国际科学教育跨学科概念研究的现状与启示

陈方结　林长春

我国《义务教育科学课程标准（2022 年版）》在“课程内容”中明确“通过对学科核心概念的学习，理解物质与能量、结构与功能、系统与模型、稳定与变化4 个跨学科概念”。这是我国首次将“跨学科概念”纳入国家科学课程标准，突出强调跨学科概念的重要价值。本文从文献计量学研究的角度，借用知识图谱工具，分析与讨论近10 年跨学科概念在国际科学教育期刊的发文情况和期刊分布、高影响力作者及机构分布、研究热点等，以此对我国跨学科概念研究的未来提出几点建议。

本研究以国际科学教育中存在的3 种跨学科概念术语“crosscutting concepts”“cross cutting concepts”和“cross-cutting concepts”为主题检索条件， 将2011年12 月31 日至2021 年12 月31 日期间收录在“Web ofScience”数据库的文章，共检索到95 篇期刊文献，纯文本数据导入Histcite Pro 2.1s、CiteSpace 5.8. R3 软件对文献精炼，能够识别并分析的文献数量为80 篇。

研究发文情况及核心作者分布

从总发文量和被引量看，跨学科概念的关注总体呈上升趋势。2012—2016 年，相关研究发文较少，学者们对跨学科概念的关注度较低；2017—2021 年，发文量和被引量明显上升，表明学界对跨学科概念的关注度持续上升，其中2018 年发文量急剧上升、被引量大幅增加。从发文所在期刊进行统计发现，纳入国际科学教育跨学科概念研究的期刊共20 多种。研究文献在《美国生物教师》（American Biology Teacher）《化学教育杂志》（Journalof Chemical Education）《科学教学研究杂志》（Journalof Research in Science Teaching）和《科學教育》（ScienceEducation）4 个期刊发文比较活跃。从主题看，有科学教育、生物学教育、化学教育、数学教育、教育技术等领域。借助Histcite Pro 2.1s 统计发文量与被引量前十的核心作者，均来自美国的大学。

研究热点分析

运用CiteSpace 软件对2012—2021 年国际科学教育跨学科概念期刊文献中的关键词描绘关键词图谱，结合对研究样本详细梳理的深入阅读，将目前国际科学教育跨学科概念研究热点主要集中在4 个方面，即跨学科概念内涵与构成要素、价值与作用、理论模型建构与教学策略实施，以及测量与评价研究。

重塑跨学科概念：内涵及其构成要素研究。

当前，国际关于跨学科概念内涵尚未形成统一定论。一方面是不同国家的科学课程文件中使用了不同的术语表达，各国跨学科概念内涵、内容要素选择存在差异性。另一方面是不同学者对美国《新一代科学教育标准》（NGSS）列出的跨学科概念内涵及其组合有不同的看法。如加拿大安大略省的科学课程标准描述“基本概念是那些获得所有科学技术知识所需要的、最关键的一些要点，是构建知识框架中的支点”；而澳大利亚的科学课标认为“跨学科概念代表了科学观点的关键方面，跨越了科学学科的知识和理解”。相较于《新一代科学教育标准》，我国新课标只选择了物质与能量、结构与功能、系统与模型、稳定与变化4 个内容要素作为跨学科概念。虽然这些内涵表述和要素选择上略有差异，但都表明跨学科概念在支持学生学习科学方面潜力巨大。

审视跨学科概念：价值与作用研究

在关于跨学科概念研究近10 年的文献中，大部分学者在跨学科概念的重要性方面都达成了共识。主要表现为跨学科概念能够促进教育公平，促进学科核心概念与工程实践的学习，促进跨学科学习，促进对科学本质的理解。但也存在一些质疑跨学科概念必要性的观点。如美国蒙大拿州立大学的菲奇（Fitch）评估了学生在跨学科概念“系统”学习过程中科学知识发展的水平[1]。结果发现，在控制组中，学生将跨学科概念应用于学科核心概念的能力没有改善，在前测和后测之间没有显著性差异。智（Chi）、罗斯科（Roscoe）等人表示，应用跨学科概念的困难可能会导致学生形成错误概念，对跨学科概念的价值意义提出质疑[2]。

建构与实施跨学科概念：理论模型和教学策略研究

在跨学科概念研究文献中，一部分文献从理论研究上，建构了跨学科概念实施的理论模型，如菲克（Fick）[3]、麦克埃尔哈尼（McElhaney）[4] 等，他们从理论的角度，基于可视化的模型呈现跨学科概念与学科核心概念的关系、工程与科学实践之间的关系、跨学科概念与周围的学习环境的关系，特别是跨学科概念与学生学习之间的关系，但这些理想模型还缺乏实证的支持。一部分文献根据《新一代科学教育标准》附录G 中对于跨学科概念的实施指导建议开展教学设计研究[5]。

理解跨学科概念：测量与评价研究

综观国际跨学科概念的测量与评价研究，在评价主题上倾向“能量”与“模式”跨学科概念。测评内容呈现出从检测单一学科知识理解水平，发展为检测多学科知识理解水平；测评形式方面，概念测试题在选择题的基础上，与开放性试题相结合，通过整合性评分标准，判断学生知识整合能力。尚未对跨学科概念作为框架体系进行测评研究。

哈登菲尔德（Hadenfeldt）[6] 开发基于有序多项选择项目，对6—13 年级学生对物质概念的学习进阶情况展开大规模测试。自2005 年柳秀峰首次将Rasch 模型用于学习进阶研究，以测试不同年级学生对能量概念的认知情况[7] 之后，Rasch 模型常被用于“能量”概念的进阶测评研究。

在评价对象上，大量研究都关注学生的跨学科概念理解水平，对于教师的关注较少。来自美国加州大学的贾丝明（Jasmine）、金柏莉（Kimberly）等人收集了来自13名加州教师的自然观察和访谈数据，研究结果表明，跨学科概念是最让教师困惑的领域，跨学科概念具有抽象性，实施跨学科概念的不确定性成为教师的教学难题。

启示

持续关注国际科学教育跨学科概念研究新动向

我国科学教育跨学科概念研究起步较晚，在国际上研究成果较少，关于跨学科概念研究的探索、积累还不够。我国科学教育研究者应持续跟踪国际科学教育跨学科概念研究趋势，借鉴研究成果，丰富研究方法，扩宽学术研究视野，加强国际交流与共享，不断提高跨学科概念学术研究成果质量，形成以中国为合作体系的高影响力学术群体。

关注我国科学课程改革中的跨学科概念的内涵与实施

科学教育领域为什么要引入跨学科概念是关于跨学科概念溯源的问题。厘清这个问题，可以更为深入地理解国际科学课程的改革趋势。当前我国科学新课标基于核心概念和学习进阶设计课程，反映STEM 教育思想，综合物理、化学、生物学、地理、技术、工程等学科领域，统整科学课程内容，以学生认知水平与知识经验，由浅入深地凝练在13 个学科核心概念之中，再以4 个跨学科概念实现科学知识更为广泛的迁移与应用。跨学科概念的引入，正处在这样的课程改革背景之下。

深入探讨跨学科概念的价值意义

目前，我国科学教育对跨学科概念的研究较少，跨学科概念在科学新课标中的地位明确，是13 个学科概念的上位概念，但没有上升到课程内容维度，也没有将其视为思维工具，成为连接科学知识与科学实践的桥梁。面对国际上关于跨学科概念价值的争论，我国科学教育研究者应持开放的心态，从这些差异观点中学习，认识到科学教育领域中哲学与实践层面的多样性，建立更为均衡的认识。

开展本土化的跨学科概念理论与实践研究

在我国长期分科教学制度下，帮助学生打破学科间的壁垒，实现不同学科知识的联系与整合，对自然科学形成统一而整体的思维方式，解决真实的科学问题，仍具挑战性[8]。近些年跨学科概念研究在我国科学教育界受到关注，主要聚焦在3 个方面：发达国家课程标准、教材跨学科概念特征研究；跨学科概念教学设计研究；跨学科概念理解认知测评研究。鉴于我国在跨学科概念领域没有丰富的实证研究基础作为支持，关于跨学科概念的实施，科学新课标缺乏明确的指导框架。未来，结合我国国情可以围绕跨学科概念开展相关理论与实践探索，如跨学科概念单元课程内容开发、跨学科概念在科学教材中的架构方式、科学教师跨学科概念教学策略、跨学科学习及其对科学教师的专业发展支持，以及跨学科概念测量与评价等。

参考文献

[1] Fitch C D L. The impacts of teaching the crosscutting concepts in aproficiency-based system[D]. Bozeman： Montana State University. 2019.

[2] Chi M T H， Roscoe R D， Slotta J D， et al. Misconceived causalexplanations for emergent processes[J]. Cognitive science， 2012， 36（1）： 1-61.

[3] Fick S J， McAlister A M， Chiu J L， et al. Using StudentsConceptual Models to Represent Understanding of Crosscutting Conceptsin an NGSS-Aligned Curriculum Unit About Urban Water Runoff[J].Journal of Science Education and Technology， 2021， 30（5）： 678-691.

[4] McElhaney K W， Cunningham C， Mayer K， et al. Using thecrosscutting concepts to integrate science and engineering[C]//Summitfor examining the potential for crosscutting concepts to support threedimensionallearning conference proceedings. 2018： 27-40.

[5] NGSS Lead States. Next generation science standards; for States， byStates[M]. Washington， DC： National Academies Press， 2013： 8.

[6] Hadenfeldt J C， Neumann K， Bernholt S， et al. Studentsprogression in understanding the matter concept[J]. Journal of Researchin Science Teaching， 2016， 53（5）： 683-708.

[7] Liu X， McKeough A. Developmental growth in students' concept ofenergy： Analysis of selected items from the TIMSS database[J]. Journalof Research in Science Teaching： The Official Journal of the NationalAssociation for Research in Science Teaching， 2005， 42（5）： 493-517.

[8] 王維臻，王磊．跨学科概念“能量”的含义和3 种认识框架[J]．化学教育（中英文）．2020（23）．

（ 本文系2021 年教育部首批新文科研究与改革实践项目（ 编号：2021070064）；2020 年重庆市教育科学规划重点课题（编号：2020-GX-010）研究成果）