STEM教育中的跨学科概念学习和理解

/STEM教育中的跨学科概念学习和理解【摘要】STEM教育作为科学实践与自我探索的教育主阵地，其教育品质的提升对于培养具有跨学科素养和创新能力的后备科技人才尤为关键。然而，在实践中发现，尽管许多STEM教学活动涉及多个学科领域，但在实际操作中往往聚焦于单一技能训练或项目完成，跨学科思维能方的培养并未给予充分的关注，导致学生难以建立起各学科知识之间的有机联系，无法实现从单一学科视角向跨学科思维模式的转变。因此，一种具有前瞻性的教学策略应运而生，其核心旨在STEM实践中深入思考和提炼跨学科概念。通过这一方法，学生能够形成系统的科学认知框架，建立起灵活高效的多学科知识连接体系，并掌握贯通多个学科领域约共性规律和基本原理，增强知识的迁移和综合能力。这一创新理念不仅丰富和完善了STEM教育的教学手段和理论基础，同时为教师提供了可操作性强的具体教学指导，具有重要的理论意义和实践价值。【关键词】STEM教育；科学实践；跨学科概念；概念隐喻；具身认知

一、STEM教育中的跨学科概念及其内涵和特征 (一)定义与起源 在全球教育政策演进的过程中，各国对跨学科概念的采纳和表述虽有所差异，但其核心内容呈现出较高的一致性。美国最早在2013年发布的《下一代科学课程标准》中大量引入并详细阐述了跨学科概念。继美国之后，澳大利亚在2018年的教育政策框架中确定了6项关键跨学科理念；到了2022年，加拿大推出了6个基础的跨学科概念体系，新加坡也同步提出了5个跨学科共同主题；与此同时，我国在2022年修订的义务教育科学课程标准中亦确立了4个跨学科核心概念。国内学者针对上述一系列代表性教育文件中所提出的跨学科概念，从其内涵、本质到在跨学科教育实践活动中的潜在效用，均开展了深度的认识与解析研究。 基于文献解析与综合比照分析，跨学科概念具有严格的界定，教育实践中教师必须细致把握其本质特性，避免随意简化或盲目运用。依据美国教育心理学家杰罗姆·布鲁纳的观点，学科核心概念是学科知识体系的“大概念”(bigidea)，占据学科知识结构的核心，其本质在于凝练并传达学科特性的基本思想，是理解各学科知识点之间内在联系的基石。根据其“大概念”的思想，跨学科概念是指能够涵盖和解释不同学科内部纵向和横向间知识发展和关联的上位概念，具有高度的抽象性、包容性和解释力[1]。莎拉·菲克(SarahJ.Fick)进一步强调，跨学科概念在促进各学科领域知识体系间的联系与整合过程中起到了关键作用，能够催生更高层次的知识形态，如模型和理论等抽象化表达形式[2]。与此同时，杨文正和许秋璇在研究中阐明，STEM教育作为一种依托跨学科知识整合的教学策略，其有效实施的关键在于教师深刻把握各学科知识体系内在的逻辑关联[3]。此时，跨学科概念就仿佛是一把“钥匙”，它作为一个打破学科壁垒、促进知识流动与融合的思维工具，有助教师在教学过程中实现知识的跨学科整合与深化理解，从而有效地推动STEM教育目标的达成。 (二)跨学科概念的抽象性 跨学科概念是各自然学科事实基础上抽象出来的深层次、可迁移、交叉学科水平的核心概念[4]。研究表明，学生在缺乏教师的有效引导和支持的情况下，往往难以全面把握跨学科概念[5]。教师对跨学科概念所蕴含的深层次抽象特性的深入理解和精准把握在教学中起到至关重要的作用。这一理解与把握不仅是教师顺利开展跨学科教学活动的基石，更是激发其教学创新活力的核心驱动力。教师深入理解跨学科概念后，能够有效地引导学生从宏观视角去理解和运用知识，这对提升STEM教育品质、培养学生面对复杂问题时的解决能力以及科技创新方面的潜能开发具有深远的影响和决定性的贡献。本研究采用了概念隐喻理论[6]，结合雷维·安(RivetAnnE)等人[7]对美国下一代科学标准框架及相关文件中跨学科概念的解释学分析，提炼并归纳了STEM教育情境中跨学科概念所体现的四项抽象特性，旨在为教育工作者提供一个清晰的理解框架，便于他们更好地理解和运用跨学科概念。 1.调查科学现象的重要视角 跨学科概念在STEM领域实践中起着构建多维认知框架的作用，它为专家们提供了审视和解析某一现象的多元视角。这种多元视角的分析方法，不仅有助于揭开科学现象背后的复杂机制，也有利于提升科学研究的完整性与洞察力。以物理学中力与运动之间的相互作用为例，从“能量与物质”这一视角出发，力的作用机制可被理解为能量如何在物体间传递并导致物体从静止状态转变为运动状态。具体而言，当一个外部力作用于箱子使其在地面上滑行时，该过程可借助能量和物质转化的概念加以解释：即施力者释放的能量通过作用力传递给箱子，随后转化为箱子的机械动能，驱动其运动。此外，力与运动之间的关系亦可通过“因果关系”的维度予以探究，可分析不同力对物体运动状态变化产生的影响，例如空气阻力和摩擦力在物体运动状态转变中的作用机制。当物体在垂直方向上移动时，其速度会受到空气阻力的影响而逐渐递减直至停止；相似地，在液体环境中运动的物体，其速度和运动轨迹将受水的阻力作用而发生改变。这种跨学科视角能够被用来拓宽认知相关现象的边界，从而有效地摆脱单一解释模式的束缚，这对于精准辨识并解构科学问题的核心要点至关重要。 2.关联不同领域知识和方法间的桥梁 跨学科概念充当了连接不同领域知识和方法的纽带，揭示其间隐含的联系与共性，有助于将科学视为一个整体、动态的知识体系，而非孤立、零散的知识单元。例如，在生物学中探讨的DNA双螺旋“结构”，由四种碱基组成，这一结构特性直接影响其在细胞中的“功能”——遗传信息的储存。在化学学科中，同样涉及DNA分子中碱基通过氢键形成配对，决定了DNA的双螺旋“结构”。“结构和功能”这一跨学科概念不仅可以串联起生物学和化学的相关内容，使学习者深入理解DNA结构与功能之间的内在关系及其在生物体中的作用，而且在其他学科中同样适用。例如，在物理学领域，这一概念可用于解释物体结构对其力学性能(如弹性、塑性变形)的影响；在地理学中，可用来探讨地质层结构如何塑造地球表面形态和地质历史；在工程学领域，则可应用于设计和建造建筑物、机械设备以及电子装置等产品，确保它们满足特定的功能需求。因此，跨学科概念在知识体系中起到了桥梁作用，呈现了科学知识体系的整体性和关联性。 3.深化学科知识、原理和现象理解的认知工具 跨学科概念作为深化学科知识、原理和现象理解的认知工具，其作用体现在能够跨越学科界限，构建一种统一的、具有普遍意义的抽象框架。以碳循环为例，在不同的学科领域中，虽然都围绕着碳元素在地球系统中的动态流转和转化这一核心主题展开，但这一概念的应用和理解却各有侧重。具体来说，生态学家集中研究生物群落和生态系统内的碳循环，涉及碳通过光合作用在生物体内积累、通过食物链传递以及生物残体分解和土壤微生物活动如何将碳返还给大气和土壤的过程；地质学家则关注碳在地壳、大气和水体之间的长时间尺度循环，包括碳的沉积、矿化、火山喷发释放回大气层，以及海洋对碳的吸收和储存等环节；大气科学家主要分析大气中二氧化碳浓度的变化规律，探究大气环流对碳分布的影响以及人类活动(如化石燃料燃烧)如何打破全球碳循环的平衡状态；环境科学家则着眼于碳循环与气候变化、土地利用模式变化、环境污染等因素之间的相互作用及其对地球环境健康的影响。将碳循环这一复杂的自然现象提炼为“系统”这一跨学科概念，不同学科背景的专家便拥有了一个共享的理论框架。基于这一框架，各学科专家可以从各自的学术领域出发，探究这一系统内部的特定输入来源、输出去向、储存方式和转化途径。这样的抽象化处理极大地促进了跨学科的交流与合作，使得专家们能够通过整合各领域的研究成果，共同揭示碳循环的整体性和复杂性，从而更有效地推动对全球碳循环问题的深度理解和高效解决策略的制定。 4.追求科学真理所遵循的规范和标准 跨学科概念是科学方法论的核心组成部分，是科学共同体在追求自然界真理的过程中提炼出来的共性思考工具和理论基础[8]。例如“尺度、比例和数量”这一概念，为科学家提供了从微观到宏观不同层级上理解和解析自然现象的方法，通过量化分析和对比不同尺度下的特征和规律，科学家能够挖掘出跨越不同尺度的普适性原理。与此同时，跨学科概念如“系统和模型”为科学家提供了简化和理解复杂自然现象的有效途径。通过构建和分析模型，科学家可以将现实世界的复杂系统简化为可操作和可研究的形式，揭示并预测关键变量之间的相互作用以及系统随时间的动态演化过程，这对于解决复杂科学问题至关重要。另外，“能量和物质”的流动、转化与守恒原则在众多科学领域中构成了基本法则，它为科学家勾勒出自然界能量传递和物质循环的全貌，使得科学家能够从本质上把握自然界的基本运作机制。同时，“结构和功能”这一概念帮助科学家深入剖析自然实体内部的组织结构与其功能特性之间的紧密联系，无论在生物学、地质学或其他领域，都能找到这一概念的广泛应用。而“稳定和变化”的概念则促使科学家关注自然现象在时间和空间维度上的稳定性与不稳定性，探究引发转变和突变的动因，以及如何调控系统以实现平衡状态。概括地说，跨学科概念为科学家提供了理解和阐释自然界整体性与统一性规律的关键途径，凭借这些跨越学科边界的通用概念，构建起一个更为完整、深刻且内在统一的自然观念体系。 二、STEM教育推动学生深入理解和掌握跨学科概念的解析路径 根据抽象概念的隐喻表征理论，以上四种概念隐喻为教育工作者掌握和应用此类复杂的多学科交叉概念提供了一种有效的途径。它们通过在具体、感知的经验(源域)与抽象、复杂的概念(目标域)之间建立映射，有助于揭示和理解高度抽象性的跨学科概念。 基于当前的研究成果和理论依据，我们可以合理推测，如果将跨学科概念有效地融入具体的STEM科学领域实践活动之中，将有利于促进学生对这些概念形成具有实践意义的认知结构，满足他们对知识直观感知、动手实践和应用能力培养的内在需求。首要一点，跨学科概念与科学实践之间存在着稳定的联系[5]。在科学实践中，学生通过具体操作，如实验、观察和模型构建等方式，直接感知和解析自然现象的本质，如物质的状态转换、能量流转、系统稳定性以及不同尺度下的规律性等。这些生动具体的实践经历有助于学生将抽象的科学概念与实际情境有机结合，形成直观而深刻的概念理解。其次，在STEM教育实践的范畴内，尤为注重的是培养学生像科学家和工程师一样应对真实世界中复杂、开放且边界模糊问题的能力。在此过程中，学生需要建立一种能够跨越传统学科界限的抽象认知框架，使得他们在面对各种复杂情境时，能够迅速地识别出共性问题并将其置于一个更为普遍适用的知识架构之内(见图1)。由此，学生不仅可以实现对单一学科内部知识的融会贯通，还能进一步整合各学科知识点，形成一个既连贯又统一的科学知识体系，这对于未来的创新思维与综合实践能力的培养至关重要。 图1跨学科实践视角下的抽象认知框架构建 (一)现象观察与“模式”识别 现象是本质的外部表现，跨学科实践的第一步在于引导学生关注具体现象，通过对具体现象的直接感知与体验，详尽地记录和分析相关数据，从而识别和归纳现象的模式特征，将这些模式作为科学问题发掘的起点，为抽象认知框架的构建提供直观素材。根据《新一代科学标准》(NGSS)的定义，模式(patterns)可以体现在各种规律性的形状、结构、事件和关系中，例如花朵和雪花的对称性、水晶和岩石的晶体结构、季节循环、光照时间和植物生长的关系等。在各个学科中，教师的教学实践均可通过引导学生观察和识别自然现象中的模式，从而激发学生思考其中所蕴含的规律特征。同时，观察模式也意味着引导学生去发现自然现象中的重复性和关联性，并以此为契机提出科学问题。例如，牛顿是通过观察苹果落地而提出了万有引力定律的问题，达尔文是通过观察不同地区的生物多样性而提出了物种起源和进化的问题。此外，观察模式还可以调动学生去收集、分析和使用数据作为证据，例如，收集每日气温的数据来寻找四季变化的规律；让学生记录不同时间段、不同路段的交通流量变化，并运用这个规律来预测未来交通拥堵情况。 此外，科学家们在研究自然现象时，还会运用具体的尺度、比例和数量来描述模式，以更全面地认识和理解规律。因此，教学实践需要教师能够清晰地引导学生关注这些方面。例如，地理学家会使用人口密度来描述人口在不同地区之间的分布情况，物理学家会使用速度来描述物体的运动情况，化学家会使用反应物和生成物的量之间的比例来描述化学反应，生物学家会使用新陈代谢速率来描述生物体的代谢情况等。同样地，一些模式也会因为时空尺度的改变而呈现出不同的规律“变化”，这也需要引起学生的关注。例如，气候在较短时间尺度内(如几年到几十年)相对“稳定”，而在较长时间尺度内(如几十年到上百年)也会发生较大的“变化”，如全球变暖和冰川消退等。 (二)本质洞察与“因果”推论 跨学科实践的第二步，是引导学生超越对现象的浅层认知，通过挖掘和解析现象的模式特征，逐渐揭示其背后隐藏的深层次本质规律。这一过程并不停留于对现象的简单描述，而是借助因果关系推断实现从对现象表面的认识跃升至对原理本质的理解。在科学研究中，因果关系(causeandeffect)是基本且不可或缺的概念，它构成了理解和解释世界的基本逻辑架构。科学家普遍认同，因果关系实质上反映了自然界的法则运作，对任何现象进行因果解释的过程，本质上就是在揭示支配这些现象背后的不变法则。(正如英国哲学家弗朗西斯·培根所说，对因果关系的确切认识才能构成真实的、可信赖的知识基础。) 对现象因果关系的科学探究并非偶然得知，而是依赖于系统化的、逻辑严密的方法论，逐步接近客观真理。《新一代科学标准》将其列为七大跨学科概念之一，因为它对学生在各个科学领域的理解和表现具有决定性意义，只有理解并掌握了这种关系，学生才能更有效地设计实验验证假说，并通过分析数据得出可靠的结论。例如，在生物课堂上，学生通过运用因果逻辑假设某种肥料可以提高植物生长速度。他们需要设计一项实验，将相似种类、年龄、健康状况的植物随机分配到两组，一组施以该肥料作为实验组，另一组不施肥料作为对照组，其他种植条件保持一致。通过比较两组植物在一段时间后的生长情况，学生才能够验证肥料是否为影响植物生长速度的决定性因素。同样地，在物理课堂中，学生通过运用因果逻辑假设摩擦力会影响物体滑动的距离。他们需要设计一项实验，在相同的斜面坡度、同一材质的小车以及相同的释放高度等条件下，改变斜面表面粗糙程度(即摩擦系数不同)，测量小车在光滑表面和粗糙表面上滑行的停止距离。通过对比不同摩擦系数下小车的滑行距离，才能够说明摩擦力大小对物体滑行距离的影响。 强调因果关系的跨学科重要性，是为了确保学生在科学探究中形成系统化、逻辑严密的思维习惯，运用因果逻辑设计实验，通过收集和分析数据来验证或否定自己的假说，从而在科学探索中形成严谨的论证和决策能力，这对他们的科学素养培养至关重要。此外，因果关系的探究还广泛关联其他跨学科概念，比如“结构与功能”“物质与能量”的关系。例如，在生物学中，蛋白质分子特殊的三维结构(因)决定了其特定的生物活性和功能(果)，如酶催化特定反应或抗体识别特定抗原。在化学反应中，反应物之间发生化学键的断裂和重组(因)，伴随着化学能的吸收或释放(果)，如燃烧反应中化学键的重排导致大量热能和光能的产生。因此，因果关系的深入学习和应用是跨学科的，它作为一种通用的思维模式，渗透在各学科对自然现象本质规律的探索中。 (三)“模型”构建与“系统”预见性分析 跨学科实践的深化阶段，进一步聚焦于将抽象的因果关系和复杂的系统现象转化为便于理解和操作的实体模型或数学模型。这些模型不仅包括数学公式、计算机算法等抽象形式，也包括实物模型、概念模型等直观表达，它们都能够反映系统内各要素间的相互作用和动态变化。在自然和物理世界中，许多过程涉及多个相互作用的元素，这些元素之间的相互依赖关系极为复杂，难以独立理解和描述，故而将它们视为一个整体“系统”来研究[8]，例如，行星运动的规律并非单个因素所能解释，而是由万有引力、惯性以及各行星质量间的相互作用共同决定的一个系统性现象。模型构建为科学家提供了深入理解这些复杂系统和解决问题的有效框架，以应对现实世界中的各种挑战。例如，生态学家构建生态系统模型来理解物种间的相互作用、能量流动和物质循环；工程师和城市规划专家运用交通流量模型来预测和管理城市交通状况；数学家和气象学家开发气候模型，结合大量的观测数据和物理定律，模拟地球气候系统中大气、海洋、陆地和冰冻圈的相互作用，预测全球变暖带来的影响，如海平面上升、极端天气事件频率变化等。 无论是抽象的数学模型还是具体的实物模型，都是为了揭示和探索复杂系统内在规律的关键手段。尤其是在大数据时代，许多现象的发展并非呈现一对一的因果关系，而是由无数因素错综复杂地相互影响、共同作用的结果。因此，在跨学科实践中教师需要引导和帮助学生构建和应用模型，确保他们能够从多元、系统性的视角来理解和把握这些复杂现象的本质。此外，模型能够容纳和体现多个因素之间的相互作用和动态变化，即便因果关系不易明确的情况下，我们依然可以通过模型模拟来预测系统的未来发展趋势。学生通过掌握模型建立与应用的知识，能够针对未知现象进行科学合理的推测与解释，甚至在未发生前就能预估可能出现的情境，从而提前制定出高效且适应性良好的解决方案。这一过程有助于培养学生在面对复杂问题时的前瞻性思维和综合解决问题的能力。 三、基于STEM教育的跨学科概念学习与理解提升策略 跨学科概念能为学生提供有效的引导和框架，以探索和理解系统内部和系统之间发生的现象。[9]教师的关键任务之一是设计和提供包含跨学科概念的问题支架，以引导学生深入思考和探索科学现象的关键方面。[10]这样的问题支架有助于学生积极参与并掌握如何运用跨学科概念来深化对科学现象的理解，逐步发展从模式识别、因果关系推理到理解要素之间整体关系的科学解释能力。这种反馈循环策略在不同学科背景中的实践与应用，不仅能够帮助学生学习、理解和应用跨学科概念，还为教师提供了了解学生科学思维发展程度的证据。 (一)聚焦：这个是什么现象? 聚焦(engage)在探究教学中发挥着重要的作用，它有助于引起学生的注意并提高他们的观察力。聚焦策略的成功实施，能够激励学生在科学探究过程中主动寻求更深层次和有意义的知识收获，包括提出问题、展示引人注目的示例、使用视觉或数据等方式来激活其对科学现象的内在好奇心和探索欲望。在STEM教育中，教师可以充分利用“模式”“尺度、比例和数量”等跨学科概念，设计富有启发性和针对性的问题，引导学生在探究过程中深入理解自然现象和科学原理。例如，教师可以引导学生探讨如下问题(以下加粗字体标识了跨学科概念在问题中的体现)： 1.模式：(在生态系统研究中)不同物种的数量如何随时间和空间呈现出周期性或趋势性变化的模式?请尝试找出并描述本地公园内鸟类种群季节性迁徙的模式。 2.尺度与比例：(在纳米科技课程中)微小粒子的尺寸与宏观世界物品相比，遵循怎样的尺度与比例规则?请尝试通过模型制作或模拟，展示纳米材料的特殊性质与其微观结构之间的关联。 3.数量：(在气候变化议题中)温室气体浓度的变化与全球平均气温升高之间存在怎样的数量关系?请搜集历史数据，通过数学模型分析二氧化碳排放量增长与全球气温升高的定量关联。 通过这些问题的引导，学生将在STEM实践中不断运用并深化对“模式”“尺度、比例和数量”等跨学科概念的理解，从而培养他们在实际问题中抽丝剥茧、发现规律、量化分析的能力，进而提升其科学探究和解决问题的综合素质。 (二)推理：为什么会发生这个现象? 培养因果推理能力(reasoning)是构建科学思维架构的基础。当学生在STEM项目中发现具有一定规律性的模式时，教师应敏锐捕捉时机，引领他们围绕这些模式提出与因果关系密切相关的科学问题，从而激发他们的求知欲和探索精神，让他们专注于对事物本质而非表面现象的深入剖析。以“结构与功能”“物质与能量”“稳定与变化”等跨学科概念为例，教师可以引导学生结合观察到的模式提出更加深入的科学问题： 1.结构与功能：在学生观察到生物体器官结构的特定模式后，可以引导其提问：“为什么心脏具有特定的肌肉结构?这种结构与其泵血功能之间存在怎样的因果关系?如果我们改变心脏的某一结构特征，会对心脏的功能产生何种影响?” 2.物质与能量：当学生观察到化学反应过程中物质形态的变化以及温度、压力等参数与能量释放之间的规律性联系时，可以引导其提问：“在化学反应中，物质形态(如固态、液态、气态)的变化与反应过程中能量的吸收或释放之间存在怎样的因果关系?比如，当氢气和氧气反应生成水时，为何会有热量释放出来?” 3.稳定与变化：在研究生态系统稳定性时，教师可以启发学生思考：“物种多样性对生态系统稳定性有何影响?当生态系统受到外来干扰时，物种多样性的变化如何影响系统的恢复力和稳定性?” 通过以上方式，教师引导学生将观察到的模式与因果关系相结合，提出具有探究价值的科学问题，不仅有助于学生理解各学科概念的内在联系，还能有效提升学生的因果推理能力和跨学科解决问题的能力。 (三)建模：这个现象是如何发生的? 作为科学探究的核心手段之一，建模(modelling)为学生提供了亲身参与科学实践的机会，通过模拟和还原那些难以直接观察的现象，帮助学生深入理解科学原理并验证假设。以牡蛎净化水体的过程为例，尽管我们无法亲眼看见每一个微观层面的净化细节，但可以通过建模方法来直观呈现这一过程。例如，在STEM教育