小学科学“结构与功能”跨学科概念的建构
作者： 张健
摘 要：“结构与功能”跨学科概念是学生认识物质世界的基础，其建构过程是学生形成科学思维方式的重要途径，需注重正逆思维的合理选用、纵横建模的综合考量与规范循证的真实呈现。教学中，以核心问题为驱动，通过观察、比较与分析、归纳与概括等方法的综合运用进行逐级建模，聚焦概念的生成与理解；再以核心问题为导向，进行真实规范的循证研究，凸显概念的内化与迁移。
关键词：小学科学；结构与功能；跨学科概念；建模；循证研究
*本文系国家社科基金教育学一般课题“数字教育背景下小学生创造性学习的发生机制与培育模式研究”（批准号：BHA240244）的阶段性研究成果。
为了使知识在各种科学实践情境中变得可用，学生需要建立一个以关键观点或概念（大概念）为中心、相互连接良好的知识网络。这样的知识组织可以帮助学生在不同的情境中激活和调用相关概念，从而解决问题并作出决策。事实上，在各国的科学课程改革中，这种关于学习的观点已经得到了广泛应用。各国的科学新课程都强调了学生在科学学习中最需要理解的关键概念（如德国自然科学课程标准中的“基本概念”，美国《K-12年级科学教育框架》中的“跨学科概念”），以及围绕这些概念组织知识网络，加强知识间的内在关联，促进知识结构化的重要性。［1］同样地，我国《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）凝练了“系统与模型”“物质与能量”“结构与功能”“稳定与变化”4个跨学科概念，与13个学科核心概念一起，构成了义务教育科学课程的主体内容。［2］本文主要聚焦“结构与功能”这一跨学科概念，分享一些思考。
一、“结构与功能”跨学科概念的内涵及具体体现
“结构”是物体或系统的内部组织和构造方式，“功能”是这些结构所表现出的作用或效能。功能可以用结构来解释，结构可以通过功能进行推测，两者相统一，是系统的两个互补方面。
“结构与功能”跨学科概念在多个领域中均有运用：在生物科学中，生物体的结构与其功能密切相关，如鱼鳃的结构使鱼具有了在水下呼吸的本领；在物质科学中，物体的结构决定了其物理性质和功能，如根据物体的结构和性质，分离两种混合在一起的物体；在技术与工程中，产品的结构设计是实现产品预期功能的关键。“结构与功能”跨学科概念是小学阶段学生认识物质世界的基础，是学生形成用科学的眼光看待问题、分析问题、解决问题这样的科学思维的重要途径，也是学生进行知识迁移与应用的重要手段。
梳理新课标及小学科学教材（以苏教版为例）中的相关内容，我们可以发现，“结构与功能”跨学科概念在学科核心概念及具体教学内容中均有体现（详见表1）。
二、建构“结构与功能”跨学科概念的逻辑向度
以建构“结构与功能”跨学科概念为目标的科学教学，需要基于以下逻辑进行合理考量与设计。
（一）正逆思维的合理选用
“结构”与“功能”是相辅相成的两个概念，同步结合于生物体（物质）中：一方面，基于生物体（物质）呈现的结构特征，可以用来解释功能；另一方面，根据生物体（物质）表现
出的功能，可以推测其内部无法直接观察的结构。基于此，在建构“结构与功能”跨学科概念时，教师应依据学生认知与教学实际，合理选用从结构到功能或从功能到结构的思维方式。如有必要，可以两者兼有，但应做好合理配置。
（二）纵横建模的综合考量
对生物体（物质）进行建模是建构“结构与功能”跨学科概念的基础，需要综合考量横向联结与纵向抽象的思维逻辑。基于对生物体（物质）的多维观察，通过梳理多种结构的共同功能，达成横向联结，并进行思维与方法的迁移，初步形成对生物体（物质）的整体印象；再基于对生物体（物质）结构与功能散点认知的概括性理解，包含比较与分析、归纳与概括等，达成纵向抽象，逐步建构、优化生物体（物质）的模型。
（三）规范循证的真实呈现
在建构跨学科概念的过程中，规范真实的循证研究，是内化与拓宽概念理解的必由之路。规范真实的循证研究应呈现基于真实而系统推进的样态：学生在真实的情境中，基于真实的起点与证据，借助真实的学习支架，开展真实的数据收集与分析，呈现真实的系统论证过程。
三、建构“结构与功能”跨学科概念的实践路径
教学中，我们可以从“建模”与“循证”两个维度引导学生建构“结构与功能”跨学科概念（如图1所示）。下面，以苏教版小学科学四年级上册《鸟类》一课为例，具体阐述相关实践。
（一）建模架构：概念的生成与理解
一个物体的结构决定了其可能的功能，而功能又往往反映了结构的某些特性。因此，对物体的结构建立初步的模型，是形成“结构与功能”跨学科概念的基础。建立物体的模型，以形成对某一类别物体的概念，重点在于“能够描述某一类物体的共同特征”。例如，要想理解鸟类结构及其功能之间的关系，学生首先要了解鸟类的共同特征，其中涉及观察、比较、分析、概括、归纳等多种思维活动。
1.观察
充分的观察是获得科学证据最直接的方式，更是学生科学思维发生的起点。
《鸟类》一课的开篇即以观察动物园的视频和图片引入，让学生初步识别鸟类和其他动物的区别，将学生的经验结构化，以此作为“鸟类”概念发展的基石。
随后，教师通过核心问题“请你仔细观察，把它们的共同点写在记录单上”“这两种羽毛对鸟类有什么作用？”“看一看这些喙分别是什么样子的，想一想，它们分别适合吃什么样的食物？”引出本课三个重要的观察活动：观察并记录五种鸟的共同点；观察鸟类羽毛的特征，进而推理出其作用；迁移应用羽毛的研究方法，观察不同鸟喙的结构，推理其食性。三个观察活动由浅入深，以观察为起点，逐步开展比较、分析、归纳、概括等思维活动，避免了活动内容的碎片化。
2.比较与分析
学生在研究一种物体的共同特征时，通常会带着对这个物体的前概念。他们可能对这个物体很熟悉或者知道它的一些特点，但这些零散的、不系统的前概念，不足以支撑学生建立起这个物体的概念模型，还需要进一步的比较与分析。
分析是将一个复杂的事物、现象或问题拆解成其组成部分或基本元素，以便更好地理解其结构、性质、功能或原因的过程。学生在研究鸟类的共同特征时，需要将鸟这个整体分解为头、躯干、翅膀、足、尾巴、鸟喙、羽毛等各个部分，通过比较发现对象之间的异同，进而确定鸟类的分类标准，初步建构出鸟类共同特征的模型。这么多共同特征中，哪些是鸟类特有的呢？学生再一次运用比较、分析的思维方法，消解“会飞是鸟类的本质特征”这一错误前概念，加深对鸟类特征的理解，也为接下来进一步研究羽毛和鸟喙“结构”与“功能”的联结做了铺垫。
3.归纳与概括
归纳与概括是两种常用于整理信息、提炼要点和形成结论的思维方法。归纳是一种从个别到一般的推理方法，即通过观察、分析一系列具体事例或现象，提炼出它们之间的共同特征或规律，从而得出一般性的结论或原理。概括是一种将复杂信息或长文本提炼为简短表述的过程，旨在保留关键信息，去除修饰和细节。
通过比较与分析，学生能够发现关于鸟类的诸多特征，但是课堂上给出的观察材料只是有限的几种鸟类，还需要学生通过小组讨论和汇报，从五种鸟的具体特征中提炼有效信息，概括归纳出鸟类的共同特征（如羽毛、喙等），从而从具体走向抽象，优化鸟类特征的模型。
需要注意的是，以上几种方法不是独立存在的，而是在模型建构时综合运用的。建构跨学科概念时，还需要根据实际情况引导学生合理运用正逆思维理解概念，对问题进行全面而深入的分析；同时，综合考量横向联结与纵向抽象的思维逻辑，在逐级建构中不断调整和优化模型。
（二）循证探究：概念的内化与迁移
“循证”一词源自医学领域，其含义是“遵循证据”，强调基于可靠的数据、研究或经验来制定策略。《鸟类》一课的第二个探究活动“搜集信息，分析解释鸟类羽毛的结构特征和作用”，既是对鸟类特征模型的深化研究，也是一次典型的基于真实证据的循证探究。学生通过多方面的证据支持，理解鸟类羽毛结构的独特性及其对鸟类生存的重要性，建立结构与功能的有效连接，深化对鸟类特征的理解。
1.循证起点
以问题为导向，是循证的起点。只有明确了问题，才能有针对性地收集和分析证据，从而找到解决问题的方法。
首先，教师让学生观察、分类，了解正羽、绒羽的羽毛结构；接着，从“这两种羽毛对鸟类有什么作用？”这一核心问题出发，引导学生自主思考并产生探究欲望。
2.循证支持
循证研究强调基于证据进行决策和实践，而证据往往来源于对实际现象的观察和对实验数据的分析。在小学科学教学中，丰富真实的循证材料可以为学生提供观察和实验的对象，使他们直接接触到科学现象，从而收集到有价值的数据和证据，为后续整理、分析、解释实验数据提供支持。这些材料不仅包括各种实验器材、试剂和工具，还包括与课程内容相关的实物、模型、图片、视频等多媒体资源。
在研究羽毛的结构和功能时，教师提供了三种鸟的正羽、绒羽实物以及鸽子、鸭子和鹌鹑的活体等真实可感的观察对象作为循证材料，还提供了剪刀、滴管、水、放大镜等多样化的工具。学生通过直观观察、分类、记录等方式收集第一手资料，既满足了制定个性化探究方案的需求，也有助于教师全面评估学生观点的可靠性、有效性，为后续的探究和推理提供坚实的基础。
3.循证推理
学生在科学探究时根据收集到的数据和证据进行循证推理是一个复杂而系统的过程。在收集到数据和证据后，学生要将数据和证据按照性质、来源或相关性进行分类整理；然后，基于已有数据和证据，运用科学思维和逻辑推理方法，推导出新结论或新观点；同时，确保推理过程中所使用的证据充分、可靠，并能够有效地支持所得出的结论。
在《鸟类》一课教学中，教师为学生的循证推理设计了一个真实的重要线索——三折页记录单。“三折页”，顾名思义，是将一张较大的纸张折叠两次后形成的具有三个页面的记录工具。《鸟类》一课“三折页记录单”的三栏内容分别为不同羽毛的“生长位置”“羽毛特点”“作用”（如图2所示）。纵向来看，学生可以方便地对比不同来源的数据和证据；横向来看，学生可以直观展示观点（“作用”一栏）和证据（“生长位置”“羽毛特点”两栏）之间的关系，从而更利于“结构与功能”跨学科概念的建构。
通过循证推理，可以确保学生能够系统记录和整理观察结果，从而有效培养学生的观察能力和信息整合能力。这也将学生的观察结果和推理过程可视化地呈现出来，促使学生的思维走向深度。
4.证据呈现与论证
真实证据的呈现与论证，通常可以按照“独立思考→小组讨论→全班研讨”的流程来进行。独立思考阶段，教师应鼓励学生依靠证据和推理，对问题进行深入思考与分析，形成个人对问题的初步理解。这些见解可能是片面、不完全准确的，但恰恰能为后续的研讨提供重要的学习资源。小组讨论阶段，应允许学生大胆分享他们的见解，从而引发学生的思维碰撞与融合，引导学生从不同角度看待问题，补充和纠正原有认知。全班研讨阶段，应为学生提供一个展示小组讨论成果的交流平台。教师可根据学生的汇报相机板书，将关键信息和证据进行提炼与呈现，在师生共商中，达成共识。
《鸟类》一课中，学生通过独立思考和研讨，得出了“正羽更轻，更利于飞行；绒羽贴在鸟类身体上，可以保暖”等结论。这些结论是基于真实的实证材料和逻辑推理得出的，具有较强的科学性和说服力。
在研究羽毛的结构与功能时，教师通过提供的材料（如剪刀、滴管、水、放大镜等）启发学生自主设计实验，进行推理分析，探究羽毛结构和功能之间的关系，培养学生的创新思维、数据分析能力和解决问题能力。此外，教师精心设计了多种记录工具（气泡图、三折页、表格等），给学生思维发展搭建了合适的脚手架：气泡图能凸显鸟类的共同特点，三折页和表格能建立起结构与功能的紧密联系，将学生的思维历程进一步优化。
参考文献：
［1］武倩，裴新宁.利用跨学科概念促进科学学习——基于美国与德国科学课程相关文本分析［J］.比较教育学报，2024（6）：163.
［2］中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准（2022年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2022：16.