基于生物學深度學習的STEM項目學習設計

石進德 謝雪錦

（1.福建省廈門市杏南中學 福建廈門 361024）

（2.福建省廈門市松柏中學 福建廈門 361012）

深度學習是指學習者遵循學習科學原理，通過一定的學習手段、借助科學的學習方法，在對核心概念的理解認知基礎上，通過反思、批判的思維沖突中提升綜合高階思維表征，經系統融合創新性的解決新情境問題，重新構建知識和技能框架的學習過程。深度學習在不同的具體學科中有其固有的本質屬性，生物學深度學習是指學生圍繞新情境下的生物學問題，采用多層次的分析，通過思維與想象、關聯與實踐、分析與綜合、判斷與決策、遷移與重構、加工與交流、反思與評價等致力于高階思維能力發展的學習，是解決真實情境生物學復雜問題，把握生物學科的本質與核心思想方法的主動學習過程。

基于項目學習的STEM教育能為學生提供融入真實情境的學習體驗。這些體驗有助于學生的學習和解決問題，促進學生對科學、技術、工程和數學各領域的概念形成和理解。在項目完成過程中，教師要輔之以語言、藝術和社會實踐研究的支持。生物學STEM項目學習對于學習者而言，更富有成效和挑戰性，更能促進學生思維的跳躍和拓展，鍛煉學生的反思性批判思維技能。

STEM項目學習設計注重新情境下的知識構建與跨學科的融合，以真實問題為基點，通過新情境下的問題驅動，以科學、技術、工程、數學學科知識融合和技能運用來解決新情境問題；以實驗探究為主線，強調創新與實踐；以思維發展為目標，在項目活動過程中誘導形成可視化思維，可助力學生的生物學學科核心素養形成，促進學生的生物學深度學習。

1 促進生物學深度學習的STEM項目學習設計構思

生物學深度學習的特征主要體現在：以樹立正確生命觀念貫穿始終的生命教育，提升實驗技能和科學技術的科學探究，培養批判性和高階的科學思維，落實知識整體性和關聯性的社會責任，注重學科融合的創新教育。生物學深度學習的過程包括情境與聯想、問題與結構、活動與求證、事實與本質、解釋與變式，構建與遷移、應用與評價。基于以上促進學生生物學深度學習的目的，教師要圍繞學科知識融合、學習能力體現、核心素養形成三個方面思考教學設計。

STEM項目學習通過學科融合知識構建，設計項目學習方案，以能力發展和學科知識掌握為目標，體現生物學教學的有效性，促進學生生物學學科核心素養的形成。

1.1 STEM項目學習設計

STEM項目學習設計需要創設一定的STEM主題情境，誘發一定的情境聯想和意向驅動，在項目活動中通過學科的交叉融合，從活動過程和活動結果中提取問題解決和知識概念的具體表征，以此培養學生的STEM綜合素質與學科能力素養。在完成項目的過程中，學生深入理解，提升了對STEM項目學習特征的認識，通過對STEM項目學習活動的整體設計和實施，建立起STEM項目學習設計的固有模式，并不斷反思和完善。

1.2 生物學深度學習能力

生物學深度學習能力一般是指在教學過程中通過實踐體驗和創新探究逐步形成和構建的質疑、思辯、求證、提煉、升華等高階思維能力，以活動滲透學科融合提升，以技術、工程、數學等手段促進新情境下問題的解決，構建學生終身發展體系，逐步發展生物學科能力，培養形成生物學核心素養。

開展促進生物學深度學習的STEM項目學習設計，基于生物學深度學習的特征及STEM教育的特點，確定形成具有生物學科特點的STEM項目學習設計“提出問題，確定主題”“聚焦核心，分析矯正”“實踐體驗，創新探究”“固化新知，內化遷移”“交流共享，融合拓展”5個階段與環節的模式與框架（圖2）。

2 促進生物學深度學習的STEM項目學習設計實踐

人教版高中生物《必修3·穩態與環境》與新人教版《選擇性必修1·穩態與調節》教材中都安排有“探究土壤微生物的分解作用”實驗，因本實驗歷時較長，課堂上無法直接獲取實驗現象，通常采用“教師說實驗、學生背實驗”的教學方式，探究實踐常常不了了之。其實，這是一個有效實施STEM教育、通過宏觀的實驗現象理解微觀實驗原理、體現生物學深度學習的良好載體。教師可針對每一個教學環節，預設各個階段的不同項目任務及能力、素養培養的立腳點，能充分體現STEM教育理念，促進生物的深度學習。

2.1 提出問題，確定主題

教師圍繞STEM項目學習，創設問題，調適情境。此階段通過問題驅動，從學生已有認知出發，設置有現實意義的社會生活情景，激發學生自我認知的內驅力提高，培養STEM科學素養和技術素養，提升質疑能力，構建正確的生命觀念。

本案例中教師根據教材中“落葉是否因土壤微生物的作用而腐爛？”和“探究土壤微生物對淀粉的分解作用”，引發學生思考：針對以上問題，結合探究堆肥（指垃圾被分解后變成深色且富含營養的物質）的形成問題，如何設計實驗來解決這些問題？教師再次發問，預設本實驗需考慮實驗材料選擇的簡易性、實驗現象的可觀測性、實驗結果的科學性、實驗時間的可控性、實驗裝置的合理性等問題，確定本項目研究的主題，引發學生新的思考，嘗試設計實驗方案。

2.2 聚焦核心，分析矯正

本階段，教師依據前面學生設計的方案，分析學生已有的知識經驗，啟迪學習的意象圖式理論探究思維，誘發思想形成認知的共鳴。學生通過聯想與關聯，強化了學科的有機滲透，通過發散思維產生新的思考，確定本項目的理論科學探究，分析實驗裝置的合理性和工程建設規范性，矯正非科學的思路，將科學與技術進行有機的融合，明確了具體的實施方案。

案例中為直觀體現觀察效果，最終選定2L的可樂瓶為實驗裝置，探究校園土壤微生物對雜草、樹葉、落花、蔬菜、果皮、馬鈴薯等的分解影響；改課外實驗為教室中尋找適合的位置固定實驗裝置，可隨時關注實驗進程，彌補課時不足的困境；設計一個對比實驗，解決多重探究目的。教師引導學生修正實驗方案，促進學生啟發、思考和領悟作用，在科學探究中培養了學生的STEM科學素養和技術素養，提升了學生的生物學的思辯能力。

2.3 實踐體驗，創新探究

此階段為深度學習重要一環，教師巧設搭手，融合科學、技術、工程與數學等知識運用，扶鞍上馬。學生以問題探究解決為載體，在教師指導下，正確地運用技術手段，構建工程設置，進行技術操作、深入探究、分析與解釋、驗證，培養求證的生物學科能力，提升科學思維能力。

本案例中，教師指導學生制作和處理裝置，進行實驗操作和觀察。此過程涉及STEM項目學習中一系列問題。科學問題有：實驗過程產生異味的原因是什么？如何消除可能產生的異味？技術問題有：可樂瓶中土壤、待分解物如何選擇？如何減少異味產生？如何通過可樂瓶中觀測到的馬鈴薯的形狀變化和腐爛程度體現土壤微生物對淀粉的分解作用？在相關科學認知的基礎上，學生已有一定的思路與想法，嘗試通過一定的技術手段進行預設的實驗操作，強調操作過程科學知識的基礎性和科學技術的指導性，強化反思性科學思維能力。工程問題有：實驗組和對照組如何選擇和設定？為什么要在可樂瓶側面重直方向間隔0.5 cm打孔？馬鈴薯塊如何選擇和放置？如何設置實驗場地？這樣可以進一步培養學生的工程素養，教師要充分考慮實驗的簡潔和實用、材料的易取，強調團隊的合作意識，引導學生分析落葉等分解和淀粉分解的原理、設計的裝置優化方案等。數學問題有：可樂瓶內物質高度如何隨時間的改變而變化，具體原因是什么？可樂瓶中材料完全分解需要多長時間？分解所需時間與微生物存在何種關聯？可樂瓶是否需加水？加水量如何確定？教師引導學生通過推斷和有效交流發現、表達、解釋和解決問題，培養學生推理能力和運算能力，提升學生的數學素養。

本環節通過創新探究方式習得了相關知識，通過合作與探究，探究肉眼觀察馬鈴薯塊的變化來體驗土壤微生物的分解，不斷地收集證據，強化結論的說服力，獲取科學素養、技術素養、工程素養與數學素養的有機融合等，促進學生生物學深度學習能力的發展。

2.4 固化新知，內化遷移

此教學環節是體現STEM教育理念的，直指生物學深度學習的教學設計核心。圍繞“土壤微生物是否有分解作用，分解作用如何”，學生感知問題、分析問題、解決問題，獲得新知，積極思維，基于證據開展深入的推理學習，通過解釋與檢驗固化新知。學生利用實踐，通過“影響土壤微生物分解速度的因素”問題的思考來內化所學知識；通過個性思維展現與集體智慧的結晶，求同與創新，內化遷移；通過教師搭建的任務與問題解決的學習平臺，熟練掌握和運用技術，不斷提煉與反思，改進和完善，對遷移所學知識進行整合和運用，培養技術素養與工程素養，并提高社會責任。

2.5 交流共享，融合拓展

此過程強調深度學習的STEM項目學習始終以問題意識為導向，教師再次從全局思維進行設計，以新的情境創設，使學習得到延伸和拓展，對前期的學習信息進行綜合分析，凸顯學生的調查探究、合作交流、反復驗證、自我反思、創新應用等環節。學生通過不同小組的交流和分享，運用科學、技術、工程與數學等跨學科知識和技能，進一步深化跨學科思維能力，提升元認知能力。

高中生物學深度學習本質上是一個循環反復、不斷遞進，升華生物學科能力的過程，設計“實驗證明光照、水分、溫度、空氣等對土壤微生物的分解作用的影響”等相關聯的項目，幫助學生深度認知事物的特性，進一步深入探究學習過程的嚴謹性，達成清晰認知事物本質的效果。學生在循環往復的學習中，建構具有個人特色的知識結構，推動生物學深度學習實現。