专题导读
2024年6月，《中国科技教育》推出了“跨学科概念视角下的科学教学”专题系列文章，帮助一线教师以跨学科概念的视角深入认识科学教学。后续，小编将通过10期微信稿分享该专题4篇文章的详细内容。
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专题：跨学科概念视角下的科学教学
/ NEWS TODAY
《跨学科概念引领下的科学教学》
《基于跨学科概念“系统与模型”的技术与工程领域教学初探》
《基于跨学科概念的“拆客空间”项目实践研究》
《基于跨学科概念的科学与劳动实践——“乐山农场”跨学科项目实践研究》
专题文章《跨学科概念引领下的科学教学》为我们厘清了跨学科教学中的三个基本问题：为什么要开展跨学科教学？跨学科概念有哪些？跨学科概念如何引领科学教学？
上期微信《跨学科概念引领下的科学教学（1）》（点击文字可跳转链接），我们解决了第一个问题：为什么要开展跨学科教学。本期微信，小编就带您走进第二个问题：跨学科概念有哪些？
《跨学科概念引领下的科学教学》
跨学科概念有哪些？
当前，各国教育界对跨学科概念的提法各不相同。在我国，《义务教育科学课程标准》（2022版）中设置了13个学科核心概念和4个跨学科概念，通过围绕13个学科核心概念的科学学习，实现对“物质与能量”“系统与模型”“结构与功能”“稳定与变化”等4个跨学科概念的理解，图1是课标中呈现的结构图。
《义务教育科学课程标准》（2022年版）的课程内容结构
物质与能量
世界是物质的，小到微观粒子，大到宇宙空间，都是物质；运动是物质的基本属性，能量是一切运动物质的共同特性，也是各种运动的统一量度；与物质和运动相伴，能量有多样的形式，可以通过做功相互转化；但在转移和转化的过程中，总量却保持不变。物质与能量是极其重要的概念和自然规律，经过了漫长的探索才逐渐形成。
物质与能量在所有科学与工程的学科中都是非常重要的概念，它们往往与系统相结合。
追踪物质与能量在所研究系统内部及外部的转移、输入和输出的过程不仅有助于更深入地理解系统，其实也是科学家对系统开展研究的思路之一。在系统中都存在各种类型的循环，其中也包括了物质和能量的循环。考虑能量与物质在系统或过程中的输入、输出、流动或转移对科学研究和工程问题解决来说都非常关键。工程设计的一项主要目标就是在最大化某些类型的能量输出的同时使其他的能量输出最小化，以尽量减少完成预期任务所需的能量投入。
结构与功能
不同组成与结构的物质具有不同的性质，物质的性质决定了其功能与用途。系统包括边界、成分和相互作用，其中的成分与相互作用的总和是系统的结构，物体的结构决定了其主要特性和功能。不同领域的结构有不同的表现形式。从狭义上说，结构是系统中各成分的空间位置及连接关系。广义上说，结构是系统中各成分的关系。
无论是物质科学还是生命科学，结构与功能的实例无处不在。自然界的生物经过长期的进化，从某种意义上说，其结构是漫长进化演变的结果，它不仅能较好的适应环境，还具有特定的功能。仿生学就是通过研究生物体的结构与功能进行发明创造。也可以说，结构与功能是自然科学任何一个领域都有的共性。
结构与功能是互补的性质。自然和人造物品的结构及稳定性与其功能紧密相关。自然系统和人造系统的运作都依赖某些关键部件的形状和这些部件之间的关联，以及组成它们的材料的性质。在一个特定的量级上或在研究特定的现象时，为了知道哪些性质或哪些方面是需要考虑的，必须对尺度有所了解，即根据提出的问题选择合适的尺度[]。例如：要理解自行车的工作原理，最普通的尺度是宏观视角，即研究车身、轮子、链条、踏板等部件的结构和功能。但如果问题是制作出更为轻便的自行车，则需要结合问题从材质方面入手，寻找刚性和硬度都适合但密度却较低的材料，从更微观的尺度来研究结构与功能问题。
系统与模型
系统是根据研究目的人为界定的，由一些有关联的物体或元素组成的有序整体。系统包含边界、元素（成分）和相互作用。模型是经过处理的简化系统，能体现原系统的本质特征，是描述和理解系统的有效工具。模型包括物理模型、数学模式和概念模型。模型具有系统的本质特征，模型与系统之间存在某种相似性，除了可以解释一部分系统的现象，还可以从模型预测系统更多的现象。
系统与系统模型在科学与工程学中很有用处，它可以帮助研究者预测系统的行为、诊断系统的功能问题或故障。用于发展科学解释或工程设计的优化的系统模型，不仅必须详细说明系统的各个部分或子系统、以及边界，还必须指出它们之间是如何相互作用的，并认识到这些相互作用都涉及系统各部分怎样的能量、物质和信息的转移。但同时，一个系统的任何模型都包含了假设和近似，研究的关键是要明白这些假设和近似是什么，以及它们是如何影响模型的可靠性和精确度的。
稳定与变化
稳定与变化展示了自然界一切事物的演变历程，稳定与变化是系统的特点；不同系统的变化速度是不同的，考察系统的稳定或变化需要适当的时间及空间尺度；变化是绝对的，变化与稳定又是相对的；可以从宏观和微观的角度解释稳定与变化的原因以及相关的很多现象。
稳定与变化是许多科学与工程学实践中必须考虑到的因素。稳定指至少在观察的尺度上，系统的某些方面保持不变的情形。稳定意味着当系统遇到一个小干扰时会产生某些变化，但这些变化会逐渐消失，也就是说，系统会保持或回到原先的稳定状态。这种稳定性可以表现为不同的形式，其中最简单的是静态平衡。相对应的，具有稳定的流入和流出的系统被称为处于动态平衡。
此外，一个系统可能在较小的时间尺度内呈现稳定性，但在较大的时间尺度内显示出变化，如地球系统的演变。对于大型系统的发展，相应的时间尺度实际上可能是非常长的；此类过程的发生要经历数百万年甚至数十亿年。
内容来源：《中国科技教育》杂志2024年第6期《跨学科概念引领下的科学教学》，作者：杨健、叶兆宁。欢迎转载，转载请注明出处。
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