基于深度學習的高中生物學STEM項目學習探究

［摘 要］基于深度學習的高中生物學STEM項目學習探究，對于新時代的教育改革具有重要意義。通過結(jié)合深度學習的先進理念和STEM教育的實踐方法，STEM項目學習旨在培養(yǎng)學生的高階思維、創(chuàng)新能力和問題解決能力。文章結(jié)合高中生物學教學實踐設(shè)計出了富有挑戰(zhàn)性的項目學習活動，旨在引導學生主動參與、積極探究，通過實踐、合作與反思，促進學生對生物學知識的深度理解和應用。STEM項目學習這種新型學習模式有助于激發(fā)學生的生物學學習興趣，提升學生的學科核心素養(yǎng)，為培養(yǎng)21世紀所需的生物學人才奠定堅實的基礎(chǔ)。

［關(guān)鍵詞］深度學習；高中生物學；STEM項目學習

［中圖分類號］" " G633.91" " " " ［文獻標識碼］" " A" " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）20-0082-03

深度學習作為一種高階學習，正逐漸改變學生對知識獲取與應用的認知。而STEM教育，以其跨學科、實踐性的特質(zhì)，為教育創(chuàng)新提供了新的視角。在這樣的背景下，探究如何將深度學習與高中生物學STEM項目學習相融合，不僅是教育領(lǐng)域的一項挑戰(zhàn)，更是培養(yǎng)新時代創(chuàng)新人才的迫切需求。通過深度融合這兩大教育理念，我們有望為學生打造一個更加豐富、具有挑戰(zhàn)性和深度的學習體驗場，助力學生在不斷的探索與實踐中成長為具有批判性思維、創(chuàng)新精神和跨學科解決問題能力的綜合型人才。

一、深度學習與STEM項目學習的概述

深度學習是一種基于高階思維的學習方式，它要求學習者在理解核心概念的基礎(chǔ)上，通過反思和批判性思考來提升綜合思維能力，并重新構(gòu)建知識和技能框架。在生物學中，深度學習涉及對新情境下生物學問題的多層次分析，是發(fā)展高階思維的學習過程。基于項目學習的STEM教育則為學生提供真實情境的學習體驗，這有助于學生學習和解決問題，促進學生對科學（S）、技術(shù)（T）、工程（E）和數(shù)學（M）領(lǐng)域概念的理解。在STEM項目學習中，學生可以通過實驗探究和創(chuàng)新實踐來解決真實問題，從而鍛煉批判性思維。STEM項目學習設(shè)計注重新情境下的知識構(gòu)建和跨學科融合，以真實問題為基點，通過新情境下的問題驅(qū)動來引導學生解決問題。這種學習方式以實驗探究為主線，強調(diào)創(chuàng)新與實踐，并以思維發(fā)展為目標，在項目活動過程中促進學生形成可視化思維。這有助于學生提升學科核心素養(yǎng)，并促進學生的深度學習。

二、高中生物學STEM項目學習的設(shè)計原則

基于深度學習的STEM項目學習在生物學領(lǐng)域具有重要的應用價值，它可以幫助學生發(fā)展高階思維，提高解決問題的能力，并促進學生對生物學核心概念和跨學科知識的理解和應用[1]。高中生物學STEM項目學習應遵循以下設(shè)計原則。

（一）以學生為中心

在基于深度學習的高中生物學STEM項目學習中，學生不僅是知識的接受者，更是學習的主體和創(chuàng)造者，因此以學生為中心是高中生物學STEM項目學習設(shè)計的首要原則。這意味著項目的主題和內(nèi)容應與學生的興趣和實際需求緊密結(jié)合，以激發(fā)他們的學習興趣和內(nèi)在動力。同時，尊重學生的個體差異，為學生提供多元化的學習路徑和資源，以滿足不同層次學生的學習需求。在高中生物學STEM項目學習過程中，給予學生更多的決策權(quán)，讓他們自主選擇研究方向、制訂實驗計劃等，從而培養(yǎng)其自主性和責任感。這樣的設(shè)計原則旨在確保學生在項目學習中處于中心地位，能夠積極參與并主導自己的學習過程，進而實現(xiàn)深度學習和全面發(fā)展[2]。

（二）強調(diào)問題驅(qū)動與真實情境相融合

深度學習強調(diào)對知識的深度理解和應用，而問題驅(qū)動和真實情境作為實現(xiàn)這一目標的有效手段，在項目學習設(shè)計中發(fā)揮著重要作用。選擇與現(xiàn)實世界緊密相關(guān)的生物學問題作為項目主題，如環(huán)境保護、基因編輯等，可以使學生將所學知識與實際問題相結(jié)合，培養(yǎng)其解決實際問題的能力。同時，通過模擬真實情境或?qū)嵉乜疾欤寣W生在具體環(huán)境中感受問題的復雜性和多樣性，這有助于提升學生對問題的理解能力和應對能力。此外，設(shè)計一系列相互關(guān)聯(lián)的問題鏈，可以引導學生由淺入深、由表及里地探究問題本質(zhì)，促進其對生物學知識的深度理解。高中生物學STEM項目學習應遵循問題驅(qū)動與真實情境相融合的設(shè)計原則，旨在為學生提供一個富有挑戰(zhàn)性和探索性的學習環(huán)境，激發(fā)其探究欲望和創(chuàng)新思維，培養(yǎng)其成為具有批判性思維和解決問題能力的人才。

（三）注重跨學科整合與遷移應用

STEM教育的核心在于跨學科整合，而深度學習則強調(diào)知識的遷移和應用，因此在項目學習設(shè)計中應注重跨學科元素的融入。這意味著鼓勵學生從生物學、化學、物理、數(shù)學等多學科視角審視問題，培養(yǎng)其跨學科思維和解決問題的能力。通過引入先進的技術(shù)工具和平臺，如基因編輯技術(shù)、生物信息學軟件等，可以讓學生在實踐中體驗科技的力量和魅力，進一步拓寬其視野和提升其能力。同時，鼓勵學生將所學的生物學知識和方法應用于其他領(lǐng)域或?qū)嶋H問題，如將生態(tài)學原理應用于環(huán)境保護、將遺傳學知識應用于醫(yī)學診斷等，可以促進學生對知識的遷移和應用，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神和實踐能力。高中生物學STEM項目學習注重跨學科重合與遷移應用，旨在打破學科壁壘，促進學生全面發(fā)展[3]。

三、高中生物學STEM項目學習的實施步驟

（一）確定項目主題

在高中生物學STEM項目學習中，提出問題是引導學生思考和探究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過提出問題，可以激發(fā)學生的好奇心和求知欲，引導他們深入思考和探索，從而確定具有探究性和實際意義的項目主題。以人教版生物學選擇性必修3《生物技術(shù)與工程》中的“制作傳統(tǒng)發(fā)酵食品”為例，教師首先展示各種傳統(tǒng)發(fā)酵食品的圖片或?qū)嵨铮⒑喴榻B其歷史和制作過程，為后續(xù)的提問做鋪墊。其次，在引入情境的基礎(chǔ)上，提出一系列與發(fā)酵食品相關(guān)的問題，如這些食品是如何制作的？需要哪些原料和工具？ 在制作過程中，微生物起到了怎樣的作用？它們是如何影響食品的口感和營養(yǎng)的？ 不同的發(fā)酵條件會對最終產(chǎn)品產(chǎn)生怎樣的影響？如何控制發(fā)酵條件？ 傳統(tǒng)發(fā)酵食品與現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)的食品有何異同？它們各自有哪些優(yōu)缺點？最后，讓學生對這些問題進行分析和討論，明確每個問題的研究價值，并選擇自己感興趣且有能力解決的問題進行研究。在分析問題的基礎(chǔ)上，學生需要篩選出具有探究性和實際意義的問題作為項目主題。如根據(jù)本節(jié)課的教學內(nèi)容，學生可以選擇“如何制作傳統(tǒng)的發(fā)酵食品”作為項目主題。這樣的教學，使學生成功地通過提出問題確定項目主題，并開展一次有意義的STEM項目學習[4]。

（二）制訂項目計劃

在確定項目主題為“如何制作傳統(tǒng)的發(fā)酵食品”后，為保證項目學習能夠順利進行并取得理想效果，教師可讓學生制訂詳盡的項目計劃。此項目學習的核心目的在于讓學生深入理解傳統(tǒng)發(fā)酵食品的制作原理與流程，熟悉基本的發(fā)酵工藝及操作技巧，研究各種發(fā)酵條件對食品質(zhì)量的潛在影響。為達成上述目標，可設(shè)計如下一系列具體任務：收集和研讀與傳統(tǒng)發(fā)酵食品制作有關(guān)的文獻和資料，選定某種傳統(tǒng)發(fā)酵食品作為研究焦點并深入了解其歷史、文化及制作工藝，親手制作該食品并記錄詳細的制作流程和感悟，分析制作過程中的關(guān)鍵要素及其對食品質(zhì)量的影響，撰寫綜合性的項目報告以及通過展示等形式分享制作經(jīng)驗和成果。在項目的時間規(guī)劃上，總共設(shè)定為六周，每一周都有確切的工作重點與預期目標。在資源籌備方面，讓學生根據(jù)選定的傳統(tǒng)發(fā)酵食品的特性準備相應的原材料，配備必要的工具和設(shè)備，選擇符合衛(wèi)生標準的廚房或?qū)嶒炇易鳛橹谱鲌鏊瑫r尋求專業(yè)教師或行業(yè)專家的幫助。通過一系列的學習與實踐活動，學生首先能夠更深入地理解傳統(tǒng)發(fā)酵食品的制作原理與流程，掌握基礎(chǔ)的發(fā)酵工藝和操作技巧，并對傳統(tǒng)食品文化產(chǎn)生熱愛，從而為實現(xiàn)中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的傳承和發(fā)揚貢獻力量[5]。

（三）項目執(zhí)行

以傳統(tǒng)發(fā)酵食品——泡菜的制作為例。泡菜制作項目執(zhí)行階段是學生進行深度學習的重要環(huán)節(jié)。在這個階段，學生在教師的指導下，積極探索并應用科學、技術(shù)、工程和數(shù)學等多學科知識。該項目的核心目標是通過讓學生親身實踐，培養(yǎng)學生的求證能力和科學思維[6]。

在項目開始時，首先讓學生了解泡菜的制作原理。他們了解到，泡菜的制作依賴于乳酸菌在無氧環(huán)境下的發(fā)酵作用，在發(fā)酵過程中，乳酸菌將蔬菜中的糖分轉(zhuǎn)化為乳酸，從而賦予泡菜獨特的酸味和口感。為了進一步掌握這一科學原理，學生還應學習乳酸菌的生長條件，如溫度、pH值和鹽濃度等，并探討這些條件如何影響發(fā)酵過程和泡菜的最終品質(zhì)。接著，讓學生開始學習使用專業(yè)的發(fā)酵裝置，如密封罐和溫度計等，以確保發(fā)酵環(huán)境的穩(wěn)定性和一致性。同時，讓學生掌握測量和記錄數(shù)據(jù)的方法，如使用pH試紙檢測泡菜的酸堿度，以及使用鹽度計測量鹽濃度等。這些技術(shù)手段的運用不僅提高了學生制作泡菜的技能，還培養(yǎng)了他們的實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)分析能力。在教師的協(xié)助下，學生開始制訂泡菜制作的詳細步驟和時間表。學生可根據(jù)所學的知識，精心選擇和處理蔬菜，配制適量的鹽水，并嚴格控制發(fā)酵時間。為了探究不同發(fā)酵條件對泡菜品質(zhì)的影響，還應讓學生設(shè)計不同的實驗方案，比較不同溫度、鹽濃度和發(fā)酵時間下的泡菜品質(zhì)差異，并嘗試解釋這些差異的原因。最后，讓學生品嘗自己制作的泡菜，對實驗結(jié)果進行直接驗證。通過品嘗泡菜，學生感受到了不同發(fā)酵條件對泡菜口感和風味的影響。

泡菜制作項目執(zhí)行階段不僅教授了學生制作泡菜的具體技術(shù)和方法，更重要的是通過實踐探究培養(yǎng)了學生的科學思維能力和求證精神。在這個過程中，學生學會了如何提出問題、設(shè)計實驗、收集和分析數(shù)據(jù)以及驗證假設(shè)并得出結(jié)論，這對于他們未來的學習和生活都具有重要意義。

（四）分享交流成果

“制作傳統(tǒng)發(fā)酵食品——泡菜”這一項目活動聚焦“泡菜發(fā)酵過程中的微生物作用及其影響因素”這一中心議題，意在引領(lǐng)學生感知問題、剖析問題、解決問題，從而獲取新知，并鼓勵他們積極運用新思維，立足實證進行深入的學習和推理。學生細致地觀察并記錄泡菜發(fā)酵過程中的種種變化，通過解釋與驗證來鞏固新知，在此基礎(chǔ)上進一步思索“如何改善泡菜的發(fā)酵環(huán)境以提升其品質(zhì)”，將所學的知識內(nèi)化。在此過程中，學生的個性思維得以展現(xiàn)，并與集體智慧相融合，使他們在追求共識與創(chuàng)新的過程中實現(xiàn)了知識的內(nèi)化遷移。同時，通過教師精心構(gòu)建的任務與問題解決平臺，學生得以熟練掌握和應用相關(guān)技術(shù)，在不斷提煉與反思中，優(yōu)化和完善泡菜的制作流程。在這一系列過程中，學生不僅提升了技術(shù)素養(yǎng)和工程素養(yǎng)，還增強了自身的社會責任感。

（五）反思評價過程

在“制作傳統(tǒng)發(fā)酵食品——泡菜”STEM項目學習中，學生問題意識始終被置于核心位置，旨在借助問題引領(lǐng)學生實現(xiàn)深度學習。教師以全局視角進行教學設(shè)計，創(chuàng)設(shè)新情境，確保學生的學習可以突破制作泡菜這一實踐層面，延伸至對食品發(fā)酵科學原理的深入探索。這一延伸性的學習要求學生綜合運用先前獲得的知識進行綜合分析，并強調(diào)他們在調(diào)查探究、合作交流、反復驗證、自我反思以及創(chuàng)新應用等方面的能力。

在交流共享環(huán)節(jié)，讓不同的學生聚在一起，分享各自在制作泡菜過程中的經(jīng)驗、見解與疑問。這種交流不僅促進了知識在不同個體間的流動與碰撞，更激發(fā)了學生探索跨學科領(lǐng)域的興趣。通過交流，學生發(fā)現(xiàn)在看似簡單的泡菜制作中，涵蓋了生物學中的微生物發(fā)酵、化學中的酸堿平衡、物理學中的熱傳導等科學原理，甚至涉及數(shù)學中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析技巧[7]。

通過這次項目學習，學生不僅習得了泡菜制作的實踐技能，更重要的是領(lǐng)悟了如何綜合運用不同學科的知識與技能來分析和解決問題。這種跨學科的項目學習不僅提升了學生的元認知能力，而且為他們深度學習和創(chuàng)新實踐奠定了堅實的基礎(chǔ)。

綜上所述，基于深度學習的高中生物學STEM項目學習不僅有助于學生對生物學知識的深入理解，更能夠提升他們的跨學科思維能力、實踐能力和創(chuàng)新能力。因此，教師應該充分認識到STEM教育的價值，在高中生物學教學中積極推進STEM項目學習，讓學生在實踐中探索，在探索中創(chuàng)新，在創(chuàng)新中成長。同時，也需要不斷完善STEM項目學習的設(shè)計和實施策略，確保STEM項目學習與課程目標緊密結(jié)合，真正發(fā)揮其在培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)和綜合能力方面的作用。展望未來，隨著科技的不斷進步和教育改革的深入推進，我們有理由相信，基于深度學習的高中生物學STEM項目學習將在促進學生全面發(fā)展、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才方面發(fā)揮更加重要的作用。

［" "參" "考" "文" "獻" "］

[1]" 侯松濤.基于深度學習的高中生物STEM項目設(shè)計：以“模擬生物體維持pH的穩(wěn)定”為例[J].中學生物學，2022，38（3）：12-14.

[2]［3］" 付鑫.基于高中生物學課程資源進行STEM項目的設(shè)計思路與案例[J].生物學通報，2018，53（3）：34-38.

[4]" 康根城.基于深度學習的高中生物學“情境—問題式”教學模式探究[J].中學生物學，2023，39（7）：30-32.

[5]" 羅福海.STEM教育視角下的實驗改進：以“探究植物細胞的吸水和失水”實驗改進為例[J].中小學實驗與裝備，2021，31（5）：45-46.

[6]" 張璐，陳欣.我國中學生物學STEM教育研究現(xiàn)狀與趨勢：基于2016-2021年STEM教育文獻分析[J].福建基礎(chǔ)教育研究，2022（10）：126-128.

[7]" 朱云鵬.基于生物學學科核心素養(yǎng)的實驗教學創(chuàng)新：以“探究生物體維持pH穩(wěn)定的機制的實驗”為例[J].中學生物學，2019，35（5）：42-43.

（責任編輯 羅 艷）