太仓市教育科学“十四五”立项微型课题，课题编号：ZW2024003

小学科学“结构与功能”跨学科概念学习的案例研究

开题报告

一、课题研究的背景及所需要解决的问题

（一）研究背景

1.国家课程改革的需求

当今世界科技发展迅速，网络新媒体、各种新兴产业的兴起影响着人们的生活、工作方式，儿童青少年的成长环境也随之变化，单一学科的学习方式已无法满足时代进步的需求，未来社会和工作领域的发展需要人们具备跨学科的综合能力应对不断变化的挑战，义务教育课程的目标是为国家培养担当民族复兴大任时代新人，必须与时俱进，开展跨学科教学，为国家发展培养适应未来社会发展的人。

2.学生科学素养发展的需求

在真实生活情境中，学生面对任何一个真实问题的解决，都不会只是运用单一学科的知识技能。在特定的情境中，需要学生能够运用关于价值、态度、知识、技能、社会等方面的综合资源应对复杂的问题。尤其是当下，在建设教育强国的进程中创新型人才的需求极为迫切，使我们要准确识变、主动应变，通过跨学科概念教学，促进学生建立全面的科学世界观，了解自然现象背后的道理，学会处理问题的方法和模式，提升综合解决问题的素养和能力。

（二）所要解决的主要问题

本课题中，将从分析13个学科核心概念入手，将跨学科概念作为学生跨越科学学科界限理解现象、解决问题的认知支撑，通过剖析“结构与功能”这一跨学科概念的认知模式，结合四大领域中有助于形成“结构与功能”跨学科概念的8个核心概念，选取合适的教学内容，构建知识框架的支点，将零散的理论和事实，在“结构与功能”层面进行互相联系、迁移、扩展、运用，促进学生的科学概念整合，为学生获得学习新知识提供支持，强化学生对现象和问题的理解，促进学生更有效地理解和同化核心概念，形成良好的认知结构网络，建构统一的世界观，以连贯和系统化的思维方式认识身边的世界。

1.跨学科概念的理论剖析与作用探究：分析13个学科核心概念，将“结构与功能”这一跨学科概念作为学生跨越科学学科界限理解现象、解决问题的思维方式，为后续教学内容选择和知识框架构建提供理论基础。

2.教学内容整合与知识图谱构建：结合四大领域中有助于形成“结构与功能”跨学科概念的8个核心概念，选取合适的教学内容，构建知识图谱，将零散的理论和事实，在“结构与功能”层面进行互相联系、迁移、扩展、运用，促进学生的科学概念整合，为学生获得新知识提供支持。

3.学生科学观与世界观的塑造：强化学生对现象和问题的理解，促进学生更有效地理解和同化核心概念，形成良好的认知结构网络，进而建构统一的世界观，引导学生以连贯和系统化的思维方式认识身边的世界。

二、国内外同一领域研究现状与研究价值

（一）国内外同一研究领域现状

对跨学科概念的关注是当前国际科学教育发展的重要趋势，许多发达国家近十年出台的科学课程标准中均体现了对跨学科概念的高度关注和明确规定。

早在十年前，美国K-12科学教育框架就提出了“跨学科概念”，在该框架中，“跨学科概念”指的是在所有科学和工程学科中都使用的七个特定的“概念”，它们包括：①模式②因果关系：机制和解释③规模、比例和数量④系统和系统模型⑤能量和物质：流动、循环和保持⑥结构与功能⑦稳定性和变化。加拿大、澳大利亚、新加坡等国家也都在课程标准中明确指出了这类概念，并将其作为学生科学学习的重要结果，并作出要求。

2022年４月，教育部颁布了《义务教育科学课程标准（2022年版）》，在该版课表中明确了13个学科核心概念和4个跨学科概念，并要求通过核心概念的学习理解“物质与能量、结构与功能、系统与模型、稳定与变化”这4个跨学科概念，这是我国首次将“跨学科概念”纳入国家科学课程标准，突出强调跨学科概念的重要价值。

目前，我国科学教育对跨学科概念的研究较少，跨学科概念在科学新课标中的地位是13个学科概念的上位概念，但新课标并没有对这4个跨学科概念上升到课程内容维度，也没有融入教学方面的指导。课题组通过文献检索与问卷调查，发现“结构与功能”跨学科概念的学习案例研究相对有限，开展案例极具研究价值。

（二）研究价值

1.理论价值

“结构与功能”跨学科概念强调通过对事物结构的深入理解来揭示其相应的功能，为学生提供了一种全新的学习视角和思维方式。这一思想理念在全球范围内的教育改革实践中均有所体现。

2. 实践价值

通过“结构与功能”跨学科概念的教学，学生能够发展他们的科学思维能力。学生们可以通过识别和理解不同事物之间的结构与功能，以及它们与自然现象的关系，培养观察、比较、分析和解释能力。在小学阶段，学生的思维方式正在形成，因此，通过“结构与功能”的学习，我们可以帮助学生建立科学思维方式，为今后的科学学习打下坚实的基础。
三、概念界定

1.结构与功能

结构与功能是系统普遍存在的两种既相互区别又相互联系的基本属性，是系统要素之间相互联系、相互作用所形成的整体性关系问题的两个方面。结构是系统内各个组成要素之间的相对稳定的联系方式、组织秩序及其时空关系的内在表现形式。功能是系统在与外部环境相互联系与相互作用中表现出来的性质、能力与功效。结构与功能相互联系，相互制约。结构是功能的基础，结构决定功能。功能依赖于结构，不能脱离结构而存在。

2.跨学科概念

跨学科概念既是科学概念，更是科学的思维方式和工具。从知识层面看，跨学科概念是在所有科学学科都有所运用的主要概念，是学科间共通的上位概念性知识；从思维层面看，是一种反映科学学科自身规律的上位思维方式或工具。

跨学科概念是科学研究中的一个概念范畴，包括一系列内容，呈现出比较复杂、相对完整的体系。它普遍适用于科学（包括物质科学、生命科学、地球和空间科学）、技术、工程中，能够超越各个学科的界限，但又将其联系为统一体，是人们认识自然界的构成及其运作方式的思维工具，更多地体现了学习和研究科学问题的角度、方式、思想方法等。

在本课题中，“跨学科概念”指的是《小学科学新课程标准（2022版）》首次使用并明确的4个跨学科概念：①物质与能量②结构与功能③系统与模型④稳定与变化。

3.小学科学“结构与功能”跨学科概念学习

指围绕《小学科学新课程标准（2022版）》中的跨学科概念中的“结构与功能”开展学习。在科学领域，他们具有明确的依存关系，通常功能外显而结构内隐：结构决定功能，功能依赖于结构。在科学研究中很大一部分工作，是根据系统外显的功能或特性，猜测假设其内部结构，从而逐步了解系统的内部规律。在技术与工程领域则是为了满足某种需求或功能，提出符合要求的多种结构，从中优选功能最优实现的结构。

当学生具有“结构与功能”跨学科概念后，面对未知的现象不再茫然无措，反而可以从系统的功能或特点，反向去分析、猜测系统的结构，也能从系统的机构去推测功能的可能。他们将发展出归纳推理能力，用于发现不同系统之间潜在的联系，也能更容易地把某一学科内容与其他学科进行关联，形成完整的学习网络。

四、支撑理论

1.建构主义学习理论：建构主义认为，学习是学习者在一定的情境下，借助他人（包括教师和学习伙伴）的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得知识。在“结构与功能”跨学科概念教学中，学生不是被动地接受知识，而是主动地参与探究活动。例如在探究植物叶片结构与光合作用功能的关系时，学生通过观察、实验、分析等活动，构建起对“结构与功能”关系的理解，这种基于自身经验和探究的学习方式，有助于知识的内化和长期记忆。

2.多元智能理论：该理论认为人类的智能是多元化而非单一的，主要包括语言智能、逻辑数学智能、空间智能、身体运动智能、音乐智能、人际智能、自我认知智能、自然认知智能等。在“结构与功能”跨学科概念教学中，可以针对不同智能特点的学生设计多样化的教学活动。如通过让学生绘制细胞结构示意图来培养空间智能，通过小组合作探究动物身体结构与生存功能的关系来锻炼人际智能等，满足不同学生的学习需求，促进学生多元智能的发展。

3.认知发展理论：小学阶段的学生正处于具体运算阶段向形式运算阶段过渡的时期，他们开始具备一定的逻辑思维能力，但仍需要具体事物的支持。“结构与功能”跨学科概念教学可以根据学生的认知发展水平，设计合适的教学内容和活动。如在低年级可以通过观察实物模型等具体方式引导学生认识简单的结构与功能关系，随着年级升高，逐渐引入更抽象的概念和跨学科的综合分析。

4.情境认知理论：情境认知理论强调学习与情境的密切关系，认为知识是在真实的情境中通过活动、合作和反思而产生的。在“结构与功能”跨学科概念教学中，创设真实的情境能够激发学生的学习兴趣和主动性。

五、研究目标与研究内容

（一）研究目标

本课题主要围绕“结构与功能”跨学科概念开展学习案例研究，引导学生从因果关系的层面了解现象背后有其原因，了解结构决定功能和特性，功能依赖于结构这一跨学科概念，同时帮助学生从知道科学到了解科学发展的原因与方式，进而弄清楚科学，将形成的条目型科学观念进行组合或综合，促进学生的科学概念整合，强化学生对现象和问题的理解，建构统一的世界观，助力核心素养的落地生成，培养学生以连贯和系统化的思维方式认识身边的世界。

具体目标

1.调查目前小学科学“结构与功能”跨学科概念学习的现状和主要内容，从而落实跨学科概念与学科教学、核心概念教学有机结合，帮助学生建构立体的科学概念体系，综合运用科学知识理解生活中的事件和现象，并能用于科学和工程的实践工作，促进学生核心素养的发展。

2.在教学中设计跨学科概念与学科教学、核心概念教学有机结合，首先理解各个学科核心概念，再从不同领域逐渐领悟到共同之处，形成超越具体领域的“结构与功能”观念，把多学科的零散知识整合成更高层次统领的跨学科概念，并内化为连贯的、清晰的、整体的认识。

3.通过本课题的研究，使包括但不局限于本课题的教师提高跨学科概念的教学能力，主动学习和研究跨学科概念，进一步提升教师的业务能力和专业素养，将研究成果在全区范围内分享推广。

（二）研究内容

1.小学科学“结构与功能”跨学科概念教学的相关文献研究和调查研究

主要针对小学科学“结构与功能”跨学科概念学习案例进行文献搜索、理论学习、联盟教研等形式，了解目前小学科学“结构与功能”跨学科教学现状。通过问卷调查、在线访问等方式，准确了解我校学生对于“结构与功能”知识联合应用解决实际问题的水平和需求，为小学科学跨学科概念学习的案例设计提供更具针对性的指导方向。

2. 小学科学“结构与功能”跨学科概念学习案例的设计与实施

通过阅读教材、学习课程标准、确定跨学科概念、落实逐课教学、形成概念图这五个环节，理解教材内容，把握与教材相关的课标中的内容要求、学业要求以及所指向的核心概念，根据核心概念找到跨学科概念的切入点并且落实到课堂教学中，提升学生对“结构与功能”跨学科概念的认识。

（1）生命科学中“结构与功能”跨学科概念学习案例

主要在“生命系统的构成层次”“生物与环境的相互关系”“生命的延续与进化”3个核心概念的学习中设计“结构与功能”跨学科概念学习案例，尝试以“生命体的细胞结构”“身体系统”“形态结构与环境之间的联系”等教学内容中落实“结构与功能”跨学科概念的学习。

（2）物质科学中“结构与功能”跨学科概念学习案例

主要在“物质的结构与性质”这个核心概念的学习中设计“结构与功能”跨学科概念学习案例。选择“物质的特性与功能”“金属、合金材料的用途”“物质的溶解能力”等内容的教学中引导学生用“结构与功能”概念来统整学习。

（3）地球与宇宙科学中“结构与功能”跨学科概念学习案例

主要在“宇宙中的地球”“地球系统这2个核心概念的学习中设计“结构与功能”跨学科概念学习案例。选取“月相、日食、月食”“太阳系、银河系、宇宙”等教学内容开展“结构与功能”跨学科概念的学习。

（4）技术与工程领域中“结构与功能”跨学科概念学习案例

主要在“技术、工程与社会”“工程设计与物化”2个核心概念中设计“结构与功能”跨学科概念学习案例。选择纸、多功能帽子、桥梁、剪刀、船、保温杯等教学内容开展“结构与功能”跨学科概念的学习。

六、研究的思路、过程与方法

（一）研究思路

（二）实施步骤

1.第一阶段，准备阶段——2025年3月

（1）学习研究相关的理论知识，明确“结构与功能”跨学科概念的内涵、框架和突破要点。

（2）形成课题研究的方案、计划和分工安排。

（3）完成课题有关设备、材料、场地、人员等方面的筹措和准备工作。

2.第二阶段，实施阶段——2025年4月至2025年12月

（1）明确课题目标，开展调查活动，了解低中高年级学生在生命科学、物质科学、地球与宇宙、工程与技术四大领域8个核心概念学习中对“结构与功能”跨学科概念的认识水平和理解能力，是否能用“结构与功能”来解释现象或解决问题。

（2）梳理科学教材内容，结合不同的科学学科核心概念和实践，将相对独立的单元知识进行联结，凸显不同主题内容间存在的交叉共性，借助真实的情境，锚定现实世界的真实问题，使学生在具体的情境中与其多次接触，设置解释环节将“结构与功能”概念外显出来，不断加深学生的理解。

（3）开展小学科学“结构与功能”跨学科学习的教学活动，引导在四大领域8个核心概念教学对“结构决定功能，功能依赖结构”深刻认识和理解，提升学生对科学本质的认识，促进他们核心素养的发展，并积累丰富的典型案例。

（4）完善“结构与功能”跨学科概念教学的评价方式，运用表现性评价任务，设计能激发学生进行概念性思考的问题，考查学生在真实的学习活动中核心概念和跨学科概念的理解程度，促进学生核心素养的发展。

3.第三阶段，总结阶段——2026年1月

（1）总结过程经验，进行提炼和升华，形成结题报告。

（2）通过结题申报、论文发表、案例分享等方式，进行成果的推广和扩散。

（三）研究方法

1.文献资料法

通过Internet查阅国内外教育专家关于小学科学“结构与功能”跨学科概念教学的相关理论、文献、实践报告等资料，借鉴并研究已有的研究成果和方法，为本课题的实施寻找有价值的理论根据和实践经验。

2.调查研究法

前期针对学生设计“结构与功能”跨学科概念的知识检测，调查学生能够理解该概念在四大领域中教学内容中所指向的具体表现形式，后期再通过调查问卷考查学生在陌生内容或情景中能否迁移、运动“结构与功能”跨学科概念来解释自然现象，解决实际问题，认识新生事物的能力。

3.案例研究法

研究实施阶段，将在任教的4个班级中划分实验班与对照班进行研究，实验班在教学中融入“结构与功能”概念的教学活动，对照班采用传统核心概念的教学模式，设计课堂观察量表，评价学生在活动中表现出的科学观念、科学态度、实践探究、态度责任等维度的发展，引导学生科学观、世界观、求知欲、理解能力等高层次水平的发展。

七、预期研究成果

（1）课题研究文献综述和调查分析报告 文本   2025.2

（2）区域开放的现场教学展示   现场、光盘  2025.5

（3）课题研究结题报告  文本    2026.2

（4）课题研究论文集   文本    2026.2

（5）课题研究典型案例集文本  文本    2026.3

八、完成研究任务的可行性分析

1.制度保证：课题组将制定研究制度来规范研究行为，确定课程建设项目负责人，定期召开会议交流汇报情况，建立目标责任制，严格进行课题的中期检查。

2.时间保证：要求课题组成员在课题的研究中投入更多的时间和精力。如在完成规定课时的基础上，课题组成员的其余时间都将以本课题的研究为主。

3.过程管理：加大教师的校本培训力度，提高教师参与研究的素质。管理小组将负责课题研究过程中诸多事项的组织、协调工作，以使管理出效益，提高课题研究的质量。

4.组织保障：组建课题研究工作领导小组，由校长室、教导处、德育处、教科室和各学科教师组成，负责研究的计划、实施、监检、指导等工作。

5.经费保障：我校将在研究经费上予以全力保障、及时到位。