教学中的工程实践即“工程设计与物化”，是科技创新人才培养的重要议题。《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称《科学课程标准》）中对“工程设计与物化”的概念就范围、标准、过程已经进行了说明，如“工程需要定义和界定”“工程的关键是设计”“工程是设计方案物化的结果”，但是怎么指导设计和物化仍是一个需要进一步回答的问题。鉴于“工程设计与物化”相关概念支撑着上位跨学科概念的形成，上位的跨学科概念反过来可以指导下位“工程设计与物化”相关概念的完善，对如何设计和物化具有指导价值。

一、跨学科概念作为概念性认识成果是进一步认识客观事物的工具

自然科学领域的跨学科概念代表着人们对客观自然世界的认识成果，为人们搭建了自然世界观的骨架，其含义也就相当丰富。

（一）跨学科概念的提出

跨学科概念是一种贯通于不同学科的大概念，在科学领域中，跨学科概念由各分支广泛、频繁使用的科学概念经深层次加工、提炼、合取、抽象出来，能广泛适用于各种自然现象的解释、科学原理的理解和实际问题的解决。科学学科教学也需要跨学科概念的提出。1993年，美国科学促进协会（AAAS）发布的《科学素养的基准》中就详细阐述了跨科学学科的四个“共同主题”，即：“系统（systems）”“模型（models）”“恒定与变化（constancyandchange）”“尺度（scale）”。在美国《K-12科学教育框架》中，呈现了包括“系统与模型”“物质与能量”“结构与功能”“稳定与变化”在内的七个跨学科概念，并将这些跨学科概念与科学中各学科核心概念和工程实践共同构建起学生认识客观世界的三个维度，即概念框架。

我国2022年发布的《科学课程标准》和《义务教育生物学课程标准（2022年版）》中也正式使用跨学科概念的表述，其中《科学课程标准》中重点列举了“系统与模型”“结构与功能”“稳定与变化”“物质与能量”四个跨学科概念。从知识形式看，跨学科概念是陈述性知识，是定义性概念，是人们对科学概念、规律、原则和理论系统认识后的总结。跨学科概念作为高度凝练的思想性概念统领着物质科学、生命科学、地球与宇宙科学、技术与工程等领域的学习。

（二）跨学科概念本质是范畴

科学中最一般的概念，概括地反映客观事物的某些性质、特点以及一些必然联系，以范畴的形式高度收敛成为人们复杂科学认识之网的“网上纽结”。跨学科概念与其他范畴相互关联。首先是具有层级关系。跨学科概念介于学科范畴与科学技术哲学（自然哲学）范畴之间（见图1），下一级范畴受到上一级范畴的统领，如“物质”“运动”“时间与空间”“内容和形式”“偶然性与必然性”等哲学范畴，能统领各学科中核心概念。其次是相互融通。比如“物质”这个概念，是哲学中唯物主义的基本范畴，同时自然哲学范畴、跨学科概念，以及较具体的物理、化学和生物学等科学范畴都离不开“物质”的讨论。再次是下一级范畴可以由上一级多个范畴联合派生出。比如“物质与能量”和“稳定与变化”结合可以派生出“能量和物质在变化过程中，总量保持不变”的概念；生物学中“稳定与变化”与“结构与功能”结合可以派生出“结构与功能相适应是通过生物体长期进化形成的”的概念。一般的学科概念则是由两个以上的关键属性以及关键属性之间结合的规则来定义的。可以说跨学科概念的“繁殖力”强，是下一级学科概念在新情境中不断生长的 “母核”。

（三）跨学科概念是认识事物的通用工具

跨学科概念蕴含了与世界观对应的方法论。参照哲学范畴对跨学科概念作更上位分析，跨学科概念反映了人们对客观世界的观念，同时概括了认识的方法，转而指导人的之后的认识，作为基本概念被人用作进行精神操作的工具，即一种概念性的工具，提供认识复杂事物的视角、关联认识的媒介和思维。

一是提供认识客观事物的视角。跨学科概念作为一种认识工具，帮助学生解释和预测现象，广泛应用于科学和工程领域。跨学科概念有助于对复杂陌生事物的分析，从不同的“切面”、不同的视角和尺度去读懂复杂多变的事物，反映研究对象的某一类型、特征、性质、关系或联系。例如，当我们看到一辆驰行的电动车时，我们也许会从能源、材料、结构、性能以及稳定性对其审视；“地球系统不同圈层的变化产生了各种自然现象”可以用“结构与功能”“稳定与变化”“系统与模型”联合审视。

二是提供学科之间关联认识的桥梁。跨学科概念凝结着各学科概念之间的一些共性，借助通用概念可以将一个学科中的相关事实或概念与另一学科进行关联，实现知识的迁移和再次加工。小学阶段更多是对客观事实的相似关联。例如，借助结构与功能相适应，能更好将飞机的机翼和鸟的翅膀结构进行关联认识；“冰箱中水的结冰”“燃烧可以产生水”“雨、雪、雾等天气现象”事实能借助“物质的变化”概念进行关联认识。中学阶段可上升为科学概念、原理之间的类比关联。例如，物理学中的“楞次定律”、化学中的“勒夏特列原理”、生物学中的生态的“稳态与平衡”这些原理均可以围绕“稳定与变化”进行类比分析。

三是提供认识复杂事物的思维工具。跨学科概念作为范畴丢掉了具体的事实和内容，但保留着之前形成过程中的思想、逻辑，这些思维习惯和思维模式对新现象的解释同样适用。正如列宁所言，“人对自然界的认识（=‘观念’）的各环节，就是逻辑的范畴”。可以说，跨学科概念既是概念工具，也是逻辑工具。例如，“系统”概念蕴含着“系统结构—系统运行—系统状态”的思维模式；“能量”概念复合了“能量的来源、能量的转换、能量的转移、能量的存储、能量的消解”这种把握事物内部关系的“线性”思维方式；“结构与功能”结合了结果与原因、内容与形式相统一的分析思维；“稳定与变化”蕴含着“变”与“不变”对立又统一的辩证逻辑思维。

二、跨学科概念在工程实践中的价值

工程学是跨学科的，涉及人工物物质和功能性质等知识，其中物质性质方面的知识是从各种各样的工程科学、自然科学（物理、化学、生物学）和数学（与数学相关是因为涉及了人工物的大小和形状）中得出的。面对特定的人工物设计，这些跨学科概念能结合实际情况派生出一些描述和解释人工物的基本概念，转化为指导实践的依据和方法。

（一）转化为人工物功能描述和分析的概念工具

“工程设计与物化”就是人造系统并获得人工物。功能是人工物的描述、评价的核心，很多时候都将人工物纳入功能类别。而人工物的功能往往是综合输出的，其分析就需要将总体的功能分解为一系列子功能来理解。帕尔（Gerhard Pahl）和贝茨（Wolf-Gang Beitz）就将功能分解为物质、能量和信号在变化过程中产生的流动，这些流动如输入、转换、分开、结合、传递、存储、输出等。这样以功能为焦点的整个“工程设计与物化”的描述和解释将围绕“物质、能量、变化、功能”等基本概念而展开。图2围绕物质、能量和信号的流动对“喷气式小船”功能进行描述和分析，其中“信号”这一概念也可以由“物质”和“能量”概念派生出。学习者可借助“物质”“能量”和“信号”等基本概念围绕待物化或已物化的人工物进行交流和表达，进而获得简单和清晰的结构与功能关系，明晰子系统运作过程，预测系统运行状态，寻求设计方案和优化产品的方案。

（二）衍生为工程实践中教学目标制定的依据

“工程设计与物化”获得功能的过程需要科学原理的指导。工程是把与生活有关的科学与基础的原理与概念，用于研究、创造与设计各种系统，包括结构组成、能量、材料、信息的转换，连接方式、过程，以及对系统进行分析、综合和预测它们在规定工作条件下的性 能。可以说工程是以知识为基础的实践，也就是基于科学的工程。整个“工程设计与物化”是围绕跨学科概念执行的（见图3），其中“系统与模型”反映了人工物的参数，是人工物制作的标准，示意图或模型能直观反映系统是否可物化，能否按照合理的尺度、比例进行实体化；“物质与能量”对应材料选择与使用的标准，对于学生制作“喷气式小船”来说，就是要保证制作小船的材料以及燃料在满足功能所需情况下，经济、易获取，甚至兼顾环保问题；“变化与稳定”要求人工物自身的物质和结构与人工物运行的环境相适应，如在小船航行过程中自身结构是否牢固、是否具备一定的抗浪和抗风能力；“结构与功能”对应的标准通常需要人为界定，如喷气式小船的载物能力、续航时间及小船构造是否美观等。此外，还要衡量对材料进行设计、加工、制作的方法和技术，以保证获得人工物符合生产中的统一标准。

（三）细化为科学实践中工程实践的指导方法

跨学科概念涉及不同领域的学科内容，为学生提供了知识工具，可丰富学生的实践应用。跨学科概念符合客观事物的内在规律，可转化为指导实践的方法。例如，模型是对客观自然界系统的缩影，而构建模型是人们系统认识客观世界的方法。跨学科概念与物理、化学、生物学等学科的核心概念都可以看作与客观存在相关的基础性知识，具有一定的平行关系。而“工程设计与物化”其本质是创造人工实体的工程活动，具有实践属性，为此《科学课程标准》中也是将前11个学科核心概念与后“工程设计与物化”用“实线”划分开，表示与其他概念属性不同。跨学科概念要指导“工程设计与物化”的开展，就需要从“知识性概念（陈述性知识）”转化为具体的“实践性概念（操作性知识）”，细化为工程实践的指导方法，如表1所示。

综上所述，跨学科概念在具体的实践情境中可转化为操作性知识，并与“工程设计与物化”实践性概念配合指导“工程设计与物化”活动的开展。这样跨学科概念打通了学科概念与实践之间的隔阂，赋予了“工程设计与物化”实践的学习意义，即学习者在工程实践中应用并理解了科学知识，理解了为什么科学实践是如此进行的。这样“工程设计与物化”并非在规定程序下进行模仿或按部就班地机械化操作，而是在跨学科概念指导下的学习实践。

三、围绕跨学科概念设计“工程设计与物化”的教学

教学场域下学生不是真正意义上的工程师，不是去真正设计新产品解决前所未有的难题。教学中只需要学生模拟工程师，在创造实践中思考，获得解决问题的方法，加深科学原理和概念的理解。“工程设计与物化”相关项目、活动与问题的设计就是要将“实践感悟”与“概念深化”联系起来，发挥“工程设计与物化”的实践育人价值。

（一）围绕跨学科概念设置与“工程设计与物化”匹配的活动

教学活动的设置除了符合“工程设计与物化”的六个环节，同时应聚焦跨学科概念重新定义并具体化。以“喷气式小船”制作为例。对于“系统与模型”，在明确问题阶段，定义为对观察到的实体进行系统表征，建立心理模型；在设计方案和实施计划阶段，定义为以草图或实物模型显性地表达设计；在检验作品阶段，定义为通过模型测试产品；在改进完善阶段，借助模型进行交流；在发布成果阶段，借助模型见证学习的成果。以上重新定义“系统与模型”则可以此设置“观察工程实体”“绘制草图”“制作模型”“展示评价”等教学活动，如表2所示。

对于“稳定与变化”，将“稳定”定义为功能的标准，因此设置了对产品优化完善的教学活动；将“变化”定义为外界因素干扰，为此设置让学生谈论预估人工物可能存在的问题并修改产品说明书的活动。如表2所示。

（二）围绕跨学科概念设置针对性问题引导学生“做中思”

通过问题引导学生用跨学科概念从不同视角看待事物，并指导学生有目的地动手操作。结合实际物化结果分析其背后的科学原理，体会“工程设计与物化”背后的科学思想。教师提前作系统化的预设，聚焦跨学科概念提问，引导学生就一个活动做全面且有深度的思考，真正发挥“工程设计与物化”的教学价值。

仍以“喷气式小船”制作学习为例。这个过程中可以围绕跨学科概念设置相应的思考问题，如表3所示。这些问题引导学生在实践中思考操作背后的深层含义，如围绕“系统与模型”这一概念设置引导问题“小船能向前运动的原因是什么？”这个问题就是引导学生将船、喷出的“气”二者视为一个系统；再立足“力是改变物体运动状态的原因”的概念，用示意图或草图模型分析系统内部的作用关系，分析小船受力进而解释为何小船会往前运动。

（三）围绕跨学科概念开展“工程设计与物化”的单元进阶学习

“工程设计与物化”各课时或各活动的目标应螺旋上升，避免成为时而制作飞机、时而制作火箭、时而种花养草这样随意的动手操作课程。“工程设计与物化”的单元进阶学习就是不断调整设计和物化对象的复杂程度的过程，也是不断对人工物进行迭代更新的过程，还是在实践中对物质、能力、结构、功能、变化认识不断深化的过程。这样的进阶过程可围绕四个方面实现：对人工物结构进行描述，认识系统内结构与功能的关系；厘清系统内的物质、能量和信息流，进而在结构与功能描述的基础上明晰内部运行机制；对系统进行建模分析，模拟和预测运行状态，追求新的物质、能量和相对稳定状态；根据人工物与环境相互影响中变化与稳定的表现，不断优化和改进产品。比如“喷气式小船”案例比较适合5—6年级；1—2年级的学生接触过气球，比较适合以气球作为动力装置；3—4年级可以用电动机转动产生风，直接感受空气为船提供动力；7—9年级可让学生依据热胀冷缩原理以及压强和体积之间关系（波义耳定律）制作“噗噗船”。

综上所述，“工程设计与物化”在科学教学中应定位成“为获取知识和能力的实践”或者是“一种基于认知的实践”。这种实践不是简单模仿、按操作程序机械执行的动手过程，而是基于跨学科概念、科学理论、原理、概念进行创造的过程，并在创造中进一步深入理解不同层次的概念。如果“工程设计与物化”脱离科学知识和原理的思考就成为动手活动课。当跨学科概念蕴含的思想引导实践行动时，从设计演练得到的物化信息反馈又会修改并精炼观念。跨学科概念的逐渐形成与“工程设计与物化”的实践过程相得益彰，产生“做中学”和“学中做”的良好循环。