北极星计划
跨学科概念学习进阶NGSS三维科学学习科学教育物质与能量守恒科学教育公平

跨学科概念和学习进阶

2026年8月24日•约 47 分钟

Abstract / 摘要

“Jeffrey Nordine 与 Okhee Lee 梳理 NGSS 七项跨学科概念在三维科学学习中的作用，评估其学习进阶证据，并以物质与能量守恒说明研究现状、科学教育公平价值及未来研究方向。”

资料来源： Jeffrey Nordine and Okhee Lee, Chapter 19 Crosscutting Concepts and Learning Progressions. In Hui Jin, Duanli Yan, and Joseph Krajcik, Handbook of Research on Science Learning Progressions. Routledge, 2025.
作者简介： Jeffrey Nordine 是爱荷华大学（University of Iowa）科学教育的副教授。他设计并研究科学教学和科学教师教育的一致方法。他曾担任高中物理和数学教师，也曾是一个儿童博物馆的首席科学家。
Okhee Lee 是纽约大学斯坦哈特文化、教育与人类发展学院的教授。她致力于推动研究、政策和实践，以促进所有学生，特别是多语言学习者，在STEM和语言学习方面实现公平与正义。
阅读难度： 4（阅读难度为5级，第5级为最难。目前等级设定完全是主观的）
进行科学和工程涉及使用一组概念工具来理解现象并解决自然界和设计世界中的问题。在美国，《K-12科学教育框架》（National Research Council [NRC], 2012）和《下一代科学标准》（NGSS Lead States, 2013a）确定了三类在科学和工程中至关重要的概念工具：科学和工程实践（SEPs）、学科核心概念（DCIs）和跨学科概念（CCCs）。《K-12科学教育框架》将SEPs、DCIs和CCCs称为科学学习的三个“维度”。SEPs由科学家和工程师参与的一组实践组成（例如，提出问题、使用模型）。DCIs指定了科学和工程学科中的核心和重要概念（例如，自然选择、物质的结构和性质、工程设计过程）。CCCs由一组概念组成，这些概念“通过其在各个领域的共同应用统一了科学和工程的研究”（NRC, 2012，第2页），具体如下：
（1）模式
（2）因果关系：机制与解释
（3）规模、比例与数量
（4）系统及系统模型
（5）能量与物质：流动、循环与守恒
（6）结构与功能
（7）稳定性与变化
尽管CCCs在进行科学和工程中至关重要，但它们在科学教学中的作用历史上一直是隐性的，而非显性的。CCCs包含的思想出现在之前的标准文件中（American Association for the Advancement of Science [AAAS], 1993; NRC, 1996），但它们在之前文件中的角色是边缘性的——被承认为科学学科间的共性，但未明确纳入学习标准。相比之下，《K-12科学教育框架》和NGSS明确将CCCs包含在每一项NGSS表现期望中（这些表现期望指定了学生在不同年级或阶段应能如何运用他们的科学学习）。《K-12科学教育框架》和NGSS认识到需要有意并明确地将CCCs纳入科学教学中。
与DCIs和SEPs一样，CCCs是复杂且有层次的概念，需要较长时间来发展。然而，与DCIs和SEPs不同的是，关于学生如何随着时间发展对CCCs的理解，研究却很少。《K-12科学教育框架》的作者承认了这一研究的不足：“关于学习和教学跨学科概念的研究基础有限。因此，我们所描述的进阶应被视为需要进一步实证研究的假设”（NRC, 2012，第84页）。尽管几十年来已认识到CCCs是进行科学和工程的不可或缺的部分，但《K-12科学教育框架》的作者无法依靠足够的实证研究基础来概述基于证据的CCCs学习进阶。尽管在这一领域呼吁了更多的实证研究，但自《K-12科学教育框架》发布以来，相关研究进展甚微（Fick & Arias, 2022）。
尽管在构建CCCs学习进阶方面的实证研究较少，研究人员和实践者在进一步阐明CCCs在科学学习和教学中的作用方面取得了一些进展。在我们之前的工作中（Nordine & Lee, 2021），我们提出了CCCs在科学教学和学习中的三个主要作用：（a）与SEPs和DCIs整合，以理解现象和解决问题；（b）提供一组对现象的互补概念视角；（c）在不同背景和学科之间建立联系。此外，CCCs可以独特地与学生已有的科学观念和知识资源相连接，为学习者提供多个切入点来进行意义建构，并有助于扩大科学课堂的访问和包容性。
尽管《K-12科学教育框架》发布已有十多年，但K-12科学教育中CCCs的学习进阶仍然不甚了解。在本章中，我们考虑了CCCs在科学学习中的重要作用，审视了关于CCCs学习进阶的现有研究证据，并提供了对未来CCCs学习进阶研究的指导。

CCCs及其在科学学习中的作用

在早期工作中识别和定位CCCs在科学学习中的作用

在纳入NGSS之前，CCCs已出现在美国的两个主要标准文件中：《科学素养基准》（Benchmarks for Science Literacy, AAAS, 1993）和《国家科学教育标准》（National Science Education Standards, NSES; NRC, 1996），虽然名称有所不同。《科学素养基准》中包括了四个“共同主题”：(a) 系统；(b) 模型；(c) 稳定性与变化；(d) 规模。《国家科学教育标准》中则识别了五个“统一概念和过程”：(a) 系统、秩序和组织；(b) 证据、模型和解释；(c) 稳定性、变化和测量；(d) 进化与平衡；(e) 形式与功能。这两个标准文件都指出了这些概念在科学学科中的广泛使用，并认可了它们在支持科学思维中的作用。《科学素养基准》的作者将这些共同主题描述为“真正的是思维方式，而非理论或发现”（AAAS, 2009），而《国家科学教育标准》则断言统一概念和过程“为学生提供了富有成效和深刻的思维方式”（NRC, 1996，第115页）。
《科学素养基准》和《国家科学教育标准》都将前身的CCCs概念描述为在科学学科中具有生产力的“思维方式”。无论是有意还是无意，《K-12科学教育框架》并未将CCCs描述为“思维方式”；相反，它强调了CCCs在科学和工程学科中的“解释价值”。在描述其对学生的潜在价值时，《K-12科学教育框架》指出，CCCs“帮助为学生提供一个组织框架，以将来自不同学科的知识连接成一个连贯且基于科学的世界观”（NRC, 2012，第83页）。
自《框架》发布以来，一些研究人员对CCCs能带来更大科学学习连贯性的说法提出了反驳，认为这一说法缺乏理论或实证基础（Osborne et al., 2018）。其他人指出，“跨学科”（crosscutting）一词对CCCs在科学学习中的作用造成了混淆，因为它暗示CCCs的主要价值在于支持跨学科的联系（Cooper, 2020）。CCCs在不同学科中的使用可能大相径庭（Cooper & Klymkowsky, 2013; Nordine, 2016），因此引发了关于科学家如何应用CCCs及其在不同学科中是否以相似方式应用的合理疑问（Osborne et al., 2018）。
尽管关于CCCs是否能在科学学科间带来连贯性存在一些争论，但普遍一致的看法是，CCCs是一组被各学科科学家使用的概念工具（尽管通常使用方式有所不同），用于理解现象和解决问题（Fick et al., 2019; Quinn, 2021）。自《框架》发布以来，几组学者从理论和实践的角度提供了有关CCCs在科学学习中作用的澄清。

澄清CCCs在科学学习中的作用

最早澄清CCCs在科学学习中预期角色的努力之一是Rivet等（2016）所做的，他们分析了《框架》、NGSS附录和其他NGSS支持文件，以识别这些文件中用于阐述CCCs在科学学习中理论角色的隐喻。他们识别了四个主要隐喻：（a）透镜（lenses）；（b）桥梁（bridges）；（c）工具；和（d）游戏规则（rules of the game）。透镜隐喻指的是使用CCCs来思考现象和问题——就像不同的光学透镜强调物体的某些部分而忽略其他部分一样，不同的CCCs可以将学生的注意力集中在现象和问题的不同特征上。桥梁隐喻指的是CCCs支持学生在不同背景和学科之间看到联系的潜力。工具隐喻指的是CCCs帮助学生强化对现象解释和解决问题方案的潜力。最后，游戏规则隐喻指的是CCCs在支持学生理解认识论和科学共享语言方面的作用。
在尝试澄清CCCs在科学教学中预期角色时，Krajcik和Reiser（2021）确定并详细阐述了四个主要角色：（a）指导学生参与SEPs；（b）在不同背景中应用思想；（c）使学生的解释问题化并深化；以及（d）提供明确的意义建构工具。CCCs可以通过在学生参与SEPs时扮演集中角色来指导对SEPs的参与，即学生利用CCCs考虑现象和问题的关键方面。CCCs也可以通过在学生反思他们在参与SEPs过程中创造的产物的充分性时，发挥评估作用来指导对SEPs的参与。CCCs可以通过支持学生在遇到新现象时激活相关的先前知识，帮助学生在不同背景中应用思想。CCCs可以支持学生使解释问题化并深化，帮助学生考虑现象解释是否充分，并提供概念工具以修订和完善解释，以更全面地解释现象如何或为何发生。最后，当学生学习使用CCCs来指导提问、构建模型和评估现象解释时，CCCs可以作为明确的意义建构工具。Krajcik和Reiser强调，CCCs本身不是目的，而是与SEPs和DCIs结合使用的工具，用于理解现象和解决问题。
在对2012年至2019年间发表的经过同行评审的科学教育研究文献进行的全面回顾中，Fick和Arias（2022）确定了五个主题，涉及CCCs对科学学习的重要性：（a）提供学习机会；（b）利用知识资源；（c）与重大思想（big ideas）关联；（d）与实践联系；以及（e）在主题和学科间建立联系。CCCs通过在课程、教学和评估中的纳入，支持科学学习机会。尽管Fick和Arias未能确定CCCs如何支持科学学习机会的共识，他们发现许多文章强调了在科学学习中明确包含CCCs的重要性。作为利用学生知识资源的支持，CCCs在将学生的日常经验与学校中的科学学习机会联系起来方面可能发挥重要作用。CCCs与科学的重大思想（big ideas）（例如DCIs）相关，并可能在加深学生对科学思想的理解和应用能力方面发挥重要作用。同样，CCCs与SEPs紧密相关——Fick和Arias提到“内在联系（intrinsic links）”，因为CCCs是充分参与SEPs所必需的。最后，CCCs具有提供共同语言、类比、表示和模型的潜力，以一致地框定学习背景，这有助于学生在不同主题和学科间连接他们的科学学习。
总结一下，在澄清CCCs在科学学习中作用的各项努力中，我们可以识别出三个共识领域。首先，CCCs是一组在进行科学工作中不可或缺的概念工具，对于使用DCIs和SEPs来理解现象和解决问题至关重要。其次，CCCs作为对现象的互补视角存在。将CCCs作为视角可以使学生关注现象和问题的显著特征，并为富有成效的意义建构和问题解决奠定基础。使用多个CCCs来观察同一现象和问题可以加深理解。第三，CCCs跨越不同背景和学科。在各种背景中一致使用这些工具可以帮助学习者识别现象和问题中的深层结构（Schwartz & Goldstone, 2016）。

扩大科学的可及性

扩大科学的可及性是《框架》和NGSS的核心主题，因此有“所有标准，所有学生”（NGSS Lead States, 2013b）。传统上，人们假设来自非主流背景的学生拥有有限的传统科学知识。然而，正如NGSS强调的“所有标准，所有学生”，必须使科学对所有学生既真实又相关。一小部分文献展示了CCCs如何在扩大科学学习的可及性方面发挥作用（Goggins et al., 2019, 2021; Nordine & Lee, 2023）。目前，这些文献更多地作为猜测而非一组结果存在。
所有学生都将来自家庭和社区的知识资源带入科学课堂。在他们的日常生活中，学生使用各种资源来理解世界。在NGSS课堂中，学生使用CCCs来理解现象并设计解决问题的方案，就像科学家和工程师在工作中所做的那样。CCCs可以被视为学生在日常生活中用来理解世界的资源（例如，一天中阴影的长度是多少？为什么一天中阴影的长度会变化？），并带入科学课堂来帮助理解现象（例如，我想找出一天中阴影的长度；我想弄清楚为什么一天中阴影的长度会变化）。将CCCs视为所有学生带入科学课堂以理解现象的资源，这种视角对于那些认为科学与他们的生活或未来职业无关的学生尤为重要。这种视角通过利用学生来自家庭和社区的知识资源，创造了相关性（Fick & Arias, 2022；Gonzalez et al., 2005）。这种视角还通过提供多个切入点和具体的概念工具，促进了所有学生的参与。当CCCs被视为学生拥有并可以用来理解世界的资源时，教师展示了对学生文化和语言资源的重视。这种将CCCs视为资源的视角，区别于传统上将CCCs视为学术要求较高的观念，尤其对于那些被认为带有有限传统科学知识的非主流背景学生来说。
如果期望学生利用对CCCs的理解来解释和预测现象以及设计解决问题的方案，那么学生需要接触到引人入胜的现象和问题，这些现象和问题涉及CCCs的使用。他们有动力去解决与他们、他们的家庭和社区相关的真实现象。在理解这些现象时，学生会带来他们来自家庭和社区的知识资源。特别是，他们可以在与自己经验相关的本地现象和问题的背景下利用CCCs作为资源，使得本地现象和CCCs相互支持，从而使他们的想法变得可见（Lee, 2020）。
最初，学生对CCCs的理解通常基于他们在家庭和社区中的直观经验（Fick et al., 2019；Goggins et al., 2019, 2021）。鉴于学生带着对CCCs的直观想法来到学校，科学教学应当利用这些直观想法。通过教学，需要明确CCCs，以便学生能够利用CCCs来理解现象和问题（Fick et al., 2017）。随着学生对CCCs理解的加深，他们会更有意图地使用CCCs来检查相同或新的现象。每当学生利用CCCs来理解现象和问题时，他们对CCCs的理解也会进一步发展。
一些CCCs对学生来说比其他CCCs更具直观性（Fick et al., 2019；Nordine & Lee, 2023）。例如，人类天生能够识别周围环境中的模式，如语言习得、面孔识别和音乐欣赏。另一方面，学生对能量和物质守恒原则的应用能力则需要通过长期的努力练习来发展。为了将所有CCCs推广为资源，在学年开始时围绕学生对更直观的CCCs的使用来设计教学，为学生将来更好地使用所有CCCs奠定基础。通过在学年开始时明确命名学生直观使用的CCCs，学生能够意识到他们带到课堂上的资源，并看到自己在进行科学家和工程师的工作。反过来，随着学生理解不同学科和不同现象，他们会逐渐更有意图地使用CCCs（Goggins et al., 2019, 2021）。
总结来说，在教学过程中利用CCCs作为资源可以使学生对CCCs的直观想法变得可见，并能指导学生在整个教学过程中有意图地使用CCCs。这种基于学生知识资源的CCCs视角对所有学生都很有效，特别是对来自非主流背景的学生尤为有效。这一视角要求将教学从缺陷视角（deficit perspective）（即，来自服务不足群体的学生带着有限的意义建构资源进入科学课堂）转变为资产视角（asset perspective）（即，来自服务不足群体的学生带着丰富的意义建构资源进入科学课堂）。通过明确利用学生的直观想法，CCCs可以同时促进参与和加强所有学生的科学学习。

定义CCCs学习进阶的理论努力

《框架》的作者认识到，他们为CCCs概述的进阶是需要进一步研究的假设。像所有良好形成的假设一样，这些进阶不仅仅是猜测，而是建立在关于学生学习方式的现有知识基础之上的。
《基准》中出现的共同主题（Common Themes） 最早在《科学为所有美国人》（AAAS, 1989）中被识别为所有科学学科中的重要观念（important ideas），尽管这本书重点描述了这些共同主题在科学中的作用，而没有描述学生如何随着时间的推移构建理解。《基准》的一个主要贡献是详细阐述了学生在K-12年级阶段可能如何学习关于共同主题的更复杂的概念。借鉴了现有的关于学生科学观念的研究（例如，Driver et al., 1985），《基准》描述了学生在K-2、3-5、6-8和9-12年级段应了解的每个共同主题的内容。重要的是，当时可用的大部分研究集中于学生对具体科学主题的观念。值得注意的是，为《基准》提供支撑的关于共同主题的进阶的研究很少使用横断面或纵向设计来探索学生如何随着时间的推移构建观念。
与《基准》中共同主题的做法不同，《NSES》中的统一概念和过程（Unifying Concepts and Processes） 并没有具体说明学习者如何随着时间的推移发展出更复杂的理解：“本标准中的每个概念和过程都有一个复杂性的连续体，这种连续体适用于K-4、5-8和9-12年级段，这与其他内容标准中的分级相一致。然而，在本标准中，学科和年级划分的界限并不明确——教师应当在K-12年级之间持续发展学生的理解”（National Research Council，1996，第115-116页）。
在概述CCCs的假设学习进阶时，《框架》和NGSS在《基准》和NSES的基础上进行了拓展，认识到每个CCC都由复杂的概念组成，这些概念需要在较长时间内学习。《框架》和NGSS通过详细阐述学习者如何将CCCs与SEPs和DCIs结合使用以理解现象和解决问题，进一步拓展了《基准》和NSES。许多这些详细内容在NGSS附录G中进行了阐述，附录G详细说明了K-12年级段每个CCC的年级段终点，并提供了NGSS表现期望的示例，以说明学生如何利用对CCCs的理解进行三维学习。《框架》和NGSS附录G中概述的假设学习进阶没有明确与学生学习研究相关联，这使得很难确定这些进阶在多大程度上基于对实证研究的综合或对学生如何随着时间推移构建更复杂观念的最佳猜测。无论如何，《框架》明确表示，CCCs的进阶最好被视为需要实证工作的假设。
关于共同主题、统一概念和过程、以及跨学科概念中所涵盖的观念在科学中的重要性几乎没有争议，但关于学生应该如何随着时间推移构建这些观念的理解和运用能力知之甚少。《框架》和NGSS在两个重要方面建立了对《基准》和NSES的拓展：（1）认识到学生对CCCs的学习在与DCIs和SEPs整合时最为有效和有用；以及（2）假设了学生在K-12阶段如何随着将CCCs与DCIs和SEPs整合来理解现象和解决问题而逐步发展CCC观念的进阶。《框架》和NGSS的一个明确含义是，进一步发展这些文件中提出的假设性学习进阶的任何工作都应该不仅关注学生对CCCs本身的知识，还应关注他们在将CCCs与SEPs和DCIs结合使用时的逐步提高的复杂性。也就是说，CCCs的学习进阶应该关注学生的“使用中的知识”（Pellegrino & Hilton, 2012），而不仅仅是他们对CCCs的知识。

定义CCCs学习进阶的实证研究

自《框架》发布以来，关于学生如何随着时间推移构建和运用CCCs的进一步定义和实证研究进展甚微。在他们的文献综述中，Fick和Arias（2022）仅识别出五篇以明确方式探讨CCC学习进阶的同行评审出版物，并指出这五篇论文主要将CCCs作为发展其他科学主题（例如，进化）或SEPs（例如，规划和实施调查）的学习进阶的一个方面。
尽管目前关于学生如何在K-12阶段逐渐深入理解CCCs的实证研究基础尚不充分，但与CCCs相关的几个概念已经在学习进阶的框架下进行了积极的研究。自《框架》发布以来，使用CCC框架进行的实证研究中，最活跃的领域是与“物质和能量：流动、循环和守恒”这一CCC相关的研究（Fick & Arias, 2022）。以下，我们将讨论与这一CCC相关的实证研究，以展示现有研究如何为CCC学习进阶提供参考，并识别未来CCC学习进阶研究可以填补的空白。

物质与能量的案例

能量概念在所有科学中都是核心概念，与物质的本质一样，但物质和能量本身并不是CCCs。相反，跨学科的概念是某些量是守恒的（Quinn, 2021）。尽管物质和能量并不是唯一的守恒量（其他例子包括动量和电荷），但物质和能量在帮助理解学生可能在生活中遇到的各种现象和问题方面特别有用。
物质概念（He et al., 本卷）和能量概念（Fortus & Nordine, 本卷）的学习进阶已经被广泛研究。这些研究大多集中在学生如何分别理解这两个概念。为了系统地调查和识别学生关于物质和能量的学习水平，研究人员确定了每个概念的关键方面。在对学生学习物质的研究综述中，Hadenfeldt 等（2014）明确了四个方面：(a) 结构和组成；(b) 物理性质和变化；(c) 化学性质和变化；(d) 守恒。这四个方面已被实证研究证明是一个单一总体概念的不同但相互关联的方面（Hadenfeldt 等，2016）。研究人员同样确定了学习能量的四个方面：(a) 转换；(b) 转移；(c) 降解；(d) 守恒。与物质概念的方面类似，这些能量概念的方面也被实证研究证明是一个单一总体概念的不同但相互关联的方面（Herrmann-Abell & DeBoer, 2018；Neumann 等，2013）。
现有关于物质和能量学习进阶的研究表明，理解守恒概念需要较长时间的发展。尽管物质和能量的守恒原则表述相对简单——物质和能量既不会被创造也不会被毁灭——研究人员发现，学生能够复述守恒原则并不能很好地预测他们在理解现象时是否会遵循这一原则（Chabalengula & Mumba, 2012）。要发展将守恒原则应用于理解现象和问题的能力，需要经过多年努力并接受指导的学习。虽然以往的研究发现，守恒的理解通常是学生在学习物质和能量时最后发展的，但关于学生如何随着时间推移逐步提高对守恒概念的理解，仍知之甚少。
在将能量和物质的守恒描述为一个跨学科概念时，框架指出：“审视、表征和建模物质和能量的转移和循环的能力是学生可以在几乎所有科学和工程领域中使用的工具”（National Research Council，2012，第95页）。更一般地说，我们认为，发展对跨学科概念（CCCs）的更复杂理解可以使学生具备以下能力：（a）将核心概念和实践（DCIs）与科学和工程实践（SEPs）进行整合，以理解现象和解决问题；（b）将CCCs作为现象的概念性视角；以及（c）在不同背景和学科间建立联系（Nordine & Lee, 2021）。尽管研究对学生如何随着时间推移发展对守恒概念的理解提供的信息相对较少，一些研究已揭示了学生如何开始发展运用物质和能量理解来整合DCIs和SEPs的能力、通过这些概念性视角观察现象，以及跨学科连接的能力。

将CCCs与DCIs和SEPs整合

要将物质和能量的守恒与核心概念和实践（DCIs）及科学和工程实践（SEPs）相结合，学生必须学会在进行SEPs时明确运用守恒原则，以解释现象和解决问题。与许多其他跨学科概念（CCCs）一样，守恒原则通常是隐性的而非显性的——例如，当学生学习识别现象中能量的各种表现形式（如声音、光、运动）时，能量从一个系统/子系统转移到另一个系统的过程常常在能量分析中被忽略（Nordine et al., 2018）。虽然在更好地理解学生如何在学科背景下明确运用物质和能量的守恒原则方面已有一些有希望的研究，但这方面的工作仍在继续。
Jin 和 Anderson（2012）构建了一个初步的学习进程，描述了学生如何在碳转化过程中使用能量。他们定义了两个进阶变量——联想（学生对过程、材料或能量形式的相似性或差异性的理解）和追踪（学生识别事件中持续存在和变化的事物的方式）——以刻画学生在构建碳转化过程解释和预测方面的能力提升。在讨论他们的结果时，他们认为，“一个专注于能量的学习进阶永远不能仅仅关于能量，因为能量并不是一个典型的科学概念。它是使用物质和能量守恒来连接和约束物质世界中过程和系统的分析方法的基础”（Jin & Anderson, 2012, p. 1175）。Jin 和 Anderson 强调的是学生能够将守恒思想与他们对碳转化过程的知识结合起来，用于构建解释和预测，而不仅仅是学生如何学习能量概念本身。
Scott 等（2023）研究了学生如何使用质量平衡的概念来推理生物系统中的物质流动。通过一系列学生访谈和对学生书面回答的分析，他们确定了两个进阶变量来描述学生如何使用质量平衡：（1）识别/使用物质流动以构建解释；（2）使用数学思维来解释对物质数量的影响。研究人员采用三维科学学习的视角来分析学生在将数学思维、物质的性质理解和物质守恒整合到一起，从而理解生物现象的能力。他们认为，这些进阶变量可以用来理解学生在跟踪质量流动以解释来自不同背景和学科的现象方面的能力进展。

将守恒作为理解现象的概念视角

使用守恒作为观察现象的视角涉及利用守恒定律对系统的行为设定界限，以产生有关现象如何发生或系统为何如此表现的新见解和/或问题。学生必须对物质和能量如何在现象发生时保持守恒形成一些初步的想法。至少，学生必须发展对能量和物质“定性”守恒的理解，即能量和物质的质量在于它们既不会被创造也不会被销毁。这与对能量和物质“定量”守恒的理解不同，后者意味着系统中能量和物质的数量只能通过从系统中转移进出的净量发生变化。这两种守恒理解方式对生成对现象行为的见解都是有用的，但仅仅知道能量和物质是守恒的还不够，因为学生通常会同意守恒原则的陈述，但在被要求定性解释现象时却违反这些原则（Chabalengula et al., 2012），并且在使用守恒原则定量解释现象时也会遇到困难（Lindsey et al., 2012）。
当学生使用守恒观念来生成对现象的见解时，他们追踪物质/能量的流动，从而意识到他们之前未曾注意到的现象或识别出他们现有知识中的空白。为了确定学生是否能够将守恒作为生成性视角来观察现象，研究人员需要超越对学生构建解释或解决问题能力的跟踪，而应专注于学生在遇到需要新学习的新现象时，如何激活和使用守恒观念。很少有研究揭示了学生如何将守恒观念作为生成见解的视角来观察现象。一个例子是 Kubsch et al. (2020) 的研究，他们探讨了构建一个能量表示图的过程，在该过程中，学生定性地追踪交互系统之间的能量转移，这如何支持学生对在可观察系统中发生的不可见变化进行推测，并识别出那些未被考虑的系统在现象中必须发挥作用（即使学生对这些系统是什么感到困惑）。

在不同背景和学科之间建立联系

使用守恒来跨学科连接涉及从不同学科背景中使用相同的解释性启发法来解释现象和问题。现有的大部分研究集中在学生如何在不同学科中一致地学习和使用能量观念上，而不是物质观念。
一些研究者从理论角度质疑能量是否是一个有用的跨学科连接概念，指出该概念在不同学科中的表述和使用存在较大差异（Osborne et al., 2018）。然而，实证研究表明，学生确实开始发展跨学科的能量理解。Opitz等（2019）评估了6至10年级学生在生物学、化学和物理学中对能量的理解，发现他们的理解没有证据表明存在学科特定的差异。同样，Park和Liu（2021）评估了大学生在环境科学、生物学、化学和物理学中的能量理解，发现各学科之间的题目难度没有显著差异。此外，他们还指出，专注于能量降解/守恒观念的题目难度水平变化较小，而专注于能量来源/形式/传递观念的题目难度变化较大，这表明能量降解/守恒在跨学科连接中可能发挥更为重要的作用。
研究人员还收集了证据，表明学生在教学过程中成功地将能量观念应用于跨学科的学习。Fortus等（2015）跟踪了学生在一套设计为跨单元连贯的综合课程中对能量题目的评估表现。他们发现，学生能够成功地将一个学科单元中学到的能量观念应用到其他学科单元的学习中。类似地，Podschuweit和Bernholt（2018）探讨了在物理学、生物学和化学等学科背景下学习能量是否有助于学生将能量学习迁移到新情境中，相比之下，学生在主要以物理学为主的背景下学习能量。研究发现，跨学科学习的学生在使用现有能量知识理解跨学科的新情况方面表现得更成功。
尽管有人争论能量在不同学科中的应用方式存在根本差异，但实证研究表明，学生确实发展了跨学科的能量观念，教学在支持学生能够跨学科使用能量观念方面发挥了重要作用，而守恒概念在跨背景和学科连接中尤为重要。

小结

研究提供了一些证据，表明学生可以有效地运用他们对物质和能量的理解，这与科学学习中CCC的三个主要角色相一致：与SEPs和DCIs的整合、将CCCs作为现象的概念性透镜、以及在背景和学科之间的连接。然而，许多研究集中在学生独立学习物质或能量的概念上，而非CCC核心的整体守恒原则。因此，尽管“能量和物质：流动、循环和守恒”是研究最为广泛的CCC（Fick & Arias, 2022），但关于学生如何随着时间的推移建立对守恒原则的日益深入理解和应用能力，仍然知之甚少。

CCCs学习进阶研究的前进路径

CCC是科学和工程学科中使用的一套强大概念工具，但它们在历史上通常扮演了隐性而非显性的角色。框架中对CCC的纳入以及作者承认CCC尚缺乏坚实的研究基础，标志着对研究界的行动号召，促使大家探讨学生如何学习使用CCC。尽管十多年过去了，仍有大量工作待完成，但现有的研究已经明确了前进的方向。

聚焦于CCCs在科学和工程学习中的作用

理论和实证研究明确了CCC在加强科学和工程学习与教学中的三个主要角色：（a）与DCI和SEP的整合；（b）作为现象的概念透镜；（c）在不同情境和学科间建立联系。未来的研究在开发和验证CCC学习进阶时应关注这些角色，下面将进行讨论。
首先，关注学生在理解现象时将CCC与DCI和SEP整合的方式意味着，CCC学习进阶的研究应超越仅关注学生如何建立CCC知识本身，转而强调学生如何在理解现象时将CCC与DCI和SEP结合使用。关注学生以这种方式使用CCC的研究方法与评估三维科学（NRC, 2014）和使用中的知识（Harris et al., 2019）的方法相一致。
其次，当学习进阶研究关注学生如何将CCC作为对现象的概念性视角来理解时，它提供了对学生如何使用CCC生成关于现象如何及为何发生的新见解的洞察。为了专注于学生如何使用CCC生成新见解，评估必须嵌入需要新学习的情境中。这些评估可以设计为，例如，引导和分类学生对不熟悉的现象和问题的提问（Bransford & Schwartz, 1999），跟踪学生在随后的教学中的学习（例如，Fortus et al., 2015；Nordine et al., 2011），或监控学生在参与学习活动时的表现（Schneider & Blikstein, 2018）。
最后，关注学生如何使用CCC在不同的情境和学科之间建立联系涉及到专注于学生在多种现象和问题中有效应用相同CCC的能力。关于如何培养这一能力的研究需要超越寻找在不同情境和学科中正确评估回应的相关性，而应重点关注学生在进行意义建构和问题解决时的思维过程。思维过程的口头表达、学生访谈和实时观察学生工作可能特别有助于理解学生是否以及如何在不同的现象和问题中激活和使用相同的CCC。

利用CCCs扩大科学的可及性

所有的学习进阶研究应关注学生如何利用他们的先验知识和经验进行新的学习，这一点在研究CCC学习进阶时尤为重要。CCC在学生的校园外生活中具有广泛的适用性，因此，CCC可以作为资源，将学生的知识储备与课堂上学习的科学知识互相衔接。为了描述学生如何使用CCC来理解现象或解决问题，CCC学习进阶研究必须嵌入于能够让学生接触到对他们、他们的家庭和社区真实且相关的现象和问题的学习环境中。通过这种方式，研究人员可以更好地理解来自不同背景的学生如何激活他们的知识储备，以逐步发展对CCC的更复杂理解和使用能力。这种研究为学生提供了多个理解现象和解决问题的切入点，并为研究人员识别所有学生的多种路径提供了机会。

将研究融入实践

学习进阶在很大程度上依赖于教学实践（NRC, 2007），许多现有的学习进阶是通过基于设计的研究开发和实证验证的，这些研究依赖于迭代和协作的教学实验（Duncan & Rivet, 2018）。在CCC学习进阶的情况下，教学实验通常由实践中的课堂教师在符合三维NGSS标准的课堂中进行，而没有一个强大的研究基础来指导他们的教学实践。因此，教学社区中已经存在一套关于学生如何随着时间的发展构建和使用CCC的实际知识（Miller & Shelton, 2021）。研究人员应该从实践者的经验和专业知识中学习。基于设计的研究和研究-实践合作伙伴关系可能是研究人员与实践者合作开发和验证CCC学习进展的特别有效的方法。
总之，框架的作者明确承认了关于CCC的研究不足，并将CCC学习进阶描述为需要实证研究的假设。自框架发布以来，CCC学习进阶研究的进展缓慢。尽管一些有前景的研究已经开始为CCC学习进阶的开发提供信息（例如，Gunckel et al., 2022；Scott et al., 2023；Yoon et al., 2019），但这一研究领域仍处于起步阶段。CCC学习进阶研究的持续发展和验证将需要方法论上的创新，这些方法要反映CCC在科学和工程学习与教学中的独特角色，利用学生的日常生活和知识储备来扩大科学学习的覆盖面，并优先考虑研究人员与具有互补专业领域的实践者之间的合作。

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