跨學(xué)科概念“模式”的內(nèi)涵與科學(xué)教學(xué)建議

4/4跨學(xué)科概念“模式”的內(nèi)涵與科學(xué)教學(xué)建議我國《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準（2022年版）》與《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準（2022年版）》均在課程內(nèi)容中納入了跨學(xué)科概念，明確指出其對學(xué)科核心概念具有統(tǒng)領(lǐng)作用，學(xué)習(xí)跨學(xué)科概念能夠促進學(xué)生對科學(xué)現(xiàn)象的理解和對工程難題的解決。模式是跨學(xué)科概念中最具基礎(chǔ)性和普遍性的概念，也正因如此，科學(xué)教學(xué)中容易忽略和跳過學(xué)生對模式的識別和解釋環(huán)節(jié)，影響課堂教學(xué)效果。教師在教學(xué)中要注意將模式與科學(xué)實踐活動緊密結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生基于事實與數(shù)據(jù)明確歸納模式，進而構(gòu)建科學(xué)解釋，促進學(xué)生對學(xué)科核心概念的理解。一、模式是事物表現(xiàn)出的一般規(guī)律模式是事物表現(xiàn)出的一般規(guī)律。總結(jié)模式可以幫助人們發(fā)現(xiàn)世界中的各種秩序。在規(guī)律性出現(xiàn)的形狀和結(jié)構(gòu)中，在重復(fù)、穩(wěn)定出現(xiàn)的事件和關(guān)系里，都存在著可以人為總結(jié)的模式。例如，花朵和雪花結(jié)構(gòu)的對稱性、四季的輪回、DNA平面結(jié)構(gòu)的反向平行及其立體結(jié)構(gòu)的雙螺旋中都可以找到模式。對模式的識別是人們觀察世界得到的初步結(jié)果。使用這一結(jié)果，一方面可以幫助預(yù)測事物的下一步表現(xiàn)，如基于四季輪回的模式，可以預(yù)測出春季后將進入夏季；另一方面，針對模式的提問能夠驅(qū)動人們挖掘規(guī)律性現(xiàn)象背后的因果關(guān)系，如為什么四季會如此輪回？進而探索發(fā)現(xiàn)，地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)所在的軌道平面存在夾角，導(dǎo)致地球同一地點在一年中獲得太陽輻射熱量不同，形成四季的變遷。二、恰當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)呈現(xiàn)方式有利于識別各類模式無論是顯而易見的還是復(fù)雜難測的模式，成功地識別它們有賴于觀察技能的使用，以及對觀察收集到的事實和數(shù)據(jù)的整理。對于常見的4類模式（分類、分布、循環(huán)、變量）間的關(guān)系，都有便于識別和表征這些模式的工具。

1.分類是將特征相似的事物進行歸類

在分類時，無論使用何種工具，如顏色、圖形、文字等，都要重點凸顯被觀察事物之間的相似性和差異性。被分為一類的事物會具有某種相似的特征，這一特征使其與其他類別的事物存在顯著的差異。2.分布是對事物在空間或時間上排列情況的描述

人們通常使用地圖或時間刻度軸等工具刻畫事物的分布情況，并據(jù)此預(yù)測類似事物在未來發(fā)生的可能地點或時間。3.循環(huán)是指事物發(fā)生連續(xù)且重復(fù)的變化以使用排成序列的圖片、圖形、圖表等工具表示循環(huán)中周而復(fù)始的回路。例如，生物學(xué)中使用圖片、文字配合箭頭表示生物的生命周期、生態(tài)系統(tǒng)中的碳循環(huán)、細胞的有絲分裂等。4．變量間的關(guān)系反映變量之間的變化協(xié)同性

明確變量間的關(guān)系是探究和建立潛在因果關(guān)系的基礎(chǔ)。借助數(shù)學(xué)和計算機技術(shù)工具，如圖表、坐標(biāo)系、方程式、統(tǒng)計學(xué)檢驗等，對于識別較為復(fù)雜的、并非顯而易見的變量間關(guān)系很有幫助。三、模式在科學(xué)實踐中連接了觀察與建?？茖W(xué)知識的發(fā)現(xiàn)遵循這樣的過程：科學(xué)家通過觀察獲得了事實和數(shù)據(jù)，采用適當(dāng)?shù)墓ぞ呒右哉砗妥R別出其中存在的模式后，進一步分析、推理和整合，最終得出用于解釋和預(yù)測科學(xué)現(xiàn)象的模型，即觀察-模式-模型（observationpatterns-models，OPM）三角形（圖1）。

四、學(xué)生對模式的理解應(yīng)隨年級升高而進階人類的大腦因為具備抽象思維和歸納推理能力，總是表現(xiàn)出在混亂中關(guān)注并識別模式的傾向，并且擅長于此，這一點在學(xué)齡兒童中就已經(jīng)表現(xiàn)出來。例如，小學(xué)低年級學(xué)生能夠識別一年中四季更替的模式，觀察和記錄親、子代生物之間的異同，探討能對動物、植物或者材料進行分類的特征。初中階段，學(xué)生應(yīng)該更加熟悉模式的類型、識別模式的工具及使用模式解釋和預(yù)測現(xiàn)象的方法，并能初步將宏觀與微觀的模式進行跨尺度的關(guān)聯(lián)。高中階段，學(xué)生對模式的理解和應(yīng)用將更多地指向因果關(guān)系的探索，他們能整合跨尺度觀察到的幾種模式，以作為解釋現(xiàn)象背后因果關(guān)系的證據(jù)。五、在科學(xué)教學(xué)中應(yīng)用模式以促進深入理解學(xué)生在日常經(jīng)驗和學(xué)校的科學(xué)學(xué)習(xí)中總能接觸到多種模式，但并不意味著學(xué)生就可以據(jù)此自然而然地建立起科學(xué)的理解，他們需要教師的明確指導(dǎo)才能注意到哪些模式是重要的并加以應(yīng)用。OPM三角形揭示了模式在科學(xué)知識構(gòu)建與應(yīng)用過程中的關(guān)鍵作用，本研究基于此提出3個方面的科學(xué)教學(xué)建議。

應(yīng)用OPM三角形實施概念教學(xué)教師應(yīng)遵循“觀察具體事實—總結(jié)模式—構(gòu)建抽象概念—應(yīng)用于具體情境”的過程，提高概念教學(xué)效益。新一輪基礎(chǔ)教育理科課程改革強調(diào)“圍繞大概念組織并開展教學(xué)活動”，主張“向?qū)W生提供豐富、直觀、有代表性的事實材料，并對其進行抽象和概括，幫助學(xué)生理解核心概念”。2．注意在教學(xué)中將模式外顯化教師應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生明確地討論和應(yīng)用模式，重視模式的外顯化。將跨學(xué)科概念納入科學(xué)教學(xué)內(nèi)容的意義不能止步于讓學(xué)生學(xué)習(xí)跨學(xué)科概念的含義，更重要的是要將跨學(xué)科概念作為思考工具，促進學(xué)生對學(xué)科核心概念與科學(xué)及工程實踐的深入理解。3．在科學(xué)實踐中緊密結(jié)合模式并有序?qū)崿F(xiàn)進階結(jié)合OPM三角形可以發(fā)現(xiàn)，在科學(xué)教學(xué)中使用模式銜接觀察與概念構(gòu)建，能夠?qū)嵺`的開展、概念的建立與對模式本身的學(xué)習(xí)整合起來。教師需要在教學(xué)中結(jié)合具體素材，引導(dǎo)學(xué)生圍繞模式提出問題，并嘗試在回答這些問題的過程中完成各項實踐活動，解釋模式背后的因果關(guān)系。跨學(xué)科概念模式揭示了自然界中各種各樣的秩序，并作為構(gòu)建因果關(guān)系的證據(jù)，在解釋和預(yù)測科學(xué)現(xiàn)象、推動科學(xué)知識的形成中起到關(guān)鍵作用。但因其自身的基礎(chǔ)性和廣泛存在性，人們往往不容易注意到它。為了將這一“隱而未見”的思