基于跨学科素养培育的青少年科学教育
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作者:周建中 万立荣 张鑫
关键词科学教育跨学科素养青少年
《义务教育课程方案和课程标准（2022 年版）》明确要求：各门课程用于跨学科主题学习的时间不能少于总课时的10%。这表明国家高度重视跨学科素养在人才培养和课程建设中的重要作用。跨学科素养又称通用核心素养或横向素养，是具有跨学科、通用性质的核心素养[1]。科学教育是将科学的理念、方法、思想和精神内化为受教育者的信念和行为的教育过程，使科学态度与每一位公民的生活联系在一起，使科学精神与人文精神在现代文明中相互辉映[2]。针对科学教育具有学科融合的特点， 以及在育人方面的重要价值，指向跨学科素养培育的科学教育，对培养青少年成为全面发展的人起到了促进作用。
1 研究背景
1.1 《中国学生发展核心素养》中所蕴含的跨学科素养培育
《中国学生发展核心素养（2016）》总体框架中，从文化基础、自主发展、社会参与三个方面确定了六大核心素养十八个素养点。在这个框架里，既有领域相关的素养，也有跨学科的素养。纵观其整体阐述，主要是跨学科的素养。其中，与科学教育密切相关的跨学科素养要素包括：（1）理性思维，即对事实的尊重，对真知有追求的态度，乐于实证的意识;逻辑清楚，能够运用科学的思维和方法去认识事物、探索问题、指导实践活动等[3]。（2）批判质疑，即具有提出问题的能力，能够独立思考和作出判断;思维缜密，能够辩证客观地分析问题、做出取舍等。（3）勇于探究，就是要有好奇心、求知欲;能勇于尝试，主动寻求解决问题的方法;具有坚持不懈的探索精神等。（4）解决问题，即善于发现问题、提出问题，对解决问题有积极性; 能够根据当地情况选择制定合适的解决方案;具有应对复杂环境的应变能力等。（5）技术应用，即理解技术与社会发展、人类文明之间的关系，对技术有学习的愿望、掌握的愿望、运用的愿望;具有工程设计思维，能将创意进行物化或优化现有物品等。
1.2 《课程标准》中所蕴含的跨学科素养培育
《义务教育小学科学课程标准（2017、2022 年版）》中要求：倡导跨学科学习方式，结合相关知识在日常生活和社会生产中的应用案例， 开展科学、技术、社会、环境（STSE）教育;知道跨学科（科学、技术、工程、数学等）解决实际问题的方法，并尝试解决问题;设立跨学科学习主题，加强学科间联系，促进课程综合化实施。《中小学综合实践活动课程指导纲要（2017 年版）》在总目标中提到：学生在各自真实的生活中，在参与社会的活动中，在感知自然的过程中，积累了丰富的实践经验，逐步形成了对问题处理、综合认识、价值认同、价值领悟、创意物化等方面的意识能力。以上的STSE、价值体认、责任担当、问题解决、创意物化等均为跨学科素养的重要元素。
1.3 《双减意见》中所蕴含的跨学科素养培育
《关于进一步减轻义务教育阶段学生作业负担和校外培训负担的意见（2022）》（简称“双减意见”），旨在解决当前学生负担过重、压力过大、焦虑情绪过重的现状;彻底摒弃“只要分数”“只要升学”“只要毕业率”“只要就业率”的教育质量观;建立每一位学生主动、自由、全面的教育发展体系;倡导立德树人，五育并举，让每个学生都能爱学、乐学、善学，学有所成;以学生是否在教育和学习中“获得感、幸福感、安全感更充分、更有保障、更可持续”作为评价的基础[4]。上述“双减意见”的要义明确：我们教育培养的不只是唯学科知识、唯应试能力的学生，更要注重培养核心素养、综合素养、跨学科素养的人才。“双减意见”所包含的跨学科素养的培养，为科学教育实践活动的设计和实践提供了依据和支撑。
2 溯源与内涵
青少年跨学科素养的培养越来越受到教育界和科普界的关注，尤其是新课程方案中要求：包括科学在内的每门课程都要设计不少于10%课时的跨学科主题学习， 更是将跨学科作为教学和实践的关键词。那么跨学素养的要义何在？什么是基于科学教育的跨学科素养？ 素养、中国学生发展核心素养、学科核心素养与跨学科素养之间的关系为何？ 需要进一步阐释与厘清。
2.1 素养与核心素养、中国学生发展核心素养的关系
“素养”理念形成的三个历史阶段，第一阶段，素养，也就是技能;第二阶段，素养，也就是在学校里传授的知识和技能;第三阶段，素养强调知识的社会建构过程，强调学习者既有经验和背景知识等，也就是社会文化的创造[5]。目前，人们对素养的内涵，即素养包括知识、技能、情意等要素，已达成基本共识。
“核心素养”是进入21 世纪后逐渐被教育领域所重视的概念。基于终身学习的社会需求，联合国教科文组织提出了“学会求知、学会做事、学会与人相处、学会自我实现、学会改变”的“五大素养”，在培养“21 世纪能力”时，必须重视四个维度―――知识、技能、人性、元学习，以及与知识同其他三个维度的关联。因此，学校课程必须从“知识本位”的课程设计转向“素养本位”的课程设计，借以培养学生的“全球素养”“环境素养”“信息素养”“数字素养”“系统思维”“设计思维”等[6]。
《中国学生发展核心素养》明确指出：核心素养是指学生应具备的必备品格和关键能力， 以培养全面发展的人为指向，分为文化基础、自主发展、社会参与三个方面，如图1所示，共六大类核心素养。每类核心素养中又包含三个素养点，如“科学精神”中的理性思维、批判质疑、勇于探究;“责任担当”包括社会责任、国家认同以及国际理解等[7]。这些素养点以培养德、智、体、美、劳全面发展的人为目标，具有综合性、系统性和跨学科性的特点。
2.2 中国学生发展核心素养与学科核心素养的关系
现在的学校教育主要是分学科教学， 学生在学校参加各类学科的学习，如语文、数学、英语、物理、化学、生物、历史等，那么，各学科的学习应该培养学生哪些核心素养呢？ 如果各个学科的老师还停留在知识技能的传授上， 那么学生的核心素养将如何得到培养？有研究者认为：核心素养是作为新时代新人形象的“蓝本”，各学科作为支撑这一蓝本的“构件”，它们各自具有固有的本质特征、基本概念和技能，以及各自学科所w现的认知、思维和表象[8]。因此，“核心素养”与“学科素养”之间的关系并不是相关条目间的简单对应关系。“核心素养”的养成，不是将几种要素机械叠加， 而是学习者在真实的情境中综合解决问题能力的表现。《义务教育课程方案和课程标准（2022 年版）》中提出了各学科的核心素养，以科学、生物、物理、化学学科为例，如表1所示。
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从表1可知，科学、生物、物理、化学学科核心素养之间存在重叠交叉，都有“科学探究”“科学思维”“态度责任”等核心素养。“科学探究”“科学思维”与“中国学生发展核心素养”中“科学精神”下的“理性思维、批判质疑、勇于探究”三个素养点相关联。“态度责任”与“中国学生发展核心素养”中“责任担当”下的“社会责任”素养点相关联。根据学科核心素养的亲疏关系， 可以把这些学科归入科学类的学科群中。从孤立的单科到学科群内的跨学科，能够为落实核心素养找到可行的路径。指向素养培养的学习往往是从现实世界中的“真”问题开始探究，探究过程中可以培养学生解决问题、假O设计、信息处理、实践反思的能力、增加人文素养和科学精神等。但对“真”问题的探究往往很难局限于某一学科，现行学科的细致分类会割裂知识间的天然联系， 使得学习中只能讨论理想状态的问题， 各学科的知识运用都是简化或虚拟的情境。当教师和学生一起来探究“真”的问题时，就会发现，提出问题的可能是物理学科， 然而在探究的过程中， 会涉及到其他学科的内容，比如化学、生物、地理等学科。因此，核心素养落地中小学教学，需要打破严格的学科界限。
2.3 跨学科素养与中国学生发展核心素养、学科核心素养的关系
中国学生发展核心素养中的各个点， 很难对应某一门学科，体现的是跨学科的特点。在培养学生核心素养的大背景下， 跨学科学习也在近几年逐渐成为大家关注的热点， 那么跨学科只是把多学科的知识融合在一起进行教学吗？ 有学者认为：跨学科、多学科、超学科之间的相互关系应如图2所示。
图2显示了多学科、跨学科、超学科中学科的整合程度。多学科中的学科边界较为清晰;跨学科处于整合的中间水平， 强调学科边界的软化和学科间的相互勾连; 超学科是指在学科边界共同交叠的地带发展新的解释性系统。所以，跨学科并不是简单地把几个学科的知识拼凑在一起， 而是在解决真实问题的过程中，学科知识之间的相互融合，融合后的跨学科知识呈现出“你中有我、我中有你”的样态，具体哪门学科的知识就很难说清楚。
如图3所示， 本研究按照各种素养之间的关系构建的素养塔，底层是学科层面，包括分学科、多学科，学科核心素养、多学科素养都在这个层面上。多学科素养是指根据实际情况将学科核心素养拼凑而成的多学科素养，学科间的界限分明。素养塔的第二层是跨学科层面， 与之相对应的跨学科素养是融合学科边界后的素养， 这一层面存在着以学科群为单位的各类跨学科素养，例如科学类、人文类跨学科素养等。素养塔的第三层是超学科层面，对应的是中国学生发展的核心素养，这个层面没有学科之分，最接近育人目标。
2.4 在科学教育中汲取跨学科素养培育要素
《全民科学素质行动规划纲要（2021-2035）》把青少年作为科学素养提升行动的第一人群;并将“激发青少年的想象力和好奇心，增强科学兴趣和情感、创新意识和能力， 培养一大批具有科学家潜质的青少年群体，加快夯实科技强国建设的人才基础”作为一项重要内容。所以科学教育的目的是培养青少年的科学素养。
“科学素养”是动态发展中的概念。佩拉在上世纪提出：具有科学素养的人能够理解科学的本质和基本概念，理解科学与技术的区别，理解科学与人类、社会的关系， 理解控制科学家工作的伦理道德[10]。《面向全体美国人的科学》提出“科学素养包括：对科学的重大概念和原理的了解;尊重自然和谐统一性;懂得科学、数学和技术三者之间的相互依赖关系;认识到科学、数学和技术是人类共同的事业;运用科学知识、思维、方法来处理个人问题和社会问题。”“经济合作与发展组织” 指出：“科学素养是运用科学知识，确定问题和作出基于实证的结论，以便通过人类活动对自然世界的改变进行理解和作出决定的能力。”[10-11]当前，国内科学教育中，将科学素养的要素分为：科学观念、科学思维、探究实践和态度责任[12]。以上科学素养的要素同样具有跨学科性。
纵观素养、核心素养、中国学生发展核心素养兼具跨学科属性，再从科学教育的角度来看：科学作为学科， 它是构成中国学生发展核心素养蓝图的重要构建，其培育的科学素养具备跨学科性，因此从科学教育中汲取跨学科素养成为培养青少年的教育目标， 理应成为新时代科学教育、科普工作的重要内涵。科学由生物学、物理学、化学、天文学、地理学等学科分支组成;科学与技术、工程、数学的相互影响日益增强，表现出学科的融合性。科学的本质是对客观世界进行探索和改造的实践活动， 它突出了探究性。科学的探究实践过程一般要经过问题的提出、猜想与假设、设计实验、证据的收集、分析论证、交流协作等环节， 这也反映出科学教育在实践过程中所具有的设计、协作、交流等方面的特点。以上的学科融合、探究、设计、协作、交流具有跨学科性，可以将其凝炼在科学教育的跨学科素养培育中， 即为学科融合素养、设计素养、探究素养、协作素养、表达素养。
3 实践策略
科学教育具有实践性、拓展性、综合性特征。在科学教育中倡导探究实践， 将科学概念通过动手动脑的实践体验式活动而获得， 是科学学科课堂学习的有效延伸与提高; 也是培养学生探究实践能力与跨学科素养的重要途径。让科学的观念、思想、方法深入人心， 跨学科素养在一次次科学实践活动中得到滋养和培育，需要教育工作者、科普工作者不断寻求理念与资源支持、摸索跨学科素养培育的方法、引导学生走向深度学习、倡导不拘于环境与多种形式相结合的科学教育实践。
3.1 理念与资源支持
理念支撑。《国家中长期教育改革和发展规划纲要》明确提出，“坚持以人为本，推进素质教育是教育事业改革发展的战略主题”。以人为本的教育思想，离不开和谐教育的理念。和谐一定是以人为本的，以人为本的和谐教育是历史的必然， 也是教育的属性[13]。这与《中国学生发展核心素养》的要求即培养“全面发展的人”相呼应。其中核心素养各要素中主要包含了相关的跨领域跨学科素养， 这对在科学教育中实施跨学科素养培育具有指导意义。同时结合“生活即教育”理念[14（] 从生活中学习）、“生活科普”理念[15]（不拘环境与形式的科学教育）， 又为跨学科素养在科学教育中的培育提供了方法和形式上的借鉴。
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资源支持。教育部新发布的《义务教育课程方案和课程标准（2022 年版）》中的相关学科的跨学科主题，为科学教育实践提供了切实可行的活动内容。如《义务教育科学课程标准》中的“生物与环境”“人与环境”“技术与工程、社会”“工程设计与物化”;《义务教育生物学课程标准》中的“生物学与社会・跨学科实践”;《义务教育物理学课程标准》中的“物理学与日常生活”“物理学与工程实践”“物理学与社会发展”;《义务教育化学课程标准》中的“化学与社会・跨学科实践”;《义务教育地理课程标准》中的“地球之肾”“我的家在这里”……可见，这些主题或内容，都是基于科学的跨学科拓展， 也是跨学科素养培育的重要实施媒介。
3.2 各素养培育要点
（1）W科融合性素养：运用学科融合的意识和方法解决问题的思路，即为学科融合素养。学科融合素养的培养， 可以直接借助课标和教材中有关跨学科的主题和内容设计进行; 也可以将教材中的学科内容主动设计成学科融合主题进行指导[16];也可以就某一主题， 运用不同学科的知识原理进行解释、表达、实践等。
（2）探究素养：科学教育的关键是探究实践，因此探究素养的培育可以指导学生在一系列拓展观察、调查、实验过程中进行。教学和科普指导中，运用“5E”指导法[17]进行探究素养培育。
（3）设计素养：设计是在高阶思维上建立想象与创造。如何统整科学与工程学，较好地培育学生设计素养，成为科学教育中培养跨学科素养的重要环节，所以在科学实践活动中，教师要创设学生进行设计的空间， 按照“我的设计要素”[18（] 我准备找的材料，我设计的实验装置图，我设计的实验方案等）进行指导。
（4）协作素养：科学实践活动具有协作性，强调在群策群力中互相帮助、互相启发，进行群体性知识建构。科学探究的问题往往产生于真实情境中，解决真实任务离不开同学、老师、专家等的协作[19]。
（5）表达素养：基于科学学科融合性极强的特点，也就赋予了其展示、研讨、答辩、发表、海报、科学表演秀等更多的表达交流形式， 为培养学生在科学实践活动中的表达素养创造了有利条件[20]。
3.3 应走向深度学习
跨学科素养要素需要融入精心设计的活动案例，更需要在科学教育活动中，激发、引导学生充分地设计、探究、合作、表达，这不但有利于学生逐步培育跨学科素养， 同时又将这种实践指向基于设计与探究的深度学习，进一步促进跨学科素养的培育。基于深度学习能促进跨学科素养的培育， 因此在进行科学教育实践活动中可以提倡“双设计方法”“两次倒转法”。
“双设计方法”包含指向教师教的设计和指向学生学的设计。在相关的科学主题实践中，教师设计的不同体验场景，设置不同层次的问题情境，旨在促使学生在充分的体验实践中，真实、有效、深入地探究;学生根据收获的科学原理进行“我的设计”体验，目的是在取舍材料、构思模型和精心策划的过程中启发灵感、碰撞思维、培养创造性思维。双设计的目标是指向学生在科学实践中的深度学习[21]，这也为培养设计素养创造了条件。
“两次倒转法”教学是直接从认识出发而不是实践出发，有目的地指向人类已有的认识成果的学习，也就是“第一次倒转”。“第二次倒转”就是把第一次“颠倒”的过程再倒转回去，帮助学生重现、体会知识的发现和重构过程[22]。“两次倒转”的目的就是让学生处在真实情境，自主地经历探究的整个过程，从而逐步培养探究素养。
3.4 不拘于实践环境
教育应是生活本身。教育必须与学生现有的生活有机融合， 因为一切事物的存在都是人与环境相互作用而产生的，人不能脱离现实环境，学校也不能脱离现实生活[23]。教学空间不能仅限于教室、实验室等固定场所，可以走向更加开放的生活和自然空间，这是由科学学科与自然界千丝万缕的联系所决定的，即观察科学现象、选择实验对象、探寻科学原理都离不开大自然;也是由科学实践的主体（学生）与生俱有的好奇心和对周围世界求知欲的心理特征所决定的[24]。
因此， 科学教育实践的指导与组织要兼顾科学学科、儿童心理、自然生活三要素，进行跨学科内涵的自然渗透。将科学概念、科学方法、科学本质、科学思想等镶嵌在孩子们喜闻乐见的科学主题中[25]，创设多样的实践环境，课内课外利用生活中的素材，探究生活中的问题，进行生活中的实践。通过课堂内外的自然切换，科学主题与自然环境、社会环境的有机结合，教学氛围的精心营造，在学校、自然、生活、社会等环境中实现科学实践活动， 不仅可以激发学生对科学活动的兴趣，培养其主动探究的能力，而且可以提升课程的实用性、趣味性和跨学科性的宗旨[26]。上述的各种环境， 为科学实践与其他学科的自然结合，为跨学科素养（学科融合素养、交流素养、协作素养）培育创设了学习与实践的空间。
3.5 多种形式的结合
生活科普提倡“观生活中的现象，用生活中的材料，探生活中的科学，在实验室之外也可以进行科学实践， 使科学的思维和方法在现实的问题情境中得到普及，培养科学的情感和态度”[27]。它期待创造这样的空间，在这个空间里，孩子们可以释放快乐、童心、兴趣和思想。生活科普的六种实践形式：生活实验、科学对话、科学游记、科学童话、科学情景剧、自然笔记，即可作为科学教育活动的实践形式[28]，同样也可以作为跨学科素养培育的有效载体。
基于跨学科素养培养的科学教育应倡导多元的指导形式， 针对采用较为单一的教学与实践方式的特定场所（如传统教室、实验室等）进行生活化的拓展。如把一般性的课堂交流设计成“两小孩辩日”式的有质量、有内涵的科学对话式教学（科学与语文的融合）;如在真实的自然情境中，学习者在旅行中伴随观察、记录、理解的思维变化，逐步实现的科学游记教学（科学与人文的融合）、自然笔记教学（科学与美术的融合）;如将科普童话（科学与语文的融合）与教材相结合，利用故事先做铺垫，激发学生学科学的兴趣;如指导学生编排科学情景剧（科学与戏剧的融合）， 让科学实验和原理巧妙地融入情景戏剧表演中，孩子们在这种时空转换和角色体验中进行学习，收获的科学概念也是最深刻的[29-30]。这种多形式组合、多学科融合的科学教育活动，为基于科学的深度学习创造了条件，也更有利于学生在探究实践、发现设计、表达交流中培养跨学科素养。
4 结语
科学教育从研究性学习，到STEM 教育、项目化学习，再到形式多样的实践体验，其要义就是学生在真实的问题情境中，好奇心得以激发，探究欲望、探究实践得以实现，并在实践的过程中通过猜想、设计、探究、反思、合作、交流等一系列活动，收获科学观念、科学方法、科学思想、科学精神，而这其中更多的是汲取与人全面发展、终身发展密切相关的跨学科素养。本研究从素养、核心素养、中国学生核心素养、跨学科素养的内在关系出发，结合科学与其他学科的教学实践与思考， 倡导学科融合素养、设计素养、表达素养、探究素养、协作素养等跨学科素养在科学教育中的培育， 期望通过本研究成果为教育同行提供参考与借鉴。这项研究还有不断完善和提升的空间， 特别是基于跨学科素养的评价体系如何设计、不同学科教师之间如何促进跨学科式协同教学等，都需要继续深入研究。
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