跨学科概念“尺度”教学单元的设计

靳冬雪 刘恩山

（北京师范大学生命科学学院 北京 100875）

美国在《下一代科学教育标准》（Next Generation Science Standards, NGSS）中强调的跨学科概念，是对理科知识共通性的高度归纳［1］，它打破了学科界限，将不同学科的知识相联系，强化学生对核心概念和科学及工程实践的理解，促进连贯科学世界观的形成［2］。其中“尺度（scale）”概念从定量的角度描述、分析和解释了结构与现象，是理解自然界运转机理的出发点。尺度概念渗透在科学学习的各方面，但我国中小学理科学习阶段并未对尺度进行明确、集中的学习。研究也表明，在较小尺度上，学生对现象和科学概念的理解比较困难［3-4］。因此，笔者以尺度概念的含义与特征为基础，设计“尺度”教学单元，并以校本课程的形式在北京某高中1年级学生中开展了2 轮教学实践。依据实地教学在概念的结构梳理及表述、课堂环节衔接、教学活动的参与度、学生对尺度概念的理解情况等方面的反馈，逐步完善“尺度”教学单元的设计，并总结出结合“以指向核心概念的问题为起点”及“5E 教学模式”的教学设计思路，旨在促进学生对尺度的理解和跨学科思维的形成。

1 尺度同时具有绝对和相对2 个方面的特征

尺度是人们看待世界的一种标准。在科学领域中，尺度指人为划分的、研究某一物体、现象或过程时采用的空间、时间或能量单位，能帮助人们从定量的角度观察和分析研究对象。

从绝对意义上讲，自然界中的事物都有其存在或发生的尺度，可用数量级的方式进行表示，例如原子是在10-10m 的水平上。因此，可将科学研究划分为3 等尺度：人类肉眼可视的宏观尺度、不能直接观察的极小或极快尺度及不能直接观察的极大或极慢尺度［5］。对于无法直接用肉眼观察的尺度，可利用技术工具进行间接研究［2］。而从相对意义上讲，尺度将作为内在变量影响被研究的事物。当尺度变化时，自然界的不同方面，包括事物的性质、事物间的关系、现象背后的机制等也在以不同速率发生变化［6］。将尺度作为变量，在一个尺度上得出的结论可能会比另一个尺度更为具体，但也有可能是无效的［7］。

科学现象往往比较复杂，人们常需在不同尺度间作转换以理解其中的关联［7］。同种尺度内的关联可帮助人们理解事物的本质，或作出预测，例如化学反应的宏观变化与其微观机制的联系。此外，事物在不同种尺度间也存在着关联。当人们考察的空间尺度发生改变，其时间尺度也会随之改变［5］。在小的空间或时间尺度上发生的改变，可能会造成大空间尺度上的长期影响［5］。

2 以问题驱动的方式设计尺度教学单元

为了实现指向概念理解的教学，帮助学生深入理解所学知识，教师可采用“以指向核心概念的问题为起点”［8］的教学设计思路组织教学内容。该教学思路以问题驱动的方式为主，将需要学习的核心概念拆分成若干下位概念，并按照逻辑组织起来，对所有概念都提出相应的问题，以此作为指导教学资源收集、内容安排的框架。笔者依据该思路，设计以尺度概念为主题的教学单元。

2.1 梳理概念结构 NGSS 在附录中以学习进阶的方式指出了不同学段学生应当理解的“尺度”概念，并以陈述句表述。这些可作为主题单元教学内容的主要来源。本次设计选择9～12年级，可对应我国高中学习阶段，内容如表1所示。

表1 NGSS 中对9～12年级学生应当理解的尺度概念的描述

这些需要学生理解的尺度概念，在NGSS 中是默认建立在之前学段已经掌握过部分尺度概念的基础上，但我国高中生在之前的学段中并未明确学习过尺度，因此需要在本单元的概念结构中加入尺度的定义，使其连贯、完整。此外，表1的4条尺度概念中，涉及到了3 个尺度以外的跨学科概念——系统、模型及模式。为避免理解困难，需要对这部分语言进行转换。

最后，依据这些概念的含义进行层级划分，梳理成一个清晰的结构，辅助后续教学活动的选择和组织（表2）。

表2 “尺度”主题教学单元的概念结构

上表中，尺度概念被划分为2 个部分，前半部分侧重绝对尺度，这样可在理解尺度与研究现象之间具有对应关系的基础上，学习后半部分侧重相对尺度的内容，将尺度作为“变量”理解现象之间的关联与变化。

2.2 提出关键问题 表2中的概念是尺度主题单元的重点，但陈述句的形式缺乏激发思考的效果，因此将上位概念与下位概念均转换成待解决的关键问题的形式。这些问题的答案会直接指向表2中的概念，以此驱动教师的教学设计进程，再通过课堂教学引导学生思考（表3）。

表3 “尺度”主题教学单元待解决的关键问题

按照表2概念结构中“绝对尺度和相对尺度”的组织逻辑，可将此单元划分为2 课时，第1 课时解决问题1（包括1.1 和1.2），第2 课时解决问题2（包括2.1 和2.2）。并且，下位概念是理解上位概念的基础，所以想要解决上位概念对应的关键问题，需要先解决其下位概念对应的关键问题，这是安排课堂活动时遵循的基本顺序。此外，“以指向核心概念的问题为起点”的思路虽然有助于设计教学活动，并有效指向概念学习，但对于一节完整的课来说，还需要紧凑的环节将教学活动衔接起来，使其节奏适当、重点突出。因此，在该设计思路的基础上，参考美国生物科学课程研究（Biological Sciences Curriculum Study）提出的“5E 教学模式”［9］，按照“引入、探究、解释、精致、评价”5 个环节规划课堂。

2.3 设计教学活动 根据表3的关键问题及“5E教学模式”，寻找素材，设计活动，引导学生通过回答这些关键问题理解尺度概念。教师通过收集图片、数据、动画等形式的素材，辅助学生参与到资料分析、提问引导、观察总结等活动中［8］。

2.3.1 第1 课时教学计划 学生将在第1 课时中学习尺度的定义与分类，理解事物与绝对尺度的对应，以及人们面对极端尺度时采取的研究方法。

2.3.1.1 引入 引入环节的目的是吸引学生的注意力，促使他们思考与尺度相关的问题。教师展示4 张分辨率从低到高的图片，并提问为什么它们的清晰度不同？让学生互相讨论，并自由表达观点，教师无需纠正学生的错误答案。

2.3.1.2 探究与解释

教学活动1：改编生态学案例，旨在回答问题1.1。如图1所示，当利用不同基本单位调查同一区域的植被覆盖情况时，呈现的结果有什么不同？从中可以总结出什么？图中白色表示无植被覆盖，灰色表示有植被覆盖但面积小于50%，黑色表示有植被覆盖且面积大于50%。让学生分组讨论并归纳自己的观点，教师结合学生的回答总结尺度的定义与分类。

图1 利用不同基本单位调查相同区域的植被覆盖情况［10］

教学活动2：观看经典影片Powers of Ten，回答问题1.2。在该影片中，随着空间尺度从1024m到10-16m 连续变化，画面也从极其遥远的麦哲伦云之外的宇宙空间逐步变换成夸克。这部影片（1968年）虽年代已久，但它很好地结合了具体的视觉形象和抽象的数学符号，已有研究证明它能显著提升进学生对空间上的绝对尺度和相对尺度的理解［3］。观影结束后，让学生思考和讨论，当人们遇到极小／极大／极快／极慢尺度上的现象时，该如何研究？ 教师结合学生的回答，展示扫描电镜、哈勃天文望远镜、高速摄像技术、延时摄影技术的动画，并总结对于极端尺度上的现象需要进行间接研究。

2.3.1.3 精致 精致环节的目的是让学生练习应用绝对尺度。结合教学影片Powers of Ten的内容，举一反三，让学生用数值表达不同事物的空间、时间或能量尺度，例如洋葱表皮细胞（10-5m），人类进化（104年），灯泡（101J）等，引导学生思考现象与尺度间的对应关系。教师结合学生的回答，总结一个现象是否有意义取决于它发生的尺度。

2.3.1.4 评价 课堂的最后需要评价学生对尺度概念的掌握情况。可结合学过的生物学知识，例如，让学生讨论并回答“不同的囊泡能将物质准确运输到目的地并‘卸货’，请从分子水平上提出目的地准确接受囊泡的可能机制”。若学生能回答出信号分子与受体结合／糖蛋白识别等答案，则可认为其较好地理解了本课时的内容。同时鼓励学生对本课时内容的理解进行自我评价。

2.3.2 第2 课时教学计划 在第1 课时学习过绝对尺度的基础上，学生将继续学习相对尺度，理解尺度作为“变量”影响自然界的现象与过程。

2.3.2.1 引入 课堂开始时，教师要引导学生关注“尺度的变化”。可采取学生熟悉的情境作为活动背景，例如，在不同时间尺度下，校园小花园中植物数量的变化可能是怎样的？ 让学生在图2所示的坐标系（植物数量为假设）中绘制曲线，并讨论随着尺度的变化，观察到的现象可能会有什么变化？

图2 校园小花园中植物数量可能的大致变化

2.3.2.2 探究与解释

教学活动1：绘制和比较不同空间尺度下天体运行的轨迹，旨在回答问题2.1。让学生以小组为单位，讨论并分别绘制月球在地月系统、太阳系中的大致运动轨迹，以及八大行星在太阳系、银河系中的大致运动轨迹。绘制完成后，让学生分组展示，比较、讨论和修改小组的轨迹曲线，并回答为什么同一个天体的轨迹会有所不同？随后教师播放银河系中八大行星大致运动轨迹的动画，并结合学生的回答总结事物会随着尺度的变化而变化。

教学活动2：以活动1 为基础，通过分析自然科学中的规律等回答问题2.2。让学生思考，若现象会随着尺度变化而变化，提问规律是否也受尺度变化的影响？ 教师通过举例帮助学生分析，例如万有引力定律、质量守恒定律等在不同尺度上是否可直接迁移应用？ 以质量守恒定律为例，它可从宏观尺度迁移至原子尺度（化学反应前后原子数不变），但在原子核尺度上，核反应已不再是化学反应，反应前后原子数不再守恒。学生还可结合学习过的其他规律进行分析和讨论，并归纳自己的观点。教师结合学生的分析和回答，总结在一个尺度上发现的规律在另一尺度上不一定也成立。

2.3.2.3 精致 该环节中，学生将练习应用相对尺度。教师需准备若干组毒素致病机理的描述及相应的中毒案例，如图3所示。让学生将打乱顺序的毒素与案例正确匹配起来，即关联微观机理与宏观表征。教师提问学生判断毒素与案例匹配的依据，并强调其中的关联，最后总结一些现象在不同尺度上是相关联的。

图3 毒素致病机理描述及病征案例描述卡片示例

2.3.2.4 评价 播放纪录片The Nano Revolution（纳米革命）中的片段——在分子水平上鉴定病变细胞释放的信号分子，能较早预测疾病的发生。之后，让学生描述疾病诊断在不同尺度上的关联，从而评价学生对相对尺度的理解。若学生能比较清晰地阐释信号分子鉴定与病征预测之间的关联，则可认为其对本课时内容有较好的理解。同时鼓励学生对本课时内容的理解进行自我评价。

在这2 课时的教学计划中，每回答一个下位概念对应的关键问题，都会进行一次探究和解释，因此无需将这2 个环节严格划分开，可组合成为一个大的环节。在这个大环节中，教师须参与每一次的学生讨论，了解他们在讨论时的思维过程及理解上的难点，作为形成性评价，以便在总结时更好地引导学生。

3 结语

《K-12 科学教育框架》（A Framework For K-12 Science Education）中强调科学教育应当向真实的科研环境靠近［5］，这必然涉及尺度概念的学习，引导学生从定量的角度理解世界运转的机理。尺度概念与“建立并使用模型”的实践相关，模型是理解尺度的最佳方式［2］，例如本教学单元中学生对各天体运动轨迹的绘制。教师在进行尺度概念教学时，可根据学生的知识和能力基础，与其他跨学科概念和实践相结合。此外，研究还发现使用与学生相关的活动和主题，并融合数学（例如指数、比例推理）的方式进行教学，可很好地帮助学生掌握尺度概念，从而使他们理解不同尺度上观察到的科学现象［11］。

机理：左旋结构的萨利多胺能够与DNA 发生化学反应从而改变DNA 的结构，尤其是DNA 链中富含鸟嘌呤脱氧核苷酸（G）的区域。富含G 的区域与肢体、面部特征和特定器官的发育有关，该区域结构的变化导致转录酶无法与其正常结合。

案例：有毒物质1

1960年，FDA 的Frances Kclscy 博士驳回了某药物在美国上市的申请，理由是其缺乏充分的安全性报告。自1956年以来，该药已经在20 多个国家上市，用于缓解孕妇的孕吐反应。然而，很快在全世界范围内出现了与该药物相关的负面报道，使用该药物之后，出生的婴儿无肢体和耳朵或肢体畸形。该药物带来的负面影响推动了1962年FDA 的药物审核改革，同时，Frances Kelsey 博士也受到了由总统John F.Kennedy 授予的杰出民事服务奖。

其实，学生在课上与课外的经历中已经有过与尺度相关的学习经验，但不够清晰和明确［12］。所以，教师要在学生已经对“尺度”有初步认知的基础上，对其进行明确地归纳、界定和强调。目前我国普遍实行的仍是分科教学，在无法实现尺度的单元化、集中教学的情况下，教师可拆分此单元内容，选择合适的部分融合进日常的学科课堂。教师也可进一步开发支持尺度学习的课程和活动，促进学生逐步掌握这项思维工具，培养跨学科思维。