水不见了!果真如此吗?水会消失吗?于是，科学的学习开始了。

教育工作者和研究人员都认识到，把学生的个人兴趣融入学习是一个重要的动力。也许一位老师知道她的学生对魔术的迷恋，就叫一个叫米娅的学生去看一场魔术表演消失的水魔术视频在YouTube上为全班表演这个魔术。米娅的表演可以吸引学生，激发学生对这一现象的理解，并为过去可能感到被科学遗弃的学生提供一种强大的体验。

图片来源:Megan Kuehl

研究显示当学习利用学生的经验、问题和关注时，中学女生、城市有色人种高中生和来自移民家庭的小学生的参与度会提高。虽然魔术这样的现象可以成为引人入胜的课程或教学单元，但教育者还可以如何让学生参与可能持续一生的科学学习呢?一个答案在于横切概念。

关于NGSS横切概念

K-12科学教育框架是下一代科学标准(NGSS)的基础文件。它指出，横切概念为学生提供了一个“组织框架，将不同学科的知识联系起来，形成一个连贯的、基于科学的世界观。”在横切概念的帮助下，整合科学的各个学科，是学生深入探索他们所关心的事物并感受到个人联系的绝佳方式。NGSS的使用框架的七个横切概念：

1. 模式
2. 因果关系
3. 规模、比例和数量
4. 系统和系统模型
5. 能量和物质
6. 结构与功能
7. 稳定与变化

这七个概念可以在K-12课程中使用，国家科学教师协会(NSTA)在他们的课程中按年级细分了它们横切概念矩阵帮助你们了解它们在你们教室里的样子。

提供公平的机会

在横切概念的网络研讨会上，该框架的作者之一海伦·奎因解释说，横切概念是“强大的工具”。孩子们，所有的孩子都需要他们，因为他们可以帮助他们看待生活中的问题，并能够以建设性的方式解决这些问题。”她认为，“有机会在他们有权力的情况下练习使用横切概念，并学习这种权力是一个公平问题。”

横切概念不仅适用于优秀学生，而且适用于所有学生，正如NGSS中断言的那样概念附录．不幸的是，被分配到基础科学课程的学生专注于事实知识和低阶思维技能，他们可能无法体验到使用横切概念解决问题的技巧。通过课堂学习和评估，所有学生都需要有机会了解横切概念的力量，这样他们才能理解不断变化的世界。让我们来看看你可以鼓励学生使用横切概念作为构建意义的工具的四种方法，这些方法来自于查尔斯W.(安迪)安德森等。：

1. 确定有效的问题和目标
2. 为意义构建提供规则
3. 指导寻找证据
4. 支持类比推理

1.确定有效的问题和目标

注意模式通常是理解一个不熟悉现象的第一步。这些模式可能会导致一个潜在的原因和富有成效的问题，可以指导和扩大学生的思考、调查和研究。

想想米娅的魔术吧。如果学生们把他们的观察结果放到一个数据表中，他们会注意到模式开始出现。哪两种方法对观察结果进行分组?哪一组令人困惑?

学生们可能会想:是什么导致水消失?水去哪里了?杯子里发生了什么?调查程序开始了。本任务建立在以下K-2概念的基础上横切概念矩阵：

因果横切概念:事件有原因生成可观察到的模式．

而消失水魔术活动针对的是五年级NGSS的成绩预期5-PS1-2这意味着你很可能会和五年级的学生一起做这样的活动，“NGSS创新及教学资料”解释成绩期望是年级水平或年级区间的终点。你可以在课堂教学中混合和匹配这些维度。同样地，你可能会看到偏离年级范围的价值。在这种情况下，通过从K-2横切概念开始，您可以评估您的学生之前对早期年级概念的接触情况。您还可以看到适当引入更高级别的横切概念的价值。

通过对前面列出的因果横切概念的反思，你的五年级学生可能会意识到这一点可观察到的模式他们把注意力集中在差异上，并把问题指向导致关于这种差异。这是一个学生在解决问题时可以很容易地重复任何横切概念的策略。

2.为理解提供规则

考虑这个问题“是什么导致水消失?”她早些时候摆出这样的姿势。了解能量和物质的学生，详见3-5年级矩阵，将消除水只是消失的说法。

能量和物质横切概念:物质流动和循环可以根据过程发生前后物质的重量进行跟踪。物质的总重量不变。这就是所谓的物质守恒。物质被运送进系统，运出系统，并在系统内运输。

这些学生将理解水是物质这一规律物质是守恒的；物质不会凭空消失。这些学生将支持这一主张，即问题要么留下来在杯子或者是运输从杯子里拿出来。他们也可能意识到其他问题——“水去哪儿了?”和“杯子里发生了什么?”——比“是什么导致水消失?”更有成效。

经过反思，学生可能会意识到横切概念的规则是定义合理解释和消除不合理解释的有用工具。

3.指导寻找证据

能量和物质横切概念对意义构建的另一种有用方式是，它可以指导寻找证据。在这种情况下，学生可以使用物质守恒作为工具，通过杯子的系统来追踪物质的运动。这里是矩阵中3-5级能量和物质下的横切概念，但请注意，这次的重点是跟踪数据:

能量和物质横切概念:物质流动和循环可以在一个过程发生之前和之后，根据物质的重量进行跟踪．物质的总重量不变。这就是所谓的物质守恒。物质被运送进系统，运出系统，并在系统内运输。

来跟踪杯子里的水倒到哪里去了，同学们可以测量一下吗重量或杯子的质量前，中，后魔术戏法，如下图所示。(魔术师米娅不允许学生们看杯子里面。她拒绝轻易泄露她的诡计!)

模式也再次发挥作用。这里是3-5年级模式的横切概念矩阵：

模式:模式可用作证据支持解释．

的模式这些数字揭示了一个与学生们在魔术表演中观察到的完全不同的故事。的模式在数据中提供额外的信息证据让他们更接近解释．的证据确保水留在杯子里。

经过反思，学生们可能会意识到，通过使用横切概念作为指导寻找证据的镜头，结果可以提供加深他们对现象理解的见解。

4.支持类比推理

类比推理是将人们熟知的现象应用于不熟悉的现象。

也许你的学生已经调查过这样的现象:当他们为教室窗外的蜂鸟喂食器制作食物时，糖似乎在水中消失了。从他们的研究中，他们知道最终的混合物仍然具有水的性质，并了解到糖是由他们看不见的微小颗粒组成的。

学生们可以利用这些知识来理解米娅的魔术在C杯中发生的事情。蜂鸟喂食器的系统为解释魔术师杯系统内物质的相互作用提供了一个有用的类比，特别是当学生比较两个系统的输入和输出时。的横切概念矩阵描述了6-8年级的情况:

系统和模型横切概念:模型可以用来表示系统及其系统交互——例如输入、过程和输出——能源,事，以及系统内的信息流动。

通过比较输出，学生可以推断出，与蜂鸟喂食系统不同，C杯系统创造了一种具有不同性质的新物质。当学生们探索的相互作用在杯子里，他们将学习化学反应的科学。在这种特殊情况下，水颗粒与C杯中未知物质的颗粒结合，这是一种负责尿布吸收性的聚合物。这种反应会形成一种具有新特性的新物质，使其凝固并粘在杯子底部。

经过反思，学生们可能会意识到，利用他们已经理解的现象进行类比推理，是理解复杂或模糊问题的关键策略。

在关闭

从做出明智的决定到了解时事和全球性问题，科学思维和解决问题是所有人生活的核心。所有学生，无论他们的职业道路如何，都需要有机会在课堂上和评估中学习和实践基于证据的推理和推理。当学生在课堂上使用横切概念的工具并反思它们的有用性时，他们开始理解它们在课堂外的个人经历中的相关性。对于日常决策，学生学习根据他们看到的模式提出问题，寻找潜在因果关系背后的证据，在比较中使用类比推理，并应用科学规则来区分合理的论点和不合理的论点等等。

作为教育工作者，我们可以影响学习生活技能的机会公平性，比如利用证据进行推理。即使是一个简单的现象，如魔术，结合横切概念的工具，也可以导致强大的科学探索，学习和解决问题。学生不仅可以使用横切概念来揭示魔术背后的科学，而且他们还可以学习科学思维的魔力!