指向跨学科概念“结构与功能”的教学探究

摘 " "要：跨学科概念在科学课程内容组织中具有统领价值，以其为中心，建立知识网络结构，强化知识间的内在联系与逻辑关系，可帮助学生以大统一的视角认识科学、工程等多个领域的共性，形成完整的世界观。教师需要分析跨学科概念的内涵，以其为指向进行教学。具体实践中，教师可通过“建构概念图谱，厘清内在逻辑”“创设贯通境脉，聚焦问题解决”“探究结构模型，逆推完善概念”“挖掘生命本质，内化证据意识”“提炼关联概念，促跨学科迁移”等策略，帮助学生形成跨学科概念，发展科学观念，提升科学素养。

关键词：跨学科概念；结构与功能；初中科学

开展跨学科概念教学已成为当下科学教育研究的热点话题。《义务教育科学课程标准（2022年版）》明确了跨学科概念在科学课程内容组织中的统领价值，强调以跨学科概念为中心，建立知识网络结构，强化知识间的内在联系与逻辑关系，从而帮助学生以大统一的视角认识科学、工程等多个领域的共性，形成完整的世界观，并提出四个跨学科概念，“结构与功能”就是其中之一。基于跨学科概念这一特性及其独特的育人价值，笔者尝试以跨学科概念“结构与功能”为上位概念重组科学学科的相关内容，开展整体视域下的“人的运动系统”单元教学，帮助学生有效建构对跨学科概念的理解，发展科学素养，下面具体阐述。

一、跨学科概念“结构与功能”的内涵

跨学科概念“结构与功能”反映的是事物结构与功能的关系。结构指组成系统的组件及相互关系，功能是指系统在其环境中所展现出来的作用和效能。通常来说，事物的结构决定了其诸多功能与属性。结构是功能的物质基础，功能是结构的外在表现。通过分析系统的结构，可以解释其工作机制和实现效果；反之，通过观察系统的功能，也可以推测其潜在的结构特征。

无论是在科学领域，还是在工程领域，结构与功能都有重要体现。科学家需要分析系统结构与功能间的关系，了解生物的结构是如何影响功能的。例如，植物的根尖有大量向外突出、体积较大的根毛，这样的特点有利于根从土壤中吸收水和无机盐。工程师通常会先研究相关材料的特性，以便筛选出与系统组件所需功能相匹配的最佳材料。例如，航天设计师会选择碳纤维而不是钢、铁等材料来增加航天设备的耐用性和强度。

二、指向跨学科概念“结构与功能”的教学策略

跨学科概念“结构与功能”描述了系统的各个部分如何协同工作以维持整体功能，以其为指向进行教学，有助于学生建构对事物结构与功能的理解，形成系统性的思维方式，进而在多学科领域中建立更全面的认知，并形成统一、连贯的知识框架。

（一）建构概念图谱，厘清内在逻辑

概念图谱是一种将知识以图形化方式呈现概念之间关系的技术。在开展某一单元教学前，教师需要基于课程标准和教材，厘清核心概念、重要概念、次位概念在单元中的层级分布、相互关系和逻辑结构，建构“概念关系图谱”［1］。同时，教师要有意识地建立核心概念到跨学科概念再到观念形成的教学线索，找准、优化或者补充支撑概念形成的典型现象和关键事实。在“人的运动系统”单元中，笔者以“生命系统的结构层次”这一核心概念为主线，以运动系统及其他七大系统等重要概念为支撑，再将它们分解为次位概念，并具化为现象和事实性知识，然后通过厘清概念的内在逻辑关系，使指向跨学科概念“结构与功能”的教学沿着“事实→概念→跨学科概念→科学观念”的主线发展。“人的运动系统”单元“结构与功能”概念图谱如图1所示。

通过解析概念图谱，厘清核心概念“生命系统的结构层次”下属各个概念的层级关系，然后纵向进阶，即可阐明人体是一个统一的整体，并从中提炼出“结构与功能”这一跨学科概念。在实施教学前，教师要对课程各个模块的相关知识进行系统化梳理，做到心中有“谱”，才能打破时空限制，进行单元整体设计，并在自由驾驭教材中的各个相关内容进行教学时，突出整体设计的导航作用，然后找准、优化或者补充支撑概念形成的典型现象和关键事实，有意识地在各个环节中渗透和凸显跨学科概念“结构与功能”。这样，教师就能以跨学科概念贯穿不同课程内容的基本骨架和内容组织线索，并将跨学科概念迁移到其他领域，进一步强化应用，从而引导学生形成科学观念。

（二）创设贯通境脉，聚焦问题解决

跨学科概念比较隐性和抽象，需要锚定现实世界才有意义，因此，教师要依托特定的情境和真实体验来落实跨学科概念的教学［2］。唯有当“知识”被置于具体的境脉之中才富有意义，这种被链接起来的“知识”才能臻于深度理解［3］。境脉包括情境与脉络，即教学实践中以一连串有逻辑主线、有推进序列的情境活动为脉络而展开的学与教的活动［4］。境脉能串联起整个课堂教学的子情境，而每个子情境中又都埋设有需要突破的问题，且问题之间是逐级递进的。这样，就能通过问题的解决促进概念的理解，并建立生命观念。由此，笔者设计了指向跨学科概念“结构与功能”的“人的运动系统”单元教学境脉（如表1所示）。

教学中，笔者先以骨的形状、成分、连接为概念逻辑，设计了“脊柱何为弯？为何弯？如何矫正？如何设计矫正侧弯的仪器？”的教学境脉，使主线清晰、层次分明，再通过一系列子任务和子问题使学习内容问题化、问题活动化、活动层次化，从而建立了一系列概念的联结，然后通过最后一个任务进行跨学科迁移实践，引导学生建构跨学科概念“结构与功能”，形成科学观念，发展科学核心素养。

（三）探究结构模型，逆推完善概念

建模思维是科学思维的重要方面，因为模型能形象直接地凸显事物原型的本质特征。开展模型建构教学，就是要引导学生主动建构知识，促进其对概念的深度学习，发展科学素养。在“人的运动系统”单元教学中，与功能相适应的每一个结构，实际上都存在一个物理模型，因此把模型探究清楚并能建构出模型，有助于学生全面理解“结构”概念的内涵和外延，并与功能相对应，进而完善和深化“结构与功能”概念。笔者设计了“破解关节黑箱”环节，其教学流程如表2所示。

关节是人体黑箱，笔者让学生通过运动感受关节的功能，由表及里地为建构关节模型作铺垫，并通过以功能推理结构的教学活动，让学生充分暴露前概念。在此基础上，笔者让学生以科学论证的方式，对肩关节的结构进行推理，从而建构模型。这可以提升学生的批判性思维能力和科学论证水平，并使其在潜移默化中运用功能与结构的统一性。接着，笔者出示360°旋转支架，映射360°旋转支架与肩关节的关键特征，以激活学生思维，使其运用类比的方法评价模型。然后，笔者引导学生通过肩关节的X光片，自主深入地揭示肩关节结构，并具象感知肩关节接触面的形状，从而修正模型，进一步体会结构与功能相适应。而模型的组装过程实际上是学生在理解的基础上对模型的应用，体现了在做中学、用中学，以及学以致用、学用融通的理念。由此，笔者通过引导学生逆推、修正、评价、应用模型，推动了结构与功能概念的形成。

（四）挖掘生命本质，内化证据意识

“结构与功能”是跨学科概念，结构与功能相适应、相统一则是生命观念，是经历长期自然选择后进化与适应的结果。生命观念中的各个观念相互交织、相互融合，构成对生命本质的认识。生命观念的各大观念群之间是彼此联系、难以分割的整体，“结构与功能观”是基础，“物质与能量观”和“稳态与调节观”反映了生命系统的运行机制和规律，“适应与进化观”则是生命系统运行和发展的必然结果［5］。

如：人类的脊柱有四个生理弯曲，有助于分散体重，增加行走时的稳定性和灵活性；骨盆更加扁平、宽阔，有助于支撑腹部器官并提供稳固的基座支撑上身；膝关节能有效支持体重并缓冲行走时的冲击；独特的足弓结构，增加了步行时的弹性和缓冲能力。其他生物也存在结构与功能相适应。如：鸟类的前肢演化成了翼，以便在空气中产生升力，实现飞行；骆驼的蹄扁平而宽大，足底有厚厚的肉垫，能防止其在松软的沙地中下沉。

学生形成了“结构与功能”的跨学科概念，就能用特有的思维方法解释生命现象中和“结构与功能”相关的问题，养成从生命观念视角思考问题的习惯，并在复杂的真实情境中迁移应用，从而理解、解释、预测相关的生物学现象。而熟练地运用已知结构推测功能、运用功能逆推结构，都是在循证的过程中通过推理得出结论的，这能发展学生的证据意识。

（五）提炼关联概念，促跨学科迁移

利用跨学科概念“结构与功能”进行教学，有助于学生在不同情境下建立结构与功能相适应的生命观念［6］。它不仅是生命科学的核心观念之一，也是通用概念。它是物质科学、地球宇宙科学、技术与工程等领域中的关键概念。只有充分理解核心概念，才能实现学科跨越，进而形成科学观念。因此，教师要引导学生以主题的形式，将分散在教材各册中与结构和功能对应的内容作统一梳理，再对概念进行比较，通过分析概括、类比同化等方式凸显区别与联系，准确地界定概念，培养科学思维。跨学科概念“结构与功能”涉及的领域、核心概念及能体现其的事实或证据如表3所示。

在物质科学领域的结构与功能，如金刚石和石墨是由碳元素组成的同素异形体。金刚石无色透明，正八面体，十分坚硬；石墨是不透明的黑色细鳞片状固体，很柔软。它们功能的差异完全取决于碳原子排列方式的不同。金刚石中碳原子以四面体结构连接，形成了极其坚硬的三维网络结构；而在石墨中，碳原子以六边形平面网状结构排列，形成了层状结构，层与层之间的结合力较弱，因此石墨既软又具有良好的润滑性。

在地球宇宙科学领域中的结构与功能，如地球作为太阳系中的一颗行星，拥有独特的结构和功能，使其成为生命存在的场所。地球的结构包括地壳、地幔、外核和内核，这些结构决定了地球的物理特性和地质活动。地球的功能则体现在其能够维持生命所需的环境条件，如适宜的温度范围、液态水的存在、大气层的保护作用等。

在工程学领域中的结构与功能，如研究蜻蜓翅膀上的黑斑（翅痣），可以迁移到飞机机翼上的减震技术。人类工程师从蜻蜓的翅痣中获得灵感，开发了飞机机翼末端的抗颤振设计。又如从心脏中血液的单向流动，可以迁移到单向阀具有类似的结构与功能。

因此，利用跨学科的迁移，教师可让学生领悟到从微观到宏观，从生命科学到物质科学再延伸到其他学科，都有结构与功能概念，从而实现跨学科联结，更好地发展“结构与功能”的科学观念。

三、小结

综上，跨学科概念具有共通性和可迁移性，并在多个领域都有相关运用。在教学实践中，为促进“结构与功能”这一跨学科概念的理解，教师首先应寻找跨学科概念与学科概念间的内在联系，然后以此为抓手确定具体的单元教学主题。而在具体的教学过程中，教师则要以目标为导向，创设真实、完整的教学境脉，并以问题为引导，以任务为驱动，让学生在情境中具身体验，通过建构物理模型等方式动手实践，从而将抽象概念具象化。教师还需融合生物学、物理、数学以及工程设计等多学科知识，引导学生在评价与修正模型的过程中，加深对结构与功能关系的探索，进而深化对“结构与功能”这一跨学科概念的理解。此外，在整个教学过程中，教师应设计并始终以具体可行的表现性任务评价量表进行教学评价，及时把握学生对“结构与功能”这一跨学科概念的理解程度，引导学生逐步形成对“结构与功能”这一跨学科概念的认识，形成科学观念，提升科学素养和跨学科素养。

参考文献：

［1］陈维.聚木成林：高中生物学“生命观念”培育的基本路径与实践策略［J］.江苏教育研究，2021（1）：7-16．

［2］李瑞雪，王健.美国科学课程中的跨学科概念：演进、实践及启示［J］.外国教育研究，2021（4）：102-117.

［3］钟启泉.深度学习［M］.上海：华东师范大学出版社，2021：7.

［4］蔡永梅.基于境脉理念教学《植物的果实》［J］.湖北教育（科学课），2023（9）：50-53.

［5］赵占良.对生物学学科核心素养的理解（一）：生命观念的内涵和意义［J］.中学生物教学，2019（6）：4-8．

［6］赵玥.举证教材中跨学科概念 " "开展高中生物学教学［J］.生物学教学，2024（9）：12-15.