国内中学化学跨学科研究现状与趋势分析

摘 要： 基于CNKI数据库，对2013～2023年化学跨学科主题下的202篇文献，使用CiteSpace软件对发文量、关键词及时间线绘制图谱并分析，得出结论：中学化学跨学科发文量较少；研究重点在STEM教育、项目式教学、核心素养、跨学科实践活动，基于目前的研究方向提出展望：深化跨学科相关的理论研究、增强初高中化学跨学科案例开发，加强跨学科实践效果研究。

关键词： 中学化学； 跨学科研究； CiteSpace； 可视化分析

文章编号： 1005-6629（2024）11-0019-06

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

当今社会所面对的问题越来越综合化，并不是一门学科或某项技术所能解决的，也不是单一学科的思维方法所能胜任的，需要开展多学科的融合和多种方法联合运用。1926年，伍德沃斯提出“跨学科”一词［1］。此后相关研究发展迅速，出现了与其相关的“交叉学科、元学科”等概念。2013年，美国颁布《下一代科学教育标准》［2］（简称NGSS），旨在强调培养学生的科学探究、创新能力和工程实践能力，该标准在世界科学教育中掀起了浪潮。化学作为科学教育的分支，也被寄予培养综合型人才的厚望，引起学者对跨学科研究的兴趣。

2022年颁布的《义务教育化学课程标准》设立主题5“化学与社会·跨学科实践”，强化各学科之间的联系，驱动课程综合化推进，设立10个跨学科活动并规定用10%课时开展［3］，这是我国基础教育课程改革深化的重要探索，也是学校教育改革的风向标。当前以化学学科为中心，发挥多学科综合育人功效，成为了教育教学所关注的热点问题。为了深入分析中学化学跨学科发展的现状和趋势，笔者借助CiteSpace可视化知识图谱软件，以更直观、客观的方式，梳理国内中学化学跨学科的研究现状，为进一步发展和完善化学跨学科教学提供研究路径和创新空间。

1 数据来源和研究工具

1.1 数据来源

2013年NGSS的颁布，在全球范围内对STEM教育（科学、技术、工程和数学）及跨学科概念的重视产生了深远影响，国内对跨学科的相关研究也逐渐兴起。因此，本文使用CNKI数据库，以“化学”和“跨学科”为主题对2013～2023年的文献进行检索，通过人工筛选，排除不符合的文献，以Refworks导出数据并去重，结果为202篇，其中硕士论文67篇，期刊论文135篇。

1.2 研究工具

陈超美开发的Citespace是一款定量分析软件，通过某个研究领域相关文献数据的深度分析和挖掘，揭示该领域当前所关注的热点话题和未来可能成为主流的研究方向。近年来，因其能够可视化并能提供更为准确和深入的分析结果，在科学计量学等领域中广受欢迎［4］。基于此，本研究借助该软件对“中学化学跨学科”相关文献开展定量分析。首先转换并设置数据，其次利用关键词共现、聚类及时间线三个功能绘制图谱，梳理国内的发展趋势，最后根据分析所得结论对未来化学跨学科的深入研究提出展望。

2 文献计量及图谱分析

2.1 文献计量分析

截止到2023年10月20日，相关文献共202篇，各年的发表量如图1所示。分析可知，发文量整体呈现上升的趋势。

2013～2019年，年发文量均不超过10篇，在此期间跨学科教育受到NGSS中“科学与工程实践、跨学科概念”的影响。2017年颁布的《普通高中化学课程标准》凝练五大核心素养并提出“加强化学与物理学、生物学、地理学、材料等学科的联系，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……”。在课标的引领下学者们开始寻找适合本国化学跨学科教育并开展实践研究。2020～2023年，发文总量为162篇，年均发文量为40篇左右，处于迅速增长阶段。可见，跨学科研究方兴未艾，正成为化学教育领域研究的焦点。

2.2 关键词共现图谱

关键词是对文献的高度集中概括，表明文献中的地位，突出核心内容。在CiteSpace操作界面选择“Keyword”对该领域关键词进行分析，得到图2所示结果。分析可知，图中共267个节点，484条连线，网络密度为0.0136。为了深入了解该领域的研究内容和热点，在关键词共现图谱的基础上绘制了含有频次和中心性的关键词表（见表1）。频次和中心性是图谱的重要指标，图中圆圈大小表示关键词的次数，越大代表频次越高，受关注度较高，是目前研究的热点，不同圆圈之间的连线表明关键词之间的关联程度。中心性则表示关键词的地位，大于0.1的节点被称为关键节点，图中较大的外圈代表大于1的关键节点。

由图2和表1可知，跨学科、教学设计、课程标准、高中化学、初中化学等是高频词汇，受关注度高，除了跨学科以外，其余关键词的频次和中心性不成正相关。中心性数值越大，说明此关键词发挥的影响力较大，初中化学、高中化学、核心素养、教学设计、项目式教学、课程标准的中心性均高于0.2，表明与其他关键词的关联程度高，是基础性节点并有较大影响力。STEM教育、跨学科实践活动的频次比学科融合高，但中心性却比学科融合低，究其原因，可能受到新课标和新理念的影响，研究热点主要聚焦在实践领域，以开发初高中化学跨学科案例为主。此外，新课标强调基于大概念、大单元开展跨学科实践活动，但此类关键词的频次出现较少，说明相关资源还有待拓展。

2.3 关键词聚类图谱

对关键词进行聚类分析，分别得到#跨学科、#高中化学、#STEM教育、#核心素养、#跨学科实践活动、#跨学科教学、#项目式教学等聚类标签，在聚类图谱的基础上选择Timeline View生成关键词时间线图，如图3，图中Q=0.848（一般Q＞0.3则意味着划分出来的社团结构是显著的），Mean Silhouette=0.967（S＞0.5，一般认为该聚类是合理的，若S＞0.7，则认为聚类是令人信服的）。

除去主题搜索词下的聚类#0跨学科和#1高中化学后，结合LLR算法数据并深入阅读文献、整理、分类后发现中学化学跨学科研究现状及热点，大致可归纳为三个主题：

2.3.1 化学跨学科教学的范式研究

#5跨学科教学，是一种课程内容综合化的手段，基于某个学科又突破该学科界限，凸显主动跨界，实现与不同学科知识之间的整合、渗透。深入研究聚类标签#5跨学科教学的文献，得出学者的研究范式为：先阐述化学学科与其他学科之间的交叉融合的必要性，再列举融合的教学内容，之后凝练跨学科教学主题并设计相关的教学案例。

如王英彤［5］采取探究的方式，从学生熟悉的无糖饮料出发，把“糖尿病患者能否喝该饮料”作为问题线，根据化学、生物学课标以及教材中糖类的教学内容和要求，有效融合两个学科内容设计案例，引导学生关注饮食与身体健康，合理应用各学科知识解决问题。化学与语文的教学内容是以中华优秀传统文化中呈现化学变化及其现象，化学与数学则是借助数学思维、图式、计算等解决化学问题。化学与生物学、物理等学科在实验方法上相融合，主要以控制变量的思想开展实验探究。尽管化学与其他学科之间存在联系，但目前多数跨学科研究集中于化学与生物学、物理等自然学科上，而与语文、道德与法治、美术等人文学科相关联的跨学科教学仍然有待深入研究。

2.3.2 化学跨学科课程的开展形式研究

#2 STEM教育、#4跨学科实践活动、#6项目式教学，这些聚类的内部关联性较强，LLR算法下关键词呈现STEM工程设计、实践活动、项目学习等，目前成为了开展跨学科课程的主流方式，因此将其归为一个主题。

#2 STEM教育，在化学跨学科研究中成果突出，目前已有的研究呈现两个特征，一是围绕STEM教育本身的理论探索，如起源、概念、具体内涵及演变历程等。二是基于STEM教育开展跨学科研究，不仅体现实验探究，更凸显技术工程融合的跨学科性、艺术性及情境性。如田润［6］等人运用光谱、比色法、图像数字化、Excel图表制作和函数模型等学科知识相融合，设计“检测Co2+浓度”的STEM案例，凸显了探究学习和工程设计解决问题。刘丹阳［7］设计了以“金属材料”为核心的STEM案例，鼓励学生从化学家、技术人员和工程师三大职业角度出发，通过问题拆解与综合解决，培养学生的科学素养和工程实践能力。总体来说，我国中学化学开展STEM教育的研究，取得了一定的成果，尽管探索的深度有所不同，但其“跨学科性”是开展STEM教育研究的标志。

#4跨学科实践活动，LLR算法下关键词呈现问题解决、跨学科实践等，自2022年新课标颁布后备受青睐，强调借助其他学科相关知识点解决本学科的任务、问题，突出“跨”出去后要“回”到本学科上，是学科内的跨学科。任学宝［8］从背景、意义、策略三个维度阐述了如何实施跨学科实践活动。王雨等［9］将新课标提出的10个跨学科活动分为调查类、设计类、产品制作类、探究类、服务类、论文写作类、职业体验类等多种类型，并阐述了跨学科实践活动具有综合性、情境性、体验性、实践性及挑战性的特征。已开发的跨学科实践活动含有“水质检测及自制净水器、供氧器、低碳行动、探究土壤酸碱性、一次性筷子的利弊、火箭推进剂、垃圾分类回收、燃料的变迁”等，这些案例均在化学学科的基础上凸显了跨学科性，发展学生的跨学科素养和问题解决能力，但是相关资源仍然较少还有待拓展。

#6项目式教学，LLR算法下关键词有产品设计制作、综合素养等，该聚类在2020年前后更为活跃，我国学者早就开启对项目式教学的研究，该教学注重学生的地位，突出探究和实践，并含跨学科性，与跨学科研究不谋而合。因此，多数学者基于项目开展跨学科教学，围绕真实情境开展对综合复杂问题的解决，倡导学生亲自参与、思考、小组合作探究，表达交流，制作产品及设计工艺流程等，是培养学生综合素养的有效手段。黄满霞等人［10］应用跨学科项目式教学，通过选定主题、明确目标、创设情境，提出任务并拆分、整合多学科知识确定方案、评估及优化方案再到实施方案并展示效果，从发展学生单一学科核心素养转变为学生综合素养的提升。周玉芝［11］借助项目式学习，融合多学科知识，依据“结构决定性质，性质反映结构”，从学生熟悉的物质出发，以小组合作探究未知物质的性质与结构，拓展学生视野，激发学习动力、提升学生分析和解决问题的能力和创新意识。

2.3.3 化学跨学科教学助力核心素养的发展及评价研究

#3核心素养，聚类内部一致性较强，核心关键词为发展核心素养、学科核心素养等，核心素养的发展不仅在教学和案例设计中落实，更要在评价中体现，通过评价诊断素养水平，因此将其归为以上主题。研究者关注到跨学科研究是培养核心素养的有效手段之一，研究聚焦在通过案例阐述培养学生的素养和能力。

杨砚宁［12］在设计流程时每个活动体现素养发展线，运用比较、分析、归纳等方法，提升思维，养成严谨的科学态度和基于事实进行证据推理的能力。宋晶晶［13］认为让学生亲自调查、参观体验、设计制作、测试优化、展示表达等，可以发展学生质疑、批判能力和创新意识。胡久华［14］指出将学生置身于真实的情境中，能正确认识到化学是实现可持续发展的关键力量，树立可持续发展的理念，培养学生的理性、综合思维，创造性地解决复杂问题的能力。

核心素养是个人内在的态度、品格及能力，需要外显化，评价则是外显的关键，王雨［15］指出教师应结合具体教学目标、活动类型等，积极推动多主体参与，采用质性与量化相结合、过程性与总结性结合的方式，全方位、多维度地进行跨学科实践活动的教学评价设计，进而诊断学生核心素养的发展水平。伍红林等［16］阐述了跨学科评价中教师要关注跨的“真”与“假”、“难”与“易”、“深”与“浅”，对学生来说需关注参与的量与质及学习的创新与实效。较详细、系统地阐述教学评价来说明学生综合素养的达成情况的文献较少，是今后研究的难点及重点。

3 结论与展望

3.1 研究结论

综上所述，当前跨学科研究体现以下特点：一是对跨学科的概念界定、内涵阐述、实施跨学科教学的基本流程、操作模型及评价还需进一步进行深入理论研究。二是化学跨学科课程以STEM教育、跨学科实践活动、项目式教学为主要的开展形式。三是新课标针对每个主题内容强调以大概念为核心开发案例，但大概念引领的跨学科案例文献较少，需要进一步紧密联系课标拓展。四是跨学科研究是发展学生态度、能力、素养的有效手段，对教师既是机遇也是挑战，学者们提出采取过程性和终结性结合、质性和量化结合，实施多主体、多元化评价，研究更注重过程性活动表现评价，但目前相关的实证研究较少。

3.2 研究展望

3.2.1 深化化学跨学科的相关理论研究

十年来，对跨学科的研究受教育教学政策的影响，为后续的发展指明了新方向，但对跨学科相关理论的研究不够深入。理论研究是促进实践研究的前提，要继续深化理论研究。化学研究者应依托相关理论开发跨学科案例，用理论促进实践，使研究成果更有说服力；借鉴国外的跨学科理念，结合本国实际，界定跨学科的概念及内涵，进一步开展基于化学跨学科“跨”的程度、“学”的形式等系统的研究；融入ADDIE、 C-POTE等模型分析与跨学科教学的适切性，建构适用于跨学科教学的本土化的设计流程；开发跨学科评价是研究难点，其涉及教和学及“评什么”“怎么评”等方面，研究者应更加重视开发有利于针对跨学科综合素养评价的新型方式。

3.2.2 拓展中学化学跨学科研究的维度

学者们围绕一系列主题开展了多样化的跨学科研究，有单学科主导和多学科主导的跨学科研究，但化学跨学科研究的维度仍有发展的空间。在主题方面，应选择具有真实情境的主题，如前沿科技、人物故事、重大社会事件、优秀传统文化、技艺、环境能源及新课标提供的10个主题等。在内容组织方面，以大概念统领，紧密联系其他学科知识，形成内容结构体系，初中化学应紧密结合各主题提供的关键、核心及跨学科大概念组织跨学科研究，高中阶段可参考NGSS提供的模式、比例和数量、系统和系统模型、结构和功能、稳态和变化及物质和能量等跨学科概念，并依据教学主题提炼大概念开展研究。在学习方式上，借助项目开发更多的跨学科案例，同时注重与人文学科的联系。在问题设计方面，问题设计以大概念为核心，环环相扣、层层递进，将问题外显化形成问题链，在解决问题的过程中促进对大概念的深度理解。

3.2.3 开展化学跨学科实践效果的评价研究

目前，关于化学跨学科的研究更多聚焦在实践领域，缺乏应用各种评价方式对学生的认知情况（概念、原理等）、关键能力（思考探究、合作交流、问题解决等）和素养（社会责任态度等）的综合评价。跨学科研究本身注重学生的主体地位，进一步强化评价有助于促进学生素养、关键能力的发展，在跨学科活动中嵌入一些跨学科综合习题和开放性的问题进行评价，可以考查学生对知识的理解和综合应用能力；基于SOLO分类理论。依据学生对知识整合程度的不同划分跨学科思维水平，不同水平在解决复杂问题的能力和创新思维能力上的特征不同，突出思维可视化，有利于教师了解学生思维的发展现状。此外，可借助自动化评估工具如CSMS等［17］，依据案例划分维度，对学生参与跨学科活动的数据进行采集和分析，掌握学生的情况，有利于评价更科学更客观。评价方式的创新和育人价值的体现，能在实践中推动跨学科研究。

参考文献：

［1］章成志， 吴小兰. 跨学科研究综述［J］. 情报学报， 2017， 36（5）： 523～535.

［2］Achieve， Inc. ［EB/OL］. http：//www.nextgenscience.org/next generationscience-standards.

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［5］王英彤， 王秋， 石峰. 新课程背景下高中化学跨学科主题教学设计——“探秘无糖饮料”［J］. 化学教学， 2021， （8）： 63～68.

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［7］刘丹阳， 亓英丽. 基于STEM教育理念的初中化学“金属材料”教学［J］. 化学教学， 2023 ， （8） ： 56～61.

［8］任学宝， 王小平. 背景·意义·策略： 把握跨学科主题学习活动的重要维度——关于义务教育课程标准（2022年版）中跨学科主题学习活动的解读［J］. 福建教育， 2022， （7）： 29～32.

［9］［15］王雨， 毕华林. 跨学科实践活动的特征及其教学评价——基于《义务教育化学课程标准（2022年版）》的分析［J］. 中学化学教学参考， 2022， 13（1）： 9～13.

［10］黄满霞， 秦晋， 杨燕， 傅志杰. 核心素养导向下的“跨学科—项目式”教学设计——以“我帮稻农选好种”为例［J］. 化学教学， 2020， （10） ： 50～55.

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［12］杨砚宁， 张巍. 基于核心素养的“跨学科主题”实践活动与思考——以“简易吸碳机的制作”项目教学为例［J］. 化学教学， 2023， （8）： 49～55.

［13］宋晶晶. 基于核心素养的化学跨学科主题学习活动设计与实践——以“爱水·绿水行动——水质检测及自制净水器”活动为例［J］. 现代教育， 2023， （19）： 20～21.

［14］胡久华， 褚童， 王静波等. 大概念统领的项目式学习——基于碳中和理念设计低碳行动方案［J］. 化学教育（中英文）， 2023， 43（9）： 6～14.

［16］伍红林， 田莉莉. 跨学科主题学习的“跨”“学”“评”与“行”［J］. 湖南师范大学教育科学学报， 2023 ， 22 （5） ： 16～21.

［17］许世红， 邓伟伦， 王芳等. 人工智能视域下课堂教学智慧评价： CSMS推动小学数学核心素养培育的案例研究［J］. 教育测量与评价， 2022， （4）： 31～42.