解决现实问题。

结 语

生活具有整体性,解决生活中的问题往往也需要多学科协作进行。真实的学习是在学科与生活间建立了内在联系的学习,因此,植根于生活的学习必然是跨学科学习。[9]项目式学习因为聚焦真实问题开展持续探究与实践,往往需要突破学科壁垒、汇集多个学科概念来解释现象、解决问题、创造作品,让学生产生新知识,获得更深的理解,具有明显的跨学科特性,能够有效帮助学生完成对科学世界中跨学科概念的建构,从而实现对不同学科领域、不同学科核心概念等的深度理解。总之,通过项目式学习,能够解决书本知识与现实情境割裂的问题,以多学科整合探究、任务完成或解决问题为途径,让学生在与真实情境的有效互动中,将知识、技能、态度进行统整,运用跨学科概念解决复杂问题,最终发展核心素养。