【人教好文章】钟晓媛 | 对跨学科概念 “结构与功能”的思考与审视

教小萌说

跨学科概念是对科学知识共性的高度归纳，是学科概念的基础。作为跨学科概念之一，“结构与功能”反映了人类对客观世界的认识和改造，既可以让学生认识客观世界，也可以让学生思考人类在其中的角色；既可以帮助学生认识到真实问题的复杂性和解决问题的基本认知模型，也可以培养他们寻求证据的驱动力和基于证据的解释力。我国科学类课程对于“结构与功能”的安排基本符合学生的认知发展规律，能够有效实现其教育价值，但仍存在一定的改进空间。为更好地帮助学生建构这一跨学科概念，教师要在教学中做好分层递进、适当迁移和整合设计。。一起来看人民教育出版社化学编辑室钟晓媛老师的“人教好文章”！

本文字数：7066 字

阅读时间：14 分钟

近十年来，跨学科的诉求在科学教育领域中的呼声越来越高，推动了科学教育领域对“整合”思想的重新认识。跨学科概念是跨学科学习的重要组成部分。美国、加拿大、澳大利亚、新加坡等多个国家的科学课程标准均强调跨学科概念的重要性。美国《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念和核心概念》提出了七个跨学科概念：模式，因果关系，尺度、比例和数量，系统与模型，物质与能量，结构与功能，稳定与变化。我国《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称“科学课标”）选定了四个科学课程跨学科概念：物质与能量、结构与功能、系统与模型、稳定与变化。世界各国选定的跨学科概念虽略有不同，但它们均能对科学知识的共性进行高度概括，是学科概念的底层逻辑。

目前，国内学者对于模式、尺度、物质与能量、系统与模型、稳定与变化等跨学科概念的内涵与教育价值都有了一些整体视角或学科视角的研究。“结构与功能”体现了人类对客观世界的认识和改造，与其他跨学科概念相比抽象程度更低，容易被低年龄段的学生接受，但其内涵及应有的教育价值常被研究者忽略。

1

人类对“结构与功能”的认识

人类对客观世界中物质（本文对“物体”“物质”等概念不做区分，下文统一使用“物质”一词）的最基本认识不外乎它“是什么”和它“能用来干什么”。对“是什么”的认识必然包括对其外形特征等结构方面的认识，“能用来干什么”则直接指向对其功能的认识。

总结历史上人类认识“结构与功能”时涉及的对象，既包括如石头和水等非生物体，也包括如树木和动物等生物体；既可以是自然界中存在的物质，也可以是玻璃和芯片等人为制造的物质；既包括前面所述这些由粒子构成的物质，也包括如磁场和电场等由场构成的物质；既可以由单一物质组成，也可以是由多种物质搭建、组装的机械。对它们的结构进行观察、对它们的功能进行探索，更好地利用其功能、改进其结构，是人类认识和改造客观世界的主要内容。

（一）利用功能是人类探索结构的重要动力

从石器时代起，人类就不断地研究并改造工具的结构，以期得到更加实用和优异的功能。在石斧、投枪等工具的功能无法满足旧石器时代晚期人类的需求时，结构更加复杂的弓箭产生了，为人类提供了强大的远距离杀伤性武器。对历法功能的需求，驱使着人类不断研究太阳、月球的运动过程。这不仅使人类逐步认识了太阳系的结构，也帮助人类创造发明了很多结构复杂的天文仪器。直至今日，人类对于衣食住行用品更优功能的追求，仍然在持续推动我们超越传统功能材料。通过革新结构，新材料、新技术等得以迅速发展。

（二）对结构探索的渴望促使人类走向实证

当古代人类提出金、木、水、火、土的“五行说”和土、气、火、水的“四元素说”时，人类探索客观世界的欲望和对物质结构本质的认识尺度，就不再停留在可视范围内了。但在很长一段时间内，人类对于超出可视尺度的探索面临重重困难。当时的理论与假说更像是简单的逻辑演绎，有些甚至带有浓烈的宗教色彩。后来，随着培根实验科学思想的提出和望远镜、显微镜等设备的出现，人们利用实验的思想与方法逐步证实或证伪了之前的种种猜想与假说。例如，伽利略利用望远镜证实了已被提出一个世纪的“日心说”，汤姆逊通过稀薄气体放电实验发现了原子中其实还存在电子。

（三）结构与功能间的关系是人类改造客观世界的工具

生产工具是人类自然能力的延伸，正是对工具结构与功能的利用，这种延伸才得以实现。同时，人类运用独有的思维，将物质的结构与功能进行了关联，产生了思维工具，帮助自身进一步延伸了改造客观世界的能力。通过观察，人类对自然界中的物质进行结构上的模仿，以获得相应的功能。例如，达·芬奇仿照鸟类绘制了扑翼机的结构示意图，后来出现了单翼和双翼滑翔机，最后，莱特兄弟发明了飞机。人类通过不断调整自然界物质的组成结构，进行功能的优化。例如，在天然橡胶中加入硫磺共热来增强功能性，拓宽应用范围。人类还根据需要，对物质的结构进行选择或创造，实现其功能的最大化。例如，人类不仅可以手性拆分或人工合成拥有更好药效、更低副作用的手性单旋体，制造出“蜂窝三明治”结构的碳纤维高强度材料，还可以通过改变原子核的内部结构，利用核反应获得巨大的经济效益和社会效益。

2

“结构与功能”作为跨学科概念的育人价值

从人类认识和利用客观物质的结构与功能的发展历史来看，在科学教育中将“结构与功能”作为跨学科概念加以学习，正是因为它既包含认识客观世界的视角与前提，又能体现人类的认知模式，凸显科学的本质。

（一）帮助学生认识客观物质世界、思考人类角色

结构，在《现代汉语词典》中指各个组成部分的搭配和排列，在美国《新一代科学教育标准》（NGSS）中还包含客观物质宏观或微观的外形（shape）和成分（parts）。所以，结构既有实体性（成分、组成），也有空间性（形状、排列）。

功能，在《现代汉语词典》中主要指事物或方法发挥的有利的作用。这种有利，可以是客观上对于此物质本身发挥的有利作用，也可以是人类视角下对人类自身有利的价值。既然功能概念涉及人类的主观判断，它就区别于结构概念，包含人类活动或认知判断的参与。也就是说，虽然“结构与功能”整体上是用来描述客观物质世界的，但当我们使用这个概念的时候，便会不可避免地融入人类活动的视角。

在科学教育领域强调这个概念，一方面，可以让学生从客观物质世界的客观性出发，逐步深入认识客观物质的外形、成分、组成、排列等特点；另一方面，可以帮助学生更好地理解人类与客观世界的关系，认识到人类在利用自然、改造自然中具有主观能动性，同时需要秉持正确的价值观与科学态度。例如，学生在认识淀粉时，会了解到天然淀粉存在直链淀粉和支链淀粉两种不同的结构，支链淀粉含量高的谷物有比较黏的口感，对两种不同淀粉结构与性质的关系建立初步认识。当他们学习人工合成的高分子聚合物时，对于通过调整结构中的支链、直链含量可以改变聚合物性质继而生产不同产品，前述初步认识会降低学习难度。这便是在利用“结构与功能”这个上位概念统领对知识的不断建构，也能凸显人类在创造物质的过程中具有的主动选择性，让学生感受应该承担的社会责任。

（二）帮助学生认识真实问题的复杂性

真实问题的解决，不仅需要结合不同学科和学段的知识，更需要从科学的整体性出发，在底层逻辑上进行融合，并具有结构化、系统性思维。能够解决真实问题，正是我国现阶段科学教育核心素养培育的重要目标之一。跨学科概念作为科学的底层逻辑和学科概念之间的桥梁，能够帮助学生突破阻碍真实问题解决的学科壁垒，将学科知识打通、融合、迁移，认识真实问题的复杂性，了解真实问题解决的一些前提条件。

尺度作为科学课程中一个重要的跨学科概念，其概念内涵中的空间尺度是讨论“结构与功能”的前提。例如，讨论“自行车具有何种结构，这些结构决定了其具有哪些功能”时，在人类肉眼可视的范围尺度内，可能是在讨论它的双轮结构、杠杆原理和代步功能；在分子尺度，可能是在讨论它轮毂材料的元素组成、原子排列结构和提高耐腐性、降低自重等功能。又如，讨论“人类大脑具有何种特殊结构，这些结构决定了其具有哪些有别于动物大脑的功能”时，在宏观尺度，可能是在讨论“大脑新皮质”这个协助实现人类自我需求功能的结构；在微观尺度，可能是在讨论人类大脑中的放射状胶质神经细胞或特异的核苷酸位点变异等结构如何影响人类大脑的高级功能。但出于分科教学的现状，学生解决问题时往往容易忽略各学科默认的尺度前提（见图1）。而当结合了客观与主观、微观与宏观等因素的“结构与功能”作为跨学科概念来统领教学内容时，便要求学生从整体视角看待问题，帮助他们认识到真实问题的解决是有前提条件的（如上述尺度的相关问题）、是有限制因素的（如新能源汽车的天窗就因受到电池底盘高等结构方面的限制而具有与燃料汽车天窗所不同的功能）、是有不确定性的（如合金的性质与用途不仅与其配比结构和晶型有关，还会受到加工方式的影响），同时还受到经济、社会、人类主观意识等多种因素的影响。当学生能够认识到这些复杂因素的集合才是真实问题的全貌时，他们才能尝试建立结构化、系统性的思维以解决真实问题。

图1 分科课程中 “结构与功能”概念的研究尺度

（三）提供给学生基于因果关系的认知模式

拥有二元要素的“结构与功能”，其间具有这样的相关性：物质的结构对应了物质特定的性质，对物质性质的利用，使这个物质具有了特定的功能。当把这种相关性当作一种递进的因果模式来看，便能够利用此模式进行解释、预测、创造，这种相关性便具备了认知工具属性。正如前文所述，人类在科学发展史上，就是利用“结构与功能”这个认知工具，完成了对客观世界从认识到利用再到改造直至创造的转变。

对于学生来说，这样的认知工具是学习新知的重要脚手架。将“结构与功能”作为重要的跨学科概念来学习，有助于学生深刻认识并熟练掌握这一认知工具，降低学习其他相关学科知识的难度。例如，学生在生物学课程中学习动物运动时，便可以结合在物理课程中习得的杠杆结构和原理等，较为容易地解释鸡翅结构中几块骨骼肌是如何配合从而完成骨头绕关节屈伸，进而实现运动功能的。又如，学生在化学课程中学习化学电源时，可以结合在物理课程中习得的电路结构，较为容易地理解导线对于单液原电池、盐桥对于双液原电池等功能实现的必要性。当然，“结构与功能”作为认知工具，仅指明了认识事物的方向，面对具体问题时，还要结合更多的概念、知识、方法、技能等去深入分析。

（四）培养学生寻求证据的驱动力和基于证据的解释力

科学必须建立在真实的证据之上。无论是对“结构与功能”中一元要素的探究，还是对其二元要素间关系的探究，都不可避免地涉及科学实证。

虽然学生在科学类课程中学习的基本都是证明客观物质世界结构、功能的已有证据，但这些知识包含了科学发展过程中的方法积累，这些证据的获得，尤其是超出可视尺度的物质结构、功能的证据的获得，体现了人类认识科学的实践探索。例如，学习水的组成与结构时，学生通过了解科学史，知道普利斯特里和卡文迪什的实验与真相之间只有“一步之遥”，但可惜的是，他们受当时错误观念（认为水是一种元素）的束缚，没能正确解释实验现象，而拉瓦锡补充了实验证据，最终揭示了水的组成。后来，科学家通过实验进一步证明水分子的夹角结构等使其具有极性等特点，从而在溶解、化学反应等过程中发挥重要作用。又如，学习DNA双螺旋结构时，学生通过了解科学史，知道正是英国科学家弗兰克林用X射线晶体衍射技术获得非常清晰的DNA晶体衍射照片，才直接促成了DNA双螺旋结构的确定。对“结构与功能”跨学科概念的学习，可以帮助学生在解释客观世界中的已知现象时，采用基于实证的、科学的而非迷信的思维方式，在探索客观世界中的未解难题时，拥有寻求证据的驱动力和基于证据的解释力。

3

“结构与功能”在我国科学类课程中

的落实现状与改进路径

从目前我国科学类课程的设计情况来看，小学阶段依据科学课标实施综合课程，初、高中阶段主要依据各学科课标实施分科课程。跨学科概念“结构与功能”贯穿在我国科学类课程的多个学段中，具有较好的课程设计和实施方案，但也存在一些有待改进的不足。

（一）纵向年级跨度大，认识发展待细化

一是年段目标设计符合学生发展规律。对各学段、各学科课标的梳理发现，从小学低年级起直至高中，都有与“结构与功能”相关的课程目标表述（见表1）。可以看出，“结构与功能”概念出现较早，科学课标低年级段（1—2年级）就要求认识常见物体、植物和动物等的外部特征，并明确提出“知道常见简单科技产品的结构决定了其功能”。从这些表述中也能看出，我国课标是从宏观、具象的“结构”和“功能”，到微观、抽象的“结构与功能”进行课程设计的，符合人类认识的发展规律，能够展现人类认识、利用客观物质世界是具有主观能动性的，进而体现“结构与功能”作为跨学科概念的教育价值。

表1 我国科学类课标中与 “结构与功能”概念相关的目标表述

二是各阶段目标衔接细化不够。从各学科的课标中可以看出，小学阶段与初中阶段、初中阶段与高中阶段在衔接上的细化程度不够，各阶段目标在水平层级上略有重叠。例如，对于认识生物体结构层次的内容，科学课标5—6年级的内容要求为“初步学会使用显微镜观察细胞，知道细胞是生物体的基本结构单位”；初中阶段生物学课标也将“细胞是生物体结构和功能的基本单位”作为此学段重要的学科概念。不够明确细化的内容划分与衔接会使教师对概念进阶认识不清、理解不足，阻碍跨学科概念发挥上位指导作用。当然，课标是对学生完成某一阶段学习后需要达成的目标所做的整体描述，不可能也没有必要过于详细。但在教学实践中，教师需要增强系统设计，更加细化对“结构与功能”等跨学科概念的学习进阶。

三是教学中应聚焦“循环”，分层递进。跨学科概念的提取是以扎实的科学知识为生长点，基于部分到整体、具象到抽象、表象到内涵的逻辑进行的。在教学中，既可以由相关学科概念延伸至跨学科概念的学习，也可以由跨学科概念推至相关学科核心概念加以验证。这种抽提、应用，再抽提深化、反复应用的循环，对于“结构与功能”这种学段跨度大的跨学科概念来说应该是有效的教学策略之一。NGSS阐述跨学科概念的学习策略时也强调了重复学习的重要性。教师可以在不同学段相关内容课标要求的重叠之处，设计不同层级的跨学科概念抽提或应用的教学，在实现课程内容分层递进的同时，推进跨学科概念的学习，提升学生的科学素养。

（二）横向学科有差异，桥梁纽带较薄弱

一是各学科的体现方式各有特色。分析初、高中阶段分科（物理、化学、生物学）课标的内容要求后，我们发现三个学科的课程内容对于“结构与功能”的体现方式各有特色。物理课标的表达较为隐性。课程目标提出要认识物质的形态、属性及结构等，课程内容也有结构、构造、属性、用途等具体表述，但大都隐藏在较为具体的三级主题或素材举例中。化学课标的表达介于隐性与显性之间。虽未出现“结构与功能”的直接表述，但是在课程目标的核心素养中提及“物质结构决定性质，物质性质决定用途”的化学观念，各级主题内容中也用实例展现了结构与性质、性质与用途的间接关系。生物学科的表达较为显性。仅“结构与功能”一词在初、高中生物学课标中就出现共计近50次。结构与功能观是生物学课程要培养的首要核心素养——生命观念的重要组成部分，被生物学课程放在了极其重要的位置。同时，在各级主题内容中也多次强调生物体在结构与功能上的统一。

二是结构化程度有待提升。虽然物理、化学、生物学课标都在课程目标、核心素养等上位要求中以“物理观念”“化学观念”“生命观念”等提到了认识客观世界中“结构与功能”的要求，但体现方式不尽相同，表述各有差异，在一定程度上影响了跨学科概念的“跨”。NGSS的做法是将各学科的核心概念进行编码，在课标的正文和附录中利用核心概念的编码对跨学科概念进行关联、整合、相互参考和印证。这种做法可以使各学科在彰显自身特点的前提下，发挥好跨学科概念的桥梁作用，将科学课程内容体系通过跨学科概念进行结构化，体现课程设计的系统性，因此值得我们借鉴。

三是教学中应聚焦“迁移”，互为例证。在分科课程的教学中，“结构与功能”等跨学科概念的教学更多的是自上而下的应用，而非自下而上的抽提。这要求教师更加重视皮亚杰认知发展观中的“同化性迁移”。所谓同化性迁移，是指不改变原有的经验结构，直接将新事物纳入原有经验结构中去。例如，前文所述的将动物运动的新知纳入原有的杠杆结构知识中，将原电池结构的新知纳入原有的闭合电路结构的知识中，等等。这既能减少新知的学习时间，也符合学生最近发展区理论。

（三）科学能力提要求，综合实践待利用

一是注重科学能力。我国实施课程改革十余年来，教育理念和形态都发生了巨大变化。科学类课标表现出注重科学观念、思维、实践、态度与责任的培养等特点，在“结构与功能”概念上同样如此。无论是利用科学家探究光合作用的经典实验帮助学生了解植物细胞结构与其功能的关系，还是利用化学电池的发展史帮助学生认识人类利用物质的结构与性质实现能量的转化，都是在引导学生学习人类认识客观物质世界的历程。无论是教会学生通过眼睛、耳朵、鼻子等感觉器官直接观察和感知生活中的具体事物，还是教会学生利用实验器材等研究工具探索微观、抽象物质；无论是使用直接证据、简单逻辑，还是使用间接证据、假设推理，都是在引导学生习得结构与功能之间的因果关系，提高基于证据的解释力。无论是探讨人类对物质功能利用中产生的社会性科学议题，还是进行跨学科的项目式实践活动，都是在引导学生认识真实问题的复杂性，思考自身的社会责任。这些都能体现出前文所述的“结构与功能”的教育价值。

二是落实难度较大。跨学科学习要求的提出，对于课程和教学以及教师和学生来说都是挑战。对于课程的设置，要求更加注重纵向衔接和横向链接，倡导利用项目式、主题式教学探索“融合”设置；对于教学的场域、资源、方式等提出了新的更高的要求。对于教师，要求转变传统教学观念，学习教育理论知识，关注其他学科课程，提高教学的统筹设计能力，强化跨学科教学的实践经历；对于学生，则要求他们面对不同形式的课程与多样化的教学，在自我建构素养为本的知识体系和处理升学压力之间做好平衡。

三是教学中应聚焦“整合”，以终为始。上述要求虽是挑战，但目标都指向发展学生的核心素养，是在提升全民科学素养的同时培养科技拔尖创新人才。只有心中知道发展学生核心素养这个“终”，才能更加客观地认识到进行跨学科主题学习这个“始”的方向在哪里，以便更好地迎接挑战。跨学科概念作为跨学科主题学习的组成部分，在教学中并不是增加内容，更不是“另起炉灶”，而是结合单元教学、深度学习等同样指向素养发展的理念一起进行整合设计。尤其是在义务教育科学类课标指导下以“跨学科实践活动”为切口开展跨学科教学，为跨学科概念提供了更多的“循环”与“迁移”的实践机会。另外，跨学科概念之间也是相互交融的，其相互作用不容忽视，就像前文在讨论“结构与功能”的教育价值时涉及“尺度”“因果关系”“模型”等跨学科概念，在教学中应对它们做好整合。

立即购买化学教师教学用书

进店选购

喜欢这篇文章，就点击关注我们吧

内容来源 | 《课程·教材·教法》2025年第10期

作者 | 钟晓媛，人民教育出版社化学编辑室副主任、副编审

人教教材培训