中美中学科学课程文本中“稳定与变化”跨学科概念设计的比较研究

吴晗清， 王陆阳

(首都师范大学 教师教育学院， 北京 100037)

“跨学科”，就是从学科知识、概念群到认识论和方法论，构筑新的研究视角来解决某单一学科难以解决的问题，也被称为“交叉学科”[1]。其本质是突破学科之间的限制，跨越不同学科范式。“跨学科概念”是一个典型的上位概念，是超出学科界限的共通性知识，因其高度的概括性常常被视为概念学习的先行组织者[2]。目前，跨学科已经成为一种重要的科研范式，而跨学科概念也成了教育研究的热点。

一、跨学科概念及其典型代表“稳定与变化”

(一)跨学科概念的意义和价值

首先，由于跨学科概念的包容面广、概括性强，因此可以作为上位概念来统领多学科知识，体现了它的“广度”。如“稳定与变化”，可以统领如化学中的化学平衡移动，物理中物体运动状态的改变，生物中生态系统的稳定问题等。其次，跨学科概念还可以作为学科内知识建构强有力的支点，体现了它的“深度”。如初中阶段了解物质之间可以发生化学反应，到高中阶段则需掌握相关的理论。另外，除了认知方面，还有利于学生深入认识科学本质，以及情意态度方面的培养。比如认识到稳定与变化(此处“稳定”和“变化”两个词是否需要加双引号)是一对辩证关系，世界没有绝对的静止，有利于培养多元的复杂性思维。

(二)“稳定与变化”及相关研究

虽然跨学科概念的内涵有不同表述，但其重要作用却十分明确[3]。2011年美国发布《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念和核心概念》(下称《框架》)，并将跨学科概念作为三个维度之一来统整《下一代科学标准》(下称《标准》)。《框架》提出七个跨学科概念，分别是模式，因果，尺度、比例和数量，系统和系统模型，物质与能量，结构和功能，稳定与变化[4]。其中将“稳定”定义为至少在观察范围内可以表示系统的某些方面保持不变的状态，而“变化”往往源自稳定条件的改变或补偿机制的缺失。

汉语中，“稳定”为稳固安定，即在一定的可观察范围内，物质的状态不发生改变。“变化”为事物产生新的状况，即旧的状态被新的状态所取代。“稳定”与“变化”作为两个相对的概念常为人们所讨论，事物若要臻于完善，它的运行就必须在恰当的地位、恰当的限度、恰当的时间，否则“物极必反”，稳定的状态被打破，产生新的变化[5]。唯物辩证法认为世界是一个过程，过程是由状态组成的。旧事物灭亡的同时，就意味着新事物的产生，即万物无时无刻不在发展变化，变化的结果往往是达到一个新的稳定状态。

本研究认为，稳定表示事物某些方面保持不变的状态，变化是当条件改变事物脱离原有稳定状态而向新的稳定状态发展的过程，主要涉及物质和能量两个范畴。有研究表明，由于学生没有对这一跨学科概念进行系统的学习，所以很难将不同学科中“稳定与变化”的相关内容联系起来，更谈不上形成“稳定与变化”的观念[6]。本文拟梳理出物理、化学、生物三个学科中的相关内容，作出以跨学科概念统领的认知框架。

二、美国课程文本中关于“稳定与变化”跨学科概念的设计

(一)设计理念

美国课程文本注重对科学和工程学两大领域的学习，跨学科概念涉及这两大领域，被看成强大的学习工具。首先，跨学科概念可以帮助学生更好地理解科学和工程学的核心概念，帮助学生建立认识框架，形成连贯的世界观。其次，跨学科概念可以帮助学生更好地理解科学和工程学实践，在实践中又加深对跨学科概念的理解。再次，跨学科概念为科学和工程学提供了通用的词汇表。最后，跨学科概念对所有学生都适用，尤其是为学业水平较低的学生提供科学学习的门槛，形成一种更为公平的教育环境。

(二)内容表述

美国课程文本将“稳定与变化”这一跨学科概念表述分为稳定与变化两个大的方面，稳定可以分为静态平衡和动态平衡两种。静态平衡即宏观保持不变的状态，如物体的静止状态；动态平衡包括两种系统，即有恒定条件的系统和有周期性变化的重复模式的系统，动态平衡存在的本质是原子系统的稳定。系统保持稳定的重要因素是正负反馈，当条件发生改变或者补偿机制缺失时，稳定的系统就会发生变化，进而打破原有稳定状态进入一种新的状态。在判断系统是否处于稳定状态时，时间标度是一个重要的因素，即对时间做出限定才能判断系统处于稳定还是变化状态。

《标准》在《框架》的基础上，对学科核心概念和跨学科概念进行了梳理，共总结出八个“稳定与变化”的子概念。它们分别为：一是事物可能会缓慢或快速的变化。二是可以通过考察时间和力的变化来解释自然或人造系统的稳定性和变化。三是系统某一部分的微小改变可能会导致另一部分的较大改变。四是突发事件或随时间积累的逐渐变化可能会扰乱稳定性。五是建立对事物如何变化及如何保持稳定的解释。六是系统可以被设计为有更大或更小稳定性的系统。七是反馈(负的或正的)可能会使系统稳定或不稳定。八是变化和变化率可以在很短或很长一段时间内被量化和建模，有些系统变化是不可逆转的[7]。

(三)层级进阶

美国课程文本中，指明了不同年段学生对于“稳定与变化”这一跨学科概念应达到的水平。以中学阶段为例，《框架》中提出在初中对稳定与变化(此处“稳定与变化”是否需要加上双引号)的理解应该发展到原子水平，同时也应该意识到保持稳定性需要满足一定的条件。高中可以通过建模来更好地理解复杂系统的稳定性，并认识到科学是对事物历史演进的解释。以《框架》为指导，《标准》对“稳定与变化”这一跨学科概念进行了更加深入的阐释，并描述了不同年级学生的期望表现。跨学科概念的层级进阶主要体现在不同学段的同一学科中，从直观感受，到逻辑推理，再到理性抽象，来认识科学的本质。如物质科学中从“物体受到外力其运动状态会发生变化”等开始，进而认识到“可以通过考查时间和力的变化来认识稳定性与变化”，最后上升到对事物的变化与稳定做出解释。

三、我国课程文本中关于“稳定与变化”的表述

(一)设计理念

我国课程标准涉及“跨学科”的内容主要集中在课程内容中的选修课程、教学建议、教材编写建议及课程实施建议等部分，主要内容有设计联系不同学科的学习活动，选择跨学科内容进行教学，设置跨学科实验室等。通过这些方式来帮助学生融合各学科基础知识，学会综合运用多学科知识分析解决问题，更好地理解科学概念、科学思想方法及科学本质，从而形成科学正确的世界观。如《普通高中化学课程标准(2017年版)》在选修课程设置上提出选修课程可与校本选修课程、综合实践活动课程等统筹安排，提倡开展学科内综合和跨学科的综合实践活动。加强化学与物理学、生物学、地理学、材料科学和环境科学等学科的联系，引导学生在更宽广的学科背景下认识物质及其变化的规律，发展学生的科学素养。

(二)内容表述

1.中学化学学科课程标准中“稳定与变化”概念

《义务教育化学课程标准(2011年版)》要求学生认识化学变化、化学反应及化学变化过程中会伴随能量变化等。高中提出了更高的要求，物质角度主要包括物质转化和化学平衡，认识不同物质在一定条件下可以互相转化，知道一定条件下可以达到化学平衡；能量角度要求学生知道化学能与热能之间可以相互转化，以及吸、放热反应，以原电池为例认识化学能与电能之间的转化。选择性必修阶段，物质角度增加了原子核外电子运动、化学反应方向的影响因素，学会以化学平衡常数表示化学反应的限度和方向，知道化学反应速率的测定、表示方法和影响因素及原理，掌握水溶液中的电离平衡、水解平衡和沉淀溶解平衡；能量角度主要有能量守恒定律和反应热的表示方法，基于前两者了解盖斯定律及化学能与热能的转化，以电解池为例进一步认识化学能与电能的转化。

2.中学物理学科课程标准中“稳定与变化”概念

《义务教育物理课程标准(2011年版)》中涉及“稳定与变化”的概念主要有物质的形态变化、运动和相互作用两个主题。其中物质角度包括物质的形态变化、机械运动、二力平衡、牛顿第一定律、简单机械和杠杆平衡、声音的产生等；能量角度要求学生了解物态变化过程中的吸放热现象、不同形式能量的互相转化与做功、能量守恒定律等。《普通高中物理课程标准(2017年版)》中在必修阶段“稳定与变化”涉及的相关概念主要有各种复杂受力、运动规律和能量定理。物质角度主要包括了解匀变速直线运动、圆周运动、曲线运动、自由落体运动、万有引力定律和牛顿运动定律等；能量角度主要包括知道重力势能与重力做功的关系、动能和动能定理及机械能守恒定律。选择性必修阶段要求更高，物质角度主要包括简谐运动、带电粒子在匀强磁场中的运动，共振，多普勒效应，光的干涉、衍射和偏振现象，动量定理和动量守恒定律等；能量角度包括热力学第一定律、第二定律及能量守恒定律。

3.中学生物学科课程标准中“稳定与变化”概念

《义务教育生物学课程标准(2011年版)》对“稳定与变化”这一跨学科概念下的表述涉及多个方面，包括细胞、绿色植物、人体以及生态系统四个维度。从物质角度来看主要包括细胞分裂和分化，绿色植物的生命过程、光合作用和呼吸作用，人体内血液循环、气体交换、消化吸收、代谢废物排出，神经系统和内分泌系统的调节活动，生命起源和进化过程，有机体的生殖和发育，生态系统中的食物链和食物网、绿色植物和人在其中的作用等；能量角度要求学生说明能量来自细胞中有机物的氧化分解。《普通高中生物学课程标准(2017年版)》中高中必修阶段，主要涉及细胞内外物质的稳定与变化以及细胞内的能量转化。物质角度包括细胞内外物质进出、不同的分裂方式和分化过程、衰老和死亡、基因突变、基因重组等；能量角度包括植物细胞光合作用和细胞呼吸过程中的能量转化过程。选择性必修阶段增加了生态系统的知识。物质角度包括细胞内环境的作用，植物体的激素调节及其他调节方式，人体不同器官系统共同维持内环境稳定、人体的体液调节、神经调节等，生态系统的自我调节及动态平衡状态、生物多样性、群落演替、物质流动等；能量角度包括生态系统中能量单向流动并逐级递减。

(三)层级进阶

我国课程标准中“稳定与变化”跨学科概念相关的知识分散在不同学科的不同年段中，没有明确表述出其水平进阶，但同一学科中不同年级的水平进阶非常明显。本研究以物质和能量两个角度，选取几个典型知识点为示例进行分析(如表1)。除了知识的进阶之外，科学的认识角度方面的要求也在增加。如宏观到微观、定性到定量、具体到抽象等。

表1 我国课程标准中“稳定与变化”相关知识的学习进阶

四、结论及探讨

(一)美国倾向于从跨学科概念到学科领域的学习，我国侧重于从学科学习走向跨学科交融

美国设置跨学科概念来帮助学生更好地理解科学和工程学核心概念，并为科学和工程学提供通用的词汇表，同时适用于所有学生。他们把跨学科概念视为一个所有学生都可以应用的工具，将其作为学习的起点和支点，来帮助学生对不同学科核心概念的理解。可见，美国倾向于以跨学科概念来组织和统领学生的科学学习，从整体走向部分，综合走向分科，它既是学习的工具，也是学习的内容。我国没有以跨学科概念来统领各学科领域的学习，但各学科课程标准对相关跨学科内容都作了一些要求。不同于美国将跨学科概念作为所有学生尤其基础薄弱生的学习工具，我国在跨学科概念方面的要求更多是针对学有余力的学生。比如相关跨学科内容更多地出现于选修课程中，对教师的要求也比较高。我国设计视域更多的是从分科走向融合，部分趋向整体，把跨学科概念视为学习较高的目标定位。

(二)美国的跨学科概念更为抽象，我国则紧扣物质与能量来讨论“稳定与变化”

美国采用大框架的形式对所有跨学科概念相关的知识进行系统性梳理，并将跨学科概念分解为几个子概念。但子概念的表述较为抽象化，对应的核心知识概括性较强，没有具体呈现出学生应掌握的具体知识及程度。如“系统某一部分的微小改变可能会导致另一部分的较大改变”这一子概念就较为抽象，对应生命科学的核心知识为“生态系统中任何物理或生物成分的破坏都可能导致所有种群的变化”。但在《标准》中没有表述出学生应该掌握哪些物理成分或生物成分，以及引起种群的何种变化，也没有说明需要掌握的程度。教师灵活处理的自由度较大，但同时难度也大。我国课程标准中没有设置固定的跨学科概念板块，而是将“稳定与变化”融入各学科核心知识中。如化学课程标准中多次提到“物质转化”“能量转化”等此类词句，并在不同主题下有不同的拓展，如不同价态同种元素的物质的相互转化、有机化合物在一定条件下可以相互转化、化学能与电能的转化等，从具体知识到概念，进而形成跨学科概念。

(三)美国明确将学科概念和跨学科概念并列作为进阶的主线，而我国将跨学科概念暗含于学科概念之中

美国课程文本将学科核心概念、跨学科概念和科学与工程实践三条线索并行作为进阶的主线。在“稳定与变化”这一跨学科概念下，在每个学科内部对应的子概念中，学生的认识都是从较低水平的事实性知识，过渡到较为抽象的认知，而后上升到理性的认识。跨学科概念在帮助学生构建知识的同时可以联系各学科知识，有助于形成融合的大科学观。我国课标中没有单独设置“稳定与变化”跨学科概念，而是将其融入各科核心知识的表述中。在同一学科中，年级越高所涉及的知识更深更广。如能量相关概念广泛分布于中学理科课程中，但都可以归为三类，即能源与能量形式(静态)、能量转移和转化(动态)、能量定律(理论)。具体来说，形式涉及物理上的机械能、化学上的热能、生物上的光能等。转化则体现于诸如动能和势能、化学能与热能、太阳能和化学能之间。定律主要体现于能量守恒，比如物理上机械能守恒，化学上的盖斯定律，生物上生态系统中的能量流动等。可见，各学科中的子概念共同支撑起了上位的“被暗含”的跨学科概念[8]。

五、跨学科角度“稳定与变化”概念的教学启示与建议

(一)以跨学科概念为中心，建构横向联系的跨学科认知体系

在分科教学的框架下，跨学科概念可以作为学科知识架构的支点，一定程度上打破学科壁垒，避免完整知识的人为割裂。如能量的转化，不仅限于某一学科之内，而是广泛地存在于自然界。具体以ATP为例，ATP即三磷酸腺苷(分子简式A-P～P～P)，式中A表示腺苷，T表示三个，P代表磷酸基团。进一步深入掌握它的性质，则需了解其元素组成和分子结构。因此需要融合化学中的基础知识，如原子结构、元素性质，化学键、官能团，取代反应、水解反应等。ATP是生物体内最直接的能量来源，是因为它是一种不稳定的高能化合物，结构中存在特殊的化学键，易水解，断键时释放出较多的能量。如分子简式中，含有一个以“-”表示的普通磷酸键，及两个以“～”代表的高能磷酸键。从宏观的角度来理解这一过程，可以将化学键的结构视为被压缩的弹簧，积聚了大量能量。化学键断裂的过程如同弹簧弹出，释放出大量能量。在物理学中这种过程叫作“转移势能”，用这种形象的比拟既可以提升学习的兴趣，促进学科知识的理解，还能够形成跨学科的认知意识和思考习惯。

(二)关注学习进阶，逐渐深化跨学科概念的纵深内涵

所谓学习进阶，就是在不同学段学习同一主题时所遵循的连贯的、典型的学习路径。跨学科概念可以架构不同年级、不同水平的相关知识，如对“变化”的理解，不仅需要从物理、化学等多学科角度，还需要关注初中、高中必修及选择性必修等阶段的进阶，才能够实现对“变化”的纵深认识。具体以“化学反应方向与限度”为例。高中必修阶段，只要求知道在一定条件下化学反应可以达到平衡。而在选择性必修阶段，则要求掌握电离平衡、水解平衡以及沉淀溶解平衡，能够定性、定量地判断平衡状态和平衡移动的方向。基于进阶的视角，选择性必修“化学反应的限度”的教学可以设计五个阶梯：一是基于必修阶段的基础，分析猜测化学平衡的影响因素。二是通过实验探究浓度、温度对化学平衡的影响。三是构建定性判断化学反应限度的认识模型，分析浓度、温度对化学平衡的影响。四是基于建构的认识模型，来检验压强和催化剂两个物理量对平衡的影响。五是结合浓度、温度、压强和催化剂等因素，及平衡常数等相关内容，对化学平衡进行定量分析[9]，深度认知“化学反应的限度”。

(三)关注跨学科视角，形成大科学观念

科学观念的建立，有助于学生以高位的视角对知识进行理解和建构，形成科学的认识论、方法论。显而易见，大科学观念的形成需要跨学科视角。“稳定与变化”作为跨学科概念，其基础就是相应的物理、化学及生物学知识。唯物辩证法对“稳定与变化”的理解，就是超越学科的上位阐释。如化学中的“变化观念与平衡思想”，就是“稳定与变化”的学科特色表达。生物中“生命观念”，也包含稳态与平衡观。物理中的“物理观念”部分，提到了物质观念、运动与相互作用观念、能量观念，也是“稳定与变化”认识的重要基础。再细化一点，如物质变化，物理主要关注物质状态变化及物体运动状态的变化，而生物多注重细胞层面的变化、有机体的变化乃至生态系统中的物质变化。在化学中，则侧重于从微观角度来研究物质的组成、结构及其变化。可见，学科知识形成学科观念，学科观念融合升华为大科学观。只有长期深入关注跨学科视角，才能促进学生大科学观的形成。