基于生物学深度学习的STEM项目学习设计

石进德 谢雪锦

（1.福建省厦门市杏南中学 福建厦门 361024）

（2.福建省厦门市松柏中学 福建厦门 361012）

深度学习是指学习者遵循学习科学原理，通过一定的学习手段、借助科学的学习方法，在对核心概念的理解认知基础上，通过反思、批判的思维冲突中提升综合高阶思维表征，经系统融合创新性的解决新情境问题，重新构建知识和技能框架的学习过程。深度学习在不同的具体学科中有其固有的本质属性，生物学深度学习是指学生围绕新情境下的生物学问题，采用多层次的分析，通过思维与想象、关联与实践、分析与综合、判断与决策、迁移与重构、加工与交流、反思与评价等致力于高阶思维能力发展的学习，是解决真实情境生物学复杂问题，把握生物学科的本质与核心思想方法的主动学习过程。

基于项目学习的STEM教育能为学生提供融入真实情境的学习体验。这些体验有助于学生的学习和解决问题，促进学生对科学、技术、工程和数学各领域的概念形成和理解。在项目完成过程中，教师要辅之以语言、艺术和社会实践研究的支持。生物学STEM项目学习对于学习者而言，更富有成效和挑战性，更能促进学生思维的跳跃和拓展，锻炼学生的反思性批判思维技能。

STEM项目学习设计注重新情境下的知识构建与跨学科的融合，以真实问题为基点，通过新情境下的问题驱动，以科学、技术、工程、数学学科知识融合和技能运用来解决新情境问题；以实验探究为主线，强调创新与实践；以思维发展为目标，在项目活动过程中诱导形成可视化思维，可助力学生的生物学学科核心素养形成，促进学生的生物学深度学习。

1 促进生物学深度学习的STEM项目学习设计构思

生物学深度学习的特征主要体现在：以树立正确生命观念贯穿始终的生命教育，提升实验技能和科学技术的科学探究，培养批判性和高阶的科学思维，落实知识整体性和关联性的社会责任，注重学科融合的创新教育。生物学深度学习的过程包括情境与联想、问题与结构、活动与求证、事实与本质、解释与变式，构建与迁移、应用与评价。基于以上促进学生生物学深度学习的目的，教师要围绕学科知识融合、学习能力体现、核心素养形成三个方面思考教学设计。

STEM项目学习通过学科融合知识构建，设计项目学习方案，以能力发展和学科知识掌握为目标，体现生物学教学的有效性，促进学生生物学学科核心素养的形成。

1.1 STEM项目学习设计

STEM项目学习设计需要创设一定的STEM主题情境，诱发一定的情境联想和意向驱动，在项目活动中通过学科的交叉融合，从活动过程和活动结果中提取问题解决和知识概念的具体表征，以此培养学生的STEM综合素质与学科能力素养。在完成项目的过程中，学生深入理解，提升了对STEM项目学习特征的认识，通过对STEM项目学习活动的整体设计和实施，建立起STEM项目学习设计的固有模式，并不断反思和完善。

1.2 生物学深度学习能力

生物学深度学习能力一般是指在教学过程中通过实践体验和创新探究逐步形成和构建的质疑、思辩、求证、提炼、升华等高阶思维能力，以活动渗透学科融合提升，以技术、工程、数学等手段促进新情境下问题的解决，构建学生终身发展体系，逐步发展生物学科能力，培养形成生物学核心素养。

开展促进生物学深度学习的STEM项目学习设计，基于生物学深度学习的特征及STEM教育的特点，确定形成具有生物学科特点的STEM项目学习设计“提出问题，确定主题”“聚焦核心，分析矫正”“实践体验，创新探究”“固化新知，内化迁移”“交流共享，融合拓展”5个阶段与环节的模式与框架（图2）。

2 促进生物学深度学习的STEM项目学习设计实践

人教版高中生物《必修3·稳态与环境》与新人教版《选择性必修1·稳态与调节》教材中都安排有“探究土壤微生物的分解作用”实验，因本实验历时较长，课堂上无法直接获取实验现象，通常采用“教师说实验、学生背实验”的教学方式，探究实践常常不了了之。其实，这是一个有效实施STEM教育、通过宏观的实验现象理解微观实验原理、体现生物学深度学习的良好载体。教师可针对每一个教学环节，预设各个阶段的不同项目任务及能力、素养培养的立脚点，能充分体现STEM教育理念，促进生物的深度学习。

2.1 提出问题，确定主题

教师围绕STEM项目学习，创设问题，调适情境。此阶段通过问题驱动，从学生已有认知出发，设置有现实意义的社会生活情景，激发学生自我认知的内驱力提高，培养STEM科学素养和技术素养，提升质疑能力，构建正确的生命观念。

本案例中教师根据教材中“落叶是否因土壤微生物的作用而腐烂？”和“探究土壤微生物对淀粉的分解作用”，引发学生思考：针对以上问题，结合探究堆肥（指垃圾被分解后变成深色且富含营养的物质）的形成问题，如何设计实验来解决这些问题？教师再次发问，预设本实验需考虑实验材料选择的简易性、实验现象的可观测性、实验结果的科学性、实验时间的可控性、实验装置的合理性等问题，确定本项目研究的主题，引发学生新的思考，尝试设计实验方案。

2.2 聚焦核心，分析矫正

本阶段，教师依据前面学生设计的方案，分析学生已有的知识经验，启迪学习的意象图式理论探究思维，诱发思想形成认知的共鸣。学生通过联想与关联，强化了学科的有机渗透，通过发散思维产生新的思考，确定本项目的理论科学探究，分析实验装置的合理性和工程建设规范性，矫正非科学的思路，将科学与技术进行有机的融合，明确了具体的实施方案。

案例中为直观体现观察效果，最终选定2L的可乐瓶为实验装置，探究校园土壤微生物对杂草、树叶、落花、蔬菜、果皮、马铃薯等的分解影响；改课外实验为教室中寻找适合的位置固定实验装置，可随时关注实验进程，弥补课时不足的困境；设计一个对比实验，解决多重探究目的。教师引导学生修正实验方案，促进学生启发、思考和领悟作用，在科学探究中培养了学生的STEM科学素养和技术素养，提升了学生的生物学的思辩能力。

2.3 实践体验，创新探究

此阶段为深度学习重要一环，教师巧设搭手，融合科学、技术、工程与数学等知识运用，扶鞍上马。学生以问题探究解决为载体，在教师指导下，正确地运用技术手段，构建工程设置，进行技术操作、深入探究、分析与解释、验证，培养求证的生物学科能力，提升科学思维能力。

本案例中，教师指导学生制作和处理装置，进行实验操作和观察。此过程涉及STEM项目学习中一系列问题。科学问题有：实验过程产生异味的原因是什么？如何消除可能产生的异味？技术问题有：可乐瓶中土壤、待分解物如何选择？如何减少异味产生？如何通过可乐瓶中观测到的马铃薯的形状变化和腐烂程度体现土壤微生物对淀粉的分解作用？在相关科学认知的基础上，学生已有一定的思路与想法，尝试通过一定的技术手段进行预设的实验操作，强调操作过程科学知识的基础性和科学技术的指导性，强化反思性科学思维能力。工程问题有：实验组和对照组如何选择和设定？为什么要在可乐瓶侧面重直方向间隔0.5 cm打孔？马铃薯块如何选择和放置？如何设置实验场地？这样可以进一步培养学生的工程素养，教师要充分考虑实验的简洁和实用、材料的易取，强调团队的合作意识，引导学生分析落叶等分解和淀粉分解的原理、设计的装置优化方案等。数学问题有：可乐瓶内物质高度如何随时间的改变而变化，具体原因是什么？可乐瓶中材料完全分解需要多长时间？分解所需时间与微生物存在何种关联？可乐瓶是否需加水？加水量如何确定？教师引导学生通过推断和有效交流发现、表达、解释和解决问题，培养学生推理能力和运算能力，提升学生的数学素养。

本环节通过创新探究方式习得了相关知识，通过合作与探究，探究肉眼观察马铃薯块的变化来体验土壤微生物的分解，不断地收集证据，强化结论的说服力，获取科学素养、技术素养、工程素养与数学素养的有机融合等，促进学生生物学深度学习能力的发展。

2.4 固化新知，内化迁移

此教学环节是体现STEM教育理念的，直指生物学深度学习的教学设计核心。围绕“土壤微生物是否有分解作用，分解作用如何”，学生感知问题、分析问题、解决问题，获得新知，积极思维，基于证据开展深入的推理学习，通过解释与检验固化新知。学生利用实践，通过“影响土壤微生物分解速度的因素”问题的思考来内化所学知识；通过个性思维展现与集体智慧的结晶，求同与创新，内化迁移；通过教师搭建的任务与问题解决的学习平台，熟练掌握和运用技术，不断提炼与反思，改进和完善，对迁移所学知识进行整合和运用，培养技术素养与工程素养，并提高社会责任。

2.5 交流共享，融合拓展

此过程强调深度学习的STEM项目学习始终以问题意识为导向，教师再次从全局思维进行设计，以新的情境创设，使学习得到延伸和拓展，对前期的学习信息进行综合分析，凸显学生的调查探究、合作交流、反复验证、自我反思、创新应用等环节。学生通过不同小组的交流和分享，运用科学、技术、工程与数学等跨学科知识和技能，进一步深化跨学科思维能力，提升元认知能力。

高中生物学深度学习本质上是一个循环反复、不断递进，升华生物学科能力的过程，设计“实验证明光照、水分、温度、空气等对土壤微生物的分解作用的影响”等相关联的项目，帮助学生深度认知事物的特性，进一步深入探究学习过程的严谨性，达成清晰认知事物本质的效果。学生在循环往复的学习中，建构具有个人特色的知识结构，推动生物学深度学习实现。