将跨学科概念融入化学教材——美国教材的做法

王维臻 张荣慧 钟晓媛

摘要： 调研分析美国《科学维度： 化学》（简称HMH）教材落实跨学科概念的具体做法。在内容组织上，HMH教材重视学科概念与跨学科概念的相互支撑，渗透跨学科概念的上位特征。在呈现上，以多种栏目设置和落实跨学科概念，创设多层次情境，并设计指向跨学科概念的活动与任务。这些做法对我国化学教材的建设有一定的启示意义。

关键词： 跨学科概念; 上位特征;美国化学教材研究;HMH教材

文章编号： 1005-6629（2021）10-0091-07

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

在发展核心素养的科学课程理念下，跨学科概念已成为课程改革关注的焦点之一。美国《下一代科学教育标准》[1]（以下简称NGSS）将跨学科概念与学科核心概念、科学与工程实践并列，构成科学教育内容体系。多国科学课程文件中都有“共通概念”或类似提法。我国理科课程也开始关注跨学科概念。高中生物学课程标准中已提到跨学科的科学概念和过程。《普通高中化学课程标准（2017年版）》[2]指出，要适当融合跨学科知识，以发展学生的综合问题解决能力。

跨学科概念，是对理科知识共通性的高度归纳。作为组织科学课程的大概念，跨学科概念的价值包括促进概念整合、为理解新知提供支持、支持科学探究、促进对科学本质的理解等。体系、物质、能量、结构与功能、稳定与变化等作为跨学科概念，受到了广泛的关注[3]。

在我国分科教学制度下，如何培养学生对科学的整体性理解，统整多学科概念、方法和工具去理解、解决真实的科学问题，是学科课程面临的重要挑战。已有研究在将跨学科概念融入学科课程和教学上进行了诸多探索： 有些研究从课程角度探讨了跨学科概念融入理科课程的可能性[4，5]，不少教学研究关注挖掘承载不同学科知识的素材[6，7]。但由于不聚焦跨学科概念，很难实现从知识到观念的提升，也就难以体现跨学科概念发展科学整体性理解的价值。

教材是对课程的具体化解读，是对教学的方向性导引。跨学科概念能否在科学教育中发挥作用，在某种程度上取决于教材对其落实的程度和形式。然而，我国基于跨学科概念的教材研究较为欠缺。已有教材研究较多地关注对教材某部分（如结构、栏目、习题、情境设置等）或某内容主题（如化学史、化学平衡等）特点的分析和比较[8，9]，而对于跨学科视角的教材研究则较少，同时泛化于跨学科内容[10]，因此总体上对教材如何落实跨学科概念讨论不足。

美国对跨学科概念的关注持续了30年。NGSS更是明确了7个跨学科概念： 模式，原因与影响，尺度、比例与数量，体系与体系模型，能量与物质，结构与功能，稳定与变化。这些概念融合了科学概念与方法，着力凸显价值，值得对美国教材如何落实这些跨学科概念开展研究。全球三大教育出版集团之一的哈考特出版社（HMH）根据NGSS编写并于2020年出版了《科学维度》系列教材。本研究以《科学维度： 化学》[11]教材（以下简称HMH教材）作为研究对象，探讨其落实跨学科概念的做法，以期为我国化学教材的建设和修订提供启示。

1  教材基本情况

作为“为下一代设计的教材”[12]，HMH教材指出，未来场景对科学素养要求很高，对创新和问题解决能力的要求更高，因此，化学课堂应该具备以学生为中心在情境中学习、解决问题、积极参与科学活动等特点。该教材是为9～12年级学生设计的分科必修化学课程，共五个单元（见表1）。

2  教材融入跨学科概念的具体做法

HMH教材对7个跨学科概念都有所涉及。一方面，能量、物质、结构、体系、变化等作为化学学科中的重要词汇，在教材中大量出现;另一方面，立足于跨学科视角，跨学科概念本身在教材中出现的频数并不高，多集中在某个主题上。例如，“稳定与变化”多体现在化学平衡主题，“尺度”“模式”主要体现在物质结构与性质主题等。

为了分析HMH教材组织和呈现跨学科概念的做法，研究进行了定性与定量相结合的文本分析。定性分析主要用来解释跨学科概念的组织方式，定量分析则用于统计跨学科概念的栏目分布和情境设置。通过分析，HMH教材组织和呈现跨学科概念的做法可以归纳为三点。现阐释如下。

2.1  依托学科内容框架，为学科内容的组织提供新思路

跨学科概念的意义有二。其一，加深对学科核心概念的理解;其二，打破学科界线，建构对世界科学、整体的认识[13]。要体现跨学科概念的意义，其组织就需要既立足于发展学科概念，又体现跨学科概念超越学科概念的上位特征。

2.1.1  关联学科概念，依托学科内容框架

跨学科概念是从理科概念自下而上抽提出来的，表现出理科概念的共通性。因此，学科内容势必可以在一定程度上体现相应的跨学科概念。找到跨学科概念与学科内容的结合点，是跨学科概念融入学科教材的重要途径。

对教材中跨学科概念设置位置的学科内容整理（见表2）发现，跨学科概念伴随具体学科概念反复出现。跨學科概念与学科内容的密切关联，使学科概念框架成为了组织跨学科概念的基本框架。

学科概念对跨学科概念的支撑体现在具体知识上。以“原子与元素”单元的元素周期律一节为例，该节的教学重点是探究元素周期律。元素周期律即是一种“模式”，为了探寻这种模式，学生需要分别探究原子半径变化的规律、电离能变化的规律、电负性变化的规律。这些规律都是“模式”这一跨学科概念在化学学科中的体现。这些规律的发现将最终帮助学生建构起对元素周期律的认识。从这个例子可以看到，学生对化学具体知识的学习过程将会支撑对“模式”这一跨学科概念的认识。

2.1.2  提供组织学科内容的新思路

在元素周期律一节的例子中，除了依托学科知识的学习过程渗透对“模式”这一跨学科概念的认识之外，寻找“模式”（规律）这类任务的反复出现，也使“模式”这个关键词成为了组织该节内容的重要线索和思路。跨学科概念能够为学科概念的理解提供新思路和视角，体现了其上位特征。

一些跨学科概念本身就是重要的学科观念，贡献了学科的重要认识角度，如物质、能量、体系、尺度等。在这种情况下，依托跨学科概念，学科具体内容可以跳出节与单元的限制，实现跨单元整合。下面以“体系”概念对HMH化学教材的整合作用为例进行说明。

体系是化学反应原理和化学工程领域的重要概念，是认识化学平衡、化学反应与能量等主题的重要认识角度。在教材中，合理设计体系概念，可以实现对化学内容的跨单元整合，也可以实现对化学与其他学科的整合。

在第1单元“化学与工程”大篇幅介绍“体系”，为后续单元的学习奠定了基础。之后，“体系”一词直接且大量出现，从太阳系、地球系统、生命系统，到体系的能量流动趋势，潜移默化地伴随着学生的化学学习。到第4单元“化学反应”，“体系”对揭示反应规律的意义逐步显现。在第5单元，学生开始讨论多种类型的化学反应体系。在这个例子中（见图1），“体系”概念贯穿全书，既贡献了重要的化学认识角度，引导学生在不同情境下建立“体系”，深化对“体系”价值的理解;又体现了其作为跨学科概念对学科具体知识的整合作用以及对不同学科情境的关联作用。

2.2  渗透跨学科概念的上位特征

跨学科概念的一些特征在具体学科概念中难以直接体现。这些特征超越学科，导致其尽管是重要的科学理念与做法，却不容易通过具体知识教学传达出来。例如，模式无处不在，其对于理解自然现象非常重要，是“模式”作为跨学科概念的特征之一，但在学科教学中由于与知识联系不紧密而容易被忽略。

对于跨学科概念的这类上位特征，HMH教材也有意识地进行了渗透。这种渗透大多是隐性的，往往体现在图片、表格或问题、活动步骤中。HMH教材对跨学科概念特征的体现举例见表3。

除了隐性渗透外，在适当位置，HMH教材也将跨学科概念超越学科的上位特征直接落实在文字上。这种落实主要是通过“课时总结”（Make your own study guide）栏目实现的。例如，第1单元第1课的课时总结指出：“化学家通过研究数据和模式来理解现象”，这就对应了“模式可以引发问题和研究”这一特点。再如，第1单元第2课的课时总结提到：“科学家和工程师通过定义体系来确定边界并研究体系内部和体系之间的相互作用”，这就直接点明了“体系可以简化研究对象”的特征。

2.3  利用多类型栏目设置跨学科概念

研究将HMH教材栏目分为正文（用Z表示）、评价类栏目（用P表示，包括课时评价、单元评价）、资料类栏目（用ZL表示，包括课内拓展、职业生涯、单元关联、单元拓展阅读）、其他栏目（用Q表示，包括词汇表、提示语）四类，对跨学科概念相关内容所在栏目进行统计（见图2）。

跨学科概念在正文、评价类、资料类和其他（如词汇表）栏目中均有分布。同时，跨学科概念的内容主要设置在正文中，其次是资料类栏目、评价类栏目，在其他栏目中分布最少。

在正文中，跨学科概念主要结合具体概念，在探究活动中出现，如探究元素周期表的模式。在资料类栏目中，跨学科概念或直接以栏目标题的形式出现，并附相关介绍，如生命系统中的模式、自然界中的循环模式等;或作为隐性线索出现在职业生涯介绍中，如环境化学家清理原油泄漏（涉及能量与物质、尺度等）。在评价类栏目中，除了习题，“课时总结”是促进跨学科概念落地的重要板块。在其他栏目中，跨学科概念在每单元的词汇表中被标注出来，学生须书写其定义、相似说法、相关词组，并对用法进行举例;跨学科概念有时也出现在提示语中，提醒学生将其写在笔记本上。

2.4  用不同层次的情境包装，以明确的任务促进跨学科理解

2.4.1  设置单学科、理科综合，科学与社会、工程整合的情境

在正文与资料类栏目中，HMH教材对与跨学科概念相关的情境进行了特殊标记。对这些情境进行统计发现，一些是化学学科情境（占34.6%），一些涉及科学学科间的整合（占30.8%），还有一些情境涉及科学与社会、工程的整合（占34.6%）。图3是对这些情境的分类整理。

从图3看，针对不同的跨学科概念，其情境设置的倾向不同。针对“模式”设置的化学情境最多，主要集中在元素周期律、化学键等内容;而对于“能量与物质”，科学学科间整合的情境设置最多。一些跨学科概念关联非常密切，如“体系”与“能量”，因此其情境设置也体现出了相应的综合化特点，如针对“体系与体系模型”这一跨学科概念设置的“能量与反应体系”情境。

2.4.2  设计指向性强、步骤明确的活动任务

围绕情境设置合理的活动，是实现学科整合，体现跨学科概念价值的关键。本研究按照提出问题（明确活动任务）、活动步骤提示、结论引导三部分对HMH教材跨学科概念的相关情境活动（N=24）进行统计，结果如图4所示。

在與跨学科概念相关的24个情境中，除3个情境没有设置明确的活动任务外，其余21个都提出了活动任务。其中，10个情境只布置了活动任务，即只提出问题，没有对活动步骤和结论的指导;8个情境布置的活动或缺少活动步骤指导，或缺少对结论的引导;3个情境设置了完整的提出问题、活动步骤和结论引导环节。

以“绿色革命”为例，所创设的活动见表4。绿色革命作为一个真实的科学事件，是科学与其社会属性和工程整合的真实情境。这个情境包裹的化学知识有工业合成氨（化学平衡）、氮及其化合物（元素化合物），同时涉及生物、地理学科;聚焦的跨学科认识是科学、技术、工程对自然社会的影响;讨论的话题是氮肥的功与过。这个活动通过对资料的组织设计了两个子任务，从两方面引导学生系统地认识氮肥对世界的影响。同时，教材围绕这个跨学科情境，在拓展任务1设置了与科学史、科学写作相关的任务;在拓展任务2设置了具有化学工程设计特点的任务，更大限度地开发了这个情境的功能和价值。

3  对我国教材的启示

在全球关注核心素养，以少而精的概念重构科学课程的大背景下，化学教材需要回应如何让学生在综合化的生活和社会情境中探究和解决与科学相关的问题。对HMH教材的分析给我国化学教材落实跨学科概念提供了一些启示。

3.1  梳理学科概念与跨学科概念的关系

已有研究已经明确学科概念与跨学科概念的依存共生关系[14]。一方面，利用跨学科概念促进对学科概念的理解是深化教学改革的大方向。深入探讨跨学科概念的含义和特征，挖掘其与学科概念之间的联系，有助于在现有的教材概念体系中融入跨学科概念，并发挥其促进学科概念理解的作用。另一方面，提高跨学科概念的地位，以学科概念为基础构建跨学科概念体系，突出跨学科概念的特点，是促进学生形成对科学的整体性、协同性理解的有效途径。从HMH教材的例子可以发现，将跨学科概念外显化，其可以成为组织一个单元、一个主题的重要线索，而这种线索为学生认识科学现象提供了学科概念之外的新视角。

3.2  甄選跨学科概念

对于化学学科而言，并非所有的跨学科概念都要呈现在教材中。这既不符合学科特点，也不一定符合具体跨学科概念的特点。在化学教材中，“结构与功能”“稳定与变化”只涉及某些主题。但在生物教材中，这两个跨学科概念同时又是重要的学科概念。HMH教材尽管涉及到7个跨学科概念，但被重点标注出来的概念只有6个，“原因与影响”始终以一种隐性的方式存在于教材中，这与其和科学推理密切相关的特点有关。因此，教材中选择哪些跨学科概念，需要结合具体学科内容加以论证。

3.3  创设指向跨学科理解的真实情境

相比于学科概念，理解跨学科概念需要更具包容性的情境和探究空间。而情境越真实，学科整合化程度越高，其跨学科探究的空间就越大。在横向上，促进跨学科概念理解的情境可以包括“学科情境”“科学学科整合情境”“科学与社会、工程整合情境”三种类型，具体选择哪种类型需要综合考虑化学学科概念以及科学、工程、社会与自然的关系。在纵向上，跨学科情境的创设则需要考虑学科概念的学习进阶和跨学科概念的学习进阶，控制情境的综合度和复杂度，促使学生形成协同化、整体化程度高的知识结构。在横向情境的创设上，HMH教材提供了很好的范例，但由于缺乏年级信息，因此在纵向上没有给出更多的参考。另外，在跨学科情境的创设中，布置指向性明确的任务、提供适当的活动思路和步骤以及对结论进行合理的引导等，对发挥跨学科情境的价值可以起到很好的作用。

参考文献：

[1][13]NGSS Lead States. Next Generation Science Standards： For States， By States [S]. Washington， DC： The National Academies Press， 2013： 2， 8， 83.

[2]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[3]高潇怡， 孙慧芳. 当前国际科学课程标准中的跨学科概念探析——以美国、澳大利亚、加拿大、新加坡为例[J]. 教育学报， 2019， 15（6）： 25～33.

[4]王威， 刘恩山， 李倩. 将跨学科概念融入高中生物学课程初探[J]. 生物学通报， 2012， 47（8）： 29～33.

[5]靳冬雪， 刘恩山. 跨学科概念“尺度”的含义及特征[J]. 基础教育课程， 2019，（12上）： 30～36.

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[7]马巍. 跨学科研究方法论指导下的高中生物学科交叉教学初步研究[D]. 武汉： 华中师范大学硕士论文， 2014.

[8]黄梅， 黄希庭. 美国IB课程高中化学教材设计特点与启示[J]. 课程·教材·教法， 2017， 37（5）： 121～125.

[9]毕华林， 辛本春. 中学化学教材中化学史内容编排的思考[J]. 课程·教材·教法， 2008， （3）： 63～65， 82.

[10]陆孟君， 王世存， 王红梅. 美国高中化学教材中跨学科内容分析——基于《化学： 概念与应用》的教材分析[J]. 化学教学， 2019， （11）： 26～30.

[11]DiSpezio M.， O’Brien T.， & Okoro B.. HMH Science Dimensions： Chemistry [M]. Orlando： Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company， 2020.

[12]HMH publishing company. “HMH Science Dimensions： Chemistry” Program Resources and Features [EB/OL]. [2019-9-3]. https：//www.hmhco.com/programs/hmh-science-dimensions/overview.

[14]宋歌， 王祖浩. 国际科学教育中的跨学科素养： 背景、定位与研究进展[J]. 全球教育展望， 2019， 48（10）： 28～43.