小学科学教师的跨学科概念理解：水平、特征与建议

高潇怡，孙慧芳

(1.北京师范大学教育学部，北京 100875；2.北京教育学院，北京 100120)

一、前言

跨学科概念是当前国际科学教育界关注的核心命题，美国、加拿大、澳大利亚、新加坡等发达国家都将其纳入了国家科学课程标准，作为学生科学学习的重要结果做出要求。[1]跨学科概念是科学学科知识的核心内容，科学教师的跨学科概念理解是其专业素养的基本要素，是开展教学活动的前提条件。[2]研究表明，科学教师对于科学概念的理解程度与学生的概念学习呈现正相关；[3]科学教师对跨学科概念的有效理解将有助于教师整体把握课程内容，进行良好的教学实施，最终促进学生对跨学科概念的理解。[4]

把握教师跨学科概念理解的现状，是提高科学教师跨学科概念理解的基础与前提，也是教师科学培养与培训的依据。有研究显示，对任何科学错误概念的程度和性质的评估对教师随后进行的科学培训非常重要。[5]因此，本研究对小学科学教师的跨学科概念理解进行了测查，基于调查结果，为提升小学科学教师的跨学科概念理解提出了针对性建议。

二、研究设计

(一)被试

本研究根据北京市的地区划分，选择D、X、H、C、M等五个区，共选取285位教师为问卷调查对象，发放并回收问卷285份，其中无效问卷7份，有效问卷共278份，有效回收率为 97.54%。被试涵盖了北京市五个主要地区，且基本覆盖了各个年龄段、不同的专业背景、学历水平，以及不同的工作经历，具有较好的代表性，具体情况见表1。

表1 被试分布一览表

(二)研究方法

为全面探查小学科学教师对跨学科概念的理解，本研究综合采用了测验、内容分析以及概念图几种方法。

1.测验法

基于跨学科概念自身的特点，并结合我国小学科学课程与教材中的具体内容，本研究确定了“能量”“结构和功能”以及“系统”3个跨学科概念作为测查概念对教师进行测查。我们从当前已经检验且具有较高信效度的跨学科概念量表中抽取适宜题目，编制了“小学科学教师的跨学科概念”测验；经过国内外科学教育专家进行内容审定以及前测数据的信效度检验后，进一步对测验进行了少量修订，确保该测验对于北京市小学科学教师具有良好的适用性。

2.内容分析法

为深入了解教师对跨学科概念的理解，分析其跨学科概念理解的基本特征，本研究聚焦“结构与功能”和“能量”两个跨学科概念，编制了开放性题目，探查教师个人的自发性理解和认识，通过对教师的作答内容进行编码和分析，探查了小学科学教师跨学科概念理解的广度、深度以及学科整合性等基本特征。

3.概念图法

概念图是概念及概念之间关系的表达，绘制概念图能够体现出教师概念理解的程度。因此，本研究通过向科学教师出示一幅自然界中包含“能量”概念的真实图景，请教师将自己联想到的关于能量的全部内容以及它们之间的关系用概念图表达出来，从而将教师内在的能量概念理解外显化。

(三)研究工具

1.问卷的编制及构成

本研究根据我国小学科学课程与教材的内容以及我国小学科学教师的师资水平，选择了与内容高度相关且我国科学教师较为了解的“能量”“结构与功能”以及“系统”共3个跨学科概念编制问卷。问卷共有21题，第1-12题、第14题为单项选择题，第13、15、16、17、18题为多项选择题，第19、20题为开放性题目。其中第1-13题和第21题与“能量”相关，第1-13题来源于Park Mihwa和Xiufeng Liu开发的IDEA量表[6]以及周瑶[7]的硕士学位论文，第21题为自编开放性题目，即概念图绘制；第14、15、20题和“结构与功能”相关，第14、15题来源于Yang Yang[8]的博士学位论文，第20题为自编题目；第16-19题与“系统”相关，来源于廖婷婷[9]的硕士学位论文。

此外，本研究在每道题目之后设置了教师答对该题的确信程度，即信心指数，旨在提高客观题的有效性，判断教师猜测或者低效能等情况，以更客观、科学地呈现科学教师对跨学科概念的理解现状。

2.问卷的作答及计分方式

问卷量化处理部分为选择题，每题3分，其中，单项选择题选对记3分，选错或没选记0分；多项选择题选项选择全面且正确记3分，有错选1项或漏选记2分，错选两项以上记1分；无正确选项记0分。问卷的最终得分为被试各个题目所得分数的和，总分越高，教师对跨学科概念的理解即越好。

3.问卷的信效度检验

本问卷绝大部分试题来自于已有研究工具，自编题目为开放性，且经由科学教育专家评审，可以保证该测验具有良好的内容效度。在信度方面，本研究采用克隆巴赫系数法(Cronbach’s alpha)对问卷的内在一致性程度进行了检验，见表2。可以发现，该问卷题目的克隆巴赫系数为0.776，信心指数的克隆巴赫系数为0.895，本研究的工具有较好的信度。

表2 小学科学教师的跨学科概念问卷内在一致性信度

同时，本研究采用双变量分析的方法对问卷的题目进行了结构效度检验，以考察能量、结构与功能、系统等各维度题目与跨学科概念整体理解的相关程度，如表3所示。结果发现，每个具体的跨学科概念得分与跨学科概念总分之间均存在显著相关，表明本研究中使用的问卷具有良好的结构效度。

表3 小学科学教师跨学科概念问卷各维度的相关分析

在区分度方面，本研究将所有人的问卷总分由高到低进行排序，然后取前27%和后27%的临界点上的学生成绩作为高低分组的临界点，对高分组和低分组的两组样本进行独立样本T检验，结果如表4所示。我们发现，两组样本的显著性P<0.001，远低于0.05，表明本研究问卷具有良好的区分度。

表4 问卷得分为高分组和低分组的独立样本T检验

三、研究结果

(一)小学科学教师跨学科概念理解的水平

教师回答问卷的总得分可以反映出小学科学教师跨学科概念理解的水平。因此，本研究统计了所有样本得分的平均值、标准差、最大值和最小值，如表5所示。描述性统计显示，小学科学教师的跨学科概念问卷整体百分制平均分为65.3763，标准差为18。我们可以发现，小学科学教师的跨学科概念问卷整体均分并不高，刚刚超过及格线；标准差较大，即小学科学教师跨学科概念理解的离散程度比较高，存在较大的个体差异。

表5 小学科学教师的跨学科概念问卷得分情况

为了进一步了解小学科学教师跨学科概念理解的主要分布情况，我们根据总分的平均数和标准差将教师的跨学科概念理解划分为4个水平，水平1为小于M-SD、水平2为M-SD——M、水平3为M——M+1SD、水平4为大于M+SD。由于水平2之后的分数才达到及格线，故将水平2确定为差。水平1至水平4依次为很差、差、中等、良好，如表6所示。

表6 小学科学教师跨学科概念理解整体水平划分

据此，对持有不同跨学科概念理解水平的教师可做出水平分布直方图，如图1所示。跨学科概念理解整体水平为“很差”的教师占11.2%，31.6%的教师跨学科概念理解水平达到“差”，44.2%的教师跨学科概念理解达到“中等”水平，理解达到“良好”水平的教师占比为13%。

图1 小学科学教师跨学科概念理解 整体水平分布直方图

对于具体的跨学科概念，本研究将每个概念的总得分除以题量，得到该概念的平均分，来标识教师对这一概念的理解水平。我们对所有教师三个概念的得分进行描述性统计，得到所有样本在三个概念上的平均值和标准差，其结果如表7所示。

表7 小学科学教师在不同跨学科概念上的得分情况

可以发现，教师对“能量”这一跨学科概念的理解较好，均值高且分布情况尚可；其次是“结构与功能”，教师对“结构与功能”概念的理解得分较高，但离散程度最大，也就是教师个体间的差异较大；教师理解最差的概念是“系统”，得分均值小且离散程度也小，说明教师对“系统”的理解为很稳定的不好，亟待发展与提升。

(二)小学科学教师跨学科概念理解的特征

1.小学科学教师跨学科概念理解呈现“高信心指数错解”

为提高客观题的评价能力，本研究在每道题目后面增加了信心指数，即“你答对该题的确信程度”。信心指数是指个体对自己表现水平的评估。基于信心指数的辅助性作用并降低教师答题的时间成本，本研究的信心指数采用三点量度，即确信、一般、不确信，分别计分为3分、2分、1分。

本研究对各题的信心指数平均值(CF)、正确置信度(CFC)、错误置信度(CFW)以及信心指数标准差(CDQ)进行了计算，并进行了百分制转换，具体值见表8。其中，正确置信度为回答正确教师的信心指数平均值，对于多选题，则将该题得分为3分和2分的教师信心指数值按人数比例计算均值；错误置信度为回答错误教师的信心指数平均值，多选题的错误置信度为该题得分0分和1分的教师信心指数值按人数比例计算均值。

已有研究将信心指数以50%为界，在回答正确的情况下，信心指数小于50%，可以判定为猜测，信心指数大于等于50%，即教师理解科学概念；在回答错误的情况下，如果信心指数大于等于50%，即存在错误概念，若信心指数小于50%，则表明教师缺乏知识。[10]

从表8我们可以看出，科学教师对于问卷题目的整体信心指数在66～90之间，平均值为79，信心指数较高。同时，正确置信度范围在65～93之间，个别题目回答正确的教师的信心指数较低，可能存在低效能或者猜测的情况，例如第16题、第17题。这与问卷得分反映的情况相一致，教师对系统概念的理解相对较差。整体来看，教师在“能量”概念上的正确置信度高于“结构与功能”，高于“系统”。

同时，我们发现，教师的错误置信度非常高，每一道题目的错误置信度都高于50%，甚至都高于60%。尤其是第4题、第14题、第17题等题目，内容涉及到能量耗散、在陌生情境中识别“结构与功能”以及系统的输出等，可见，小学科学教师在这几个方面存在较为“顽固的”错误理解。较高程度的错误置信度表明回答错误的教师对自己的选择非常自信，教师的跨学科概念理解呈现出“高信心指数错解”情况。可以判定，小学科学教师在跨学科概念上存在错误概念，还需要更进一步的研究来探查教师具体的错误概念进而促进科学教师的概念转变。

表8 问卷各题的信心指数相关值

2.小学科学教师对具体跨学科概念的理解具有较高的一致性

本研究选择了“能量”“结构与功能”以及“系统”三个具体的跨学科概念进行测查，发现小学科学教师对三个概念的理解水平存在不同。在此基础上，我们探索了教师关于这三个概念理解之间的关系，发现小学科学教师对这三个跨学科概念的理解水平存在突出的一致性。本研究采用皮尔逊相关分析对能量、结构与功能、系统三个概念的得分进行了相关性检验，结果如图2所示。

图2 小学科学教师具体跨学科概念理解之间的相关分析

检验结果显示，教师对能量、结构与功能以及系统的理解之间存在统计学意义上的显著正相关。其中，教师的“能量”概念理解与教师的“系统”概念理解之间的相关系数r=0.525，即教师对能量概念的理解与教师对系统概念的理解之间存在强相关；同时，教师的“能量”概念理解与教师的“结构与功能”概念理解之间的相关系数r=0.428，教师的“系统”概念理解与教师的“结构与功能”概念理解之间的相关系数r=0.328，二者均呈现中等相关。

美国《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念、核心概念》指出，不同的跨学科概念之间是相互关联的，对能量、结构与功能的理解能够帮助理解系统概念，[11]本研究得到的结果与《框架》中的观点相一致。跨学科概念之间即存在联系，能量的守恒往往是在系统中判定的，而系统的功能会受到部件结构的影响。在我们的研究结果中，教师的“能量”概念理解和“结构与功能”的概念理解都与“系统”理解相关，但“能量”与“系统”之间相关性最高，而 “结构与功能”和“系统”之间相关性略低。

从概念本身来看，“能量”和“结构与功能”在内容上并没有非常直接的联系，但是在我们的研究结果中发现，教师对“能量”概念的理解与教师对“结构与功能”概念的理解之间也存在中等相关。我们认为，不论是能量、系统还是结构与功能，都反映出了教师的跨学科概念理解情况，不同的概念理解之间存在相关这也从侧面反映出本研究设计的合理性，即教师对“能量”“结构与功能”以及“系统”三个具体的跨学科概念的理解可以良好地代表教师的整体跨学科概念理解水平。

3.小学科学教师跨学科概念理解的广度和深度不足

广度和深度是表征小学教师跨学科概念理解的重要指标。本研究中，主要采用教师在开放性题目中的回答来分析教师跨学科概念理解的广度和深度。我们将小学科学教师跨学科概念理解的学科领域和主题分布作为分析广度的依据，并基于跨学科概念内容情境的专业性来分析教师跨学科概念理解的深度。

(1)小学科学教师跨学科概念理解的广度不足

在广度方面，我们以“结构与功能”为例，统计了小学科学教师跨学科概念理解内容的学科领域分布情况，结果如图3所示。在学科领域方面，有9%的教师只阐述了“结构与功能相适应”这一关系内容，并未从学科领域的角度进行举例说明；74%的教师的解释只涉及一个学科领域；包含两个学科领域的教师占比为14%；而三个学科领域都涉及的教师仅有3%。整体而言，仅有一成多的教师能够从两个或三个学科领域内容出发来阐释跨学科概念，体现出教师跨学科概念理解广度不足，亟需拓展。

图3 小学科学教师跨学科概念理解的学科领域广度分布

除学科领域外，本研究还对教师回答的内容主题数量进行了统计。有72%的教师只涉及到一个主题；18%的教师回答中包含了两个主题；回答包含三个主题的教师占比为7%，四个主题的教师仅占3%，具体见图4。教师对跨学科概念的理解需要在不同的情境中反复使用，而调查结果显示仅有不到三成的教师会从多个内容主题出发对“结构与功能”进行解释，反映出教师跨学科概念理解的广度不足。

图4 小学科学教师跨学科概念理解的主题广度分布

(2)小学科学教师跨学科概念理解的深度不足

本研究将以“能量”概念为例，对小学科学教师的跨学科概念理解深度进行分析。研究者们往往将“能量”划分为能量的形式、能量的转化、能量守恒与能量耗散等四个维度，并且这四个维度的理解难度依次递增。本研究结果发现，教师对能量耗散的理解情况非常糟糕，百分制平均分仅有61.47分，能量守恒得分为69.69分；相对于能量转化的74.40分和能量形式的71.59分，存在较大差距。

在开放性题目中，也得到了相似的结果，仅有2位科学教师在回答中提到了能量耗散或者能量以热能的形式散失，反映出只有极少的教师从能量耗散的角度进行思考。能量守恒和能量耗散是表征教师能量概念理解深度的重要指标，而小学科学教师在这两个维度的理解情况较差，表明教师在“能量”这一跨学科概念上的深度不足。

此外，在内容情境方面，仅有10%的科学教师能超出小学科学的内容范围来回答能量在各领域中的具体概念，例如“光合作用、呼吸作用、聚变裂变、化学反应、机械能守恒”等内容主题。也就是说，90%的教师在阐释能量概念时，仅仅利用了小学科学范围内的相关知识，同样体现出教师跨学科概念理解的浅表性。

4.小学科学教师跨学科概念理解的学科整合性较差

跨学科概念最本质的特征就是其跨学科性，即在各个学科领域中都具有解释性价值。因此，科学教师跨学科概念理解的学科整合性是表征教师跨学科概念理解程度的重要指标。本研究以“能量”概念为例，采用开放性任务测试教师概念理解的学科整合性。关于教师跨学科概念理解整合水平的设定，我们依据SOLO分类法做了对应，设定了3个整合水平，每个水平的定义描述见表9。之后，依据该标准，本研究对教师的回答进行了水平标定以及百分比统计。图5为不同水平的科学教师占比情况，图6是某教师对能量概念的跨学科解释。

表9 学科整合水平定义

图5 不同学科整合水平教师分布直方图

图6 某教师对能量概念的跨学科回答

根据统计结果，处于水平1单学科水平的教师占比为20%；多学科水平的教师占比最高，为52%；有28%的科学教师达到跨学科水平。可见，有大约八成的教师能够从不同学科领域的角度认识“能量”，但达到跨学科理解水平的教师比例仍然较少。因此，小学科学教师对于各学科领域中与能量相关的内容较为清楚，但是对于领域间内容联系的认识仍较为不足。

小学科学教师跨学科概念理解的学科整合性较差，主要体现为概念理解处于跨学科水平的教师人数不足。有72%的小学科学教师并不能够将跨学科概念在不同学科领域中的内容相联系，这会直接影响到科学教学，影响到学生科学概念的“打通”和建构。因此，小学科学教师跨学科概念理解的学科整合性亟需提高。

四、研究建议

基于调查所发现的小学科学教师跨学科概念理解仍较为薄弱的现状，本研究认为，可以从职前科学教师的培养、在职教师的培训和教研以及教师的自我发展等角度，为提升教师的跨学科概念理解采取针对性措施。

(一)职前教师的培养要指向教师完整学科知识结构的构建

小学科学的最大特点之一就是综合性，科学教师需要掌握各学科领域的科学知识，并通过内容之间的内在联系进行跨学科整合。然而调查结果显示，小学科学教师跨学科概念理解的广度和深度不足，且学科整合性差，亟待提高。因此，职前教师的培养需要指向其学科知识结构的建构，打破各学科间的界限，建立各个学科间的横向联系，构造完整的知识结构。

很多发达国家关于跨学科概念的研究都早于我国，成果也较为丰富，并且在课标和教材中都有所体现；此外，有关跨学科概念的成果也体现在STEM等项目和相关研究与实践中。职前教师的培养应密切跟进国际科学教育的发展和前沿动态，在课程模块中设置相关的内容反映国际科学教育有关跨学科概念研究与实践的新进展，拓展小学科学职前教师的视野。同时，在原有分领域和学科所设置的职前科学教师培养内容中，应该着眼跨学科概念关照不同学科内容之间的关联，探索不同领域内容在跨学科概念意义上的联结与统整的方式，并通过多种形式拓展教师对跨学科概念的理解，从而帮助职前教师完善自身的科学知识结构，提升跨学科概念理解水平。

(二)教师培训与教研活动需进一步强化跨学科概念的相关内容

教师培训是发展在职科学教师跨学科概念理解的重要途径。在调查过程中我们发现，教研活动是影响教师跨学科概念理解的关键因素，是教师了解跨学科概念的主要来源。在前面的分析中可知，小学科学教师对“结构和功能”这一跨学科概念理解较好，这与教研活动中对“结构和功能”的关注密不可分。

因此，在教师培训与教研活动中，依然需要进一步强化跨学科概念。首先，要关注教师对于跨学科概念价值的了解与认同，切实帮助教师理解跨学科概念在科学概念体系中的地位，及其对于科学教学以及学生科学概念理解的重要价值。其次，加强跨学科概念与不同学科领域内容之间的对应。尽管“结构与功能是生命科学领域要解决的关键问题”已经成为科学教师的共识，但教师对于“结构与功能”也会体现在物质科学、地球与宇宙科学、技术与工程等领域还不尽理解。因此，教研活动中充分体现对跨学科概念在不同领域内容之间的对应的联系将有助于深化教师对跨学科概念的理解。第三，关注教师理解较为薄弱的跨学科概念。在本研究中，我们发现教师对“系统”概念的理解不足，对“能量耗散”的理解仍待提高，需要教师培训和教研活动给予进一步的关注和强调。

(三)科学教师需不断深化对科学教学文本的诠释与思考

小学科学教师对于小学科学课程标准、不同版本的小学科学教材等教学文本的诠释与解构是影响教师跨学科概念理解甚至教师学科专业知识的重要因素。我们在研究中发现，对跨学科概念理解较好的科学教师本身具有较强的文本诠释与思考的能力，即不仅熟悉和钻研教材，而且善于对教材中所包含的学科概念进行架构和分析，具备在横向和纵深两个层面解读思考重要的科学概念内容的能力，从而实现了教师对相关跨学科概念的较好理解。有研究者指出，教师的专业知识需要经历学科知识课程化、课程知识教学化以及教学知识学科化的过程。[12]也就是说，教师在进行教学的过程中，需要通过对课程标准、教材等进行解构和诠释，结合自身的思考与反思，进而在教学实践过程中促进学科知识的发展和建构。

在调查中，我们发现教师对于课标的研读情况较好，对教材的钻研则仍显不足。教师在阅读教材具体内容的同时，需要深入钻研教材内容体系的编排，进一步增强对教材所包含的学科概念内容的贯通理解。事实上，教师对跨学科概念的理解本身是一个不断发展和完善的过程，除了受制于专业学习和受教育经历，更需要教师个人不断对科学教学文本进行阅读与思考，“打通”课标、教材以及相关文献资料，从而实现自身专业知识结构以及跨学科概念理解的不断完善和发展。