设计思维在高中生物教学中的应用初探

汪久佳

摘 要：设计思维作为一种新的理念和路径契合了当前我国创新人才培养的需求，为教育改革提供了新的路径。本文结合教学实践案例，尝试剖析设计思维贯彻新课标的有效性及在高中生物教学中的建构方式。

关键词：设计思维，高中生物教学

中图分类号：G633.91          文献标识码：A

文章编号：1992-7711（2020）03-087-2

一、设计思维的内涵

1.设计思维的概念

设计思维译自英文术语“Design Thinking”。不同的学者对设计思维的理解不同。有学者认为，设计思维是通过给学习者提供恰当的思维支架及方法支持，引导学习者从定义问题开始，逐步掌握创意构思、原型迭代、测试等一系列创新方法技能，最终实现问题的创新解决或产品的创新设计[1]。概括起来，设计思维就是一套以人为本的解决问题的方法论，这种方法论强调解决问题要从人的需求出发，多角度地寻求创新解决方案，并创造更多的可能性。[2]

生物核心素养讲求科学创新实践能力的培养，因此把设计思维方式引鉴到生物教学实践中去，那将对学生21世纪核心技能的发展具有重要意义，为学校学科教学方式的变革提供一种新途径。

2.设计思维的经典模型

斯坦福设计研究院的EDIPT模型为学习者提供了一套经典的系统模式。它包含同理心、定义问题、构想、原型和测试等五个阶段。需要关注的是，该思维模型的五个阶段步骤是非线性关系，即使用者可以在任何时间段重复某些特定的阶段或是整个过程。

在美国的“设计思维融入课堂教学项目”中，同理心又被分为理解和观察，形成了如图1所示的设计思维过程框架。[3]

我们可以看到，设计思维是一套创新性解决问题的方法论体系，设计思维过程促进学习者在真实体验中实现心智转变。二、设计思维应用于高中生物教学例析

1.设计思维在高中生物教学中的可行性

设计思维与《普通高中生物学课程标准》（2017年版）所倡导的核心精神高度一致，拥有共通的教育理念。新课标强调在探究教学中培养学生的核心素养，而核心素养是个体在解决复杂、不确定的实际问题过程中表现出来的综合品质。生物学科探究教学为学生提供了真實的问题情境，学生在体验各种研究任务中，经历了理解、观察、猜想、解释等环节，与设计思维经典模型的一般程序相吻合。设计思维也是以学生发展为中心，强调对学生创新精神、问题解决等综合能力的培养，强调以学生为中心的体验，是基于真实问题的探究性实践。这些在“精神上”的有效契合及在目标上的一致性，正是设计思维可以应用于生物学科教学的前提和基础。

2.设计思维在高中生物教学中的具体应用

在高中生物教学中，基因工程、细胞工程等选修技术本身也是“工程设计”的范畴，许多科学家同时也是“工程设计师”和“市场调查师”。为了进一步说明设计思维与高中生物教学深度融合的实践应用，笔者以设计“葡萄酒发酵”为例。

（1）同理心——提出问题

同理心也就是“共情”。它的核心目标是为了了解应用者的需求。本案例设计源于生物选修教材传统发酵技术的应用之“果酒的制作”实验。刚开始学生实验时选择发酵容器，有的用酱菜玻璃瓶，有的塑料饮料瓶。结果发酵没几天因有学生忘记拧松瓶盖放气，有玻璃瓶发生爆瓶，也有塑料瓶的瓶盖被冲出，果酒发酵液甚至被喷至天花板，实验室里一片狼藉。学生对使用的发酵容器有诸多不满之处，那么这些不满意不正是发酵罐需要去创新改进的地方吗？因此，在课前，笔者就让学生通过亲身经历，调查记录对发酵装置的不满之处。

（2）定义问题——明确问题

该阶段需要在大量的信息碎片中努力寻找尽可能多的需求点，并对它进行思维加工，定义出一个有意义且可操作的问题。通过分组讨论，大家先明确问题，是什么导致瓶盖被冲出？大家通过先前了解的前概念，知道葡萄中有大量的葡萄糖，经过发酵，大部分葡萄糖被分解成酒精和CO2，少部分葡萄糖被彻底氧化分解成CO2和水。因为发酵罐是封闭的，管内产生了大量的CO2导致内外气压不平衡，所以果酒发酵液才会喷出。于是学生通过分析，设想如果能让发酵罐自动放气，那么爆瓶的问题也就迎刃而解了。

（3）构想——分析问题

该阶段是着手解决问题的关键，通过各种方式刺激更多想法的生成，尽可能多地提出各种问题解决的方法，从而打破惯性思维。这一步有的小组学生就讨论到了初中学过的巴斯德的“鹅颈瓶”，如果能够模拟“鹅颈瓶”，有一个长而弯曲的排气口，那么既可以排出气体，又可以避免杂菌感染。大家一致觉得很有道理。还有的小组想到了有一款饮料“尖叫”，它的瓶子瓶盖有特殊设计，它被设计成了类似于奶嘴的样子，可以通过“奶嘴”吮吸饮料，瓶子倒置时液体不会漏出来，而且瓶内外又是相通的，可以到时自动放气的目的。

（4）原型——解决问题

原型就是充分利用身边唾手可得的材料快速将想法表现出原始模型的过程。学生可以用模型，电脑绘图工具、画图纸等，综合适合自己小组的展示形式。各小组通过构想，有的小组就地取材拿了“尖叫”的瓶子来进行果酒发酵实验，有的小组模拟“鹅颈瓶”在广口瓶的盖子上连了一根长而弯曲的橡皮管，作为发酵装置。结果是不是可行呢？需要测试才能知道结果。

（5）测试——优化方案

测试就是使用实现的产品原型，或模拟环境来严格测试问题是否得到解决，需求是否得到满足。它是该模式的最后一步。在这一环节，一些想法可能会被重新定义，甚至发现新的问题。几个小组都展示了自己的发酵装置。“鹅颈瓶”小组提出“鹅颈瓶”的瓶口太小，发酵液不易装入，且装置材料不易获得，实验开展不方便。“尖叫”小组反应“尖叫”装置容器太小，装不了多少发酵液，还有就是瓶口也较小，发酵液装入进瓶中还是有些难度。大家又陷入沉思，考虑有没有更好的装置。

这时笔者给学生展示透明的泡菜坛子，瓶口大，容积也够大，水密封设计，密封后瓶内气体只出不进，可以避免杂菌的进入，当瓶子内部气体大量产生时会顶起倒扣的碗来放气。大家一下子就有了兴趣，急不可待的要进行测试。实际测试后，自动放气的问题解决了，但是大家又发现了新问题，最突出的就是发酵液很难取出，其次发酵液性质不稳定。于是笔者又引导学生思考如何改进装置。有小组提出如果能在泡菜坛子下面装个水龙头就能方便取出发酵液了。

学生经历了“鹅颈瓶”“尖叫”“泡菜坛子”“水龙头版泡菜坛子”的测试，通过不断改进发酵装置，学生不仅掌握了生物学科知识，还能利用生物学科知识应用于更加复杂的生产实践中，学生的设计思维也有了螺旋式上升与发展。

运用设计思维工具指导高中生物教学，是一种崭新的课程安排思路和形式，也是一种新颖的教学模式，可以让教师教学有激情，学生学习有动力，此外，该模型的运用既让学生掌握了学科知识，也让学生锻炼了批判性思维和创新思维，提高了动手能力、创新能力和问题解决能力。笔者还尝试应用设计思维设计“叶绿体中色素提取和分离实验的滤纸条形状”“小型生态缸”“校园四位一体生态工程”等项目。

三、总结评析

设计思维对于提升基础教育阶段学生的思维品质有着非常大的帮助，也将助力于教学改革所倡导的深度学习与素质教育。将设计思维的培养融入学科教育的体系中，一方面可以幫助学生理解学科教育与真实世界的关系，通过真实体验来感知学习的价值，另一方面可以有助于学生通过简单的设计思维学习体验，逐步将已经形成的设计思维使能到更加复杂的场景中。

实践证明，培养学习者的设计思维，既可以帮助学生组织概念形成自洽的逻辑关系，提高课程教学的教学效率，也可以通过设计思维的过程来培养学生解决问题、持续创新的能力。

[参考文献]

[1]闫寒冰，郑东芳，李笑樱.设计思维：创客教育不可或缺的使能方法论[J].电化教育研究，2017（06）.

[2]王佑镁，郭静，宛平，赵文竹.设计思维：促进STEM教育与创客教育的深度融合[J].电化教育研究，2019（03）.

[3]林琳，沈书生.美国“设计思维融入课堂教学项目”研究[J].比较教育研究，2019（07）.

[4]林琳.设计思维的概念内涵与培养策略[J].现代远程教育研究，2016（06）.

（作者单位：南京市江宁高级中学，江苏 南京210000）