基于生物學(xué)深度學(xué)習(xí)的STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)

石進(jìn)德 謝雪錦

（1.福建省廈門市杏南中學(xué) 福建廈門 361024）

（2.福建省廈門市松柏中學(xué) 福建廈門 361012）

深度學(xué)習(xí)是指學(xué)習(xí)者遵循學(xué)習(xí)科學(xué)原理，通過(guò)一定的學(xué)習(xí)手段、借助科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，在對(duì)核心概念的理解認(rèn)知基礎(chǔ)上，通過(guò)反思、批判的思維沖突中提升綜合高階思維表征，經(jīng)系統(tǒng)融合創(chuàng)新性的解決新情境問(wèn)題，重新構(gòu)建知識(shí)和技能框架的學(xué)習(xí)過(guò)程。深度學(xué)習(xí)在不同的具體學(xué)科中有其固有的本質(zhì)屬性，生物學(xué)深度學(xué)習(xí)是指學(xué)生圍繞新情境下的生物學(xué)問(wèn)題，采用多層次的分析，通過(guò)思維與想象、關(guān)聯(lián)與實(shí)踐、分析與綜合、判斷與決策、遷移與重構(gòu)、加工與交流、反思與評(píng)價(jià)等致力于高階思維能力發(fā)展的學(xué)習(xí)，是解決真實(shí)情境生物學(xué)復(fù)雜問(wèn)題，把握生物學(xué)科的本質(zhì)與核心思想方法的主動(dòng)學(xué)習(xí)過(guò)程。

基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的STEM教育能為學(xué)生提供融入真實(shí)情境的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。這些體驗(yàn)有助于學(xué)生的學(xué)習(xí)和解決問(wèn)題，促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)各領(lǐng)域的概念形成和理解。在項(xiàng)目完成過(guò)程中，教師要輔之以語(yǔ)言、藝術(shù)和社會(huì)實(shí)踐研究的支持。生物學(xué)STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)對(duì)于學(xué)習(xí)者而言，更富有成效和挑戰(zhàn)性，更能促進(jìn)學(xué)生思維的跳躍和拓展，鍛煉學(xué)生的反思性批判思維技能。

STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)注重新情境下的知識(shí)構(gòu)建與跨學(xué)科的融合，以真實(shí)問(wèn)題為基點(diǎn)，通過(guò)新情境下的問(wèn)題驅(qū)動(dòng)，以科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)學(xué)科知識(shí)融合和技能運(yùn)用來(lái)解決新情境問(wèn)題；以實(shí)驗(yàn)探究為主線，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新與實(shí)踐；以思維發(fā)展為目標(biāo)，在項(xiàng)目活動(dòng)過(guò)程中誘導(dǎo)形成可視化思維，可助力學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)形成，促進(jìn)學(xué)生的生物學(xué)深度學(xué)習(xí)。

1 促進(jìn)生物學(xué)深度學(xué)習(xí)的STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)構(gòu)思

生物學(xué)深度學(xué)習(xí)的特征主要體現(xiàn)在：以樹(shù)立正確生命觀念貫穿始終的生命教育，提升實(shí)驗(yàn)技能和科學(xué)技術(shù)的科學(xué)探究，培養(yǎng)批判性和高階的科學(xué)思維，落實(shí)知識(shí)整體性和關(guān)聯(lián)性的社會(huì)責(zé)任，注重學(xué)科融合的創(chuàng)新教育。生物學(xué)深度學(xué)習(xí)的過(guò)程包括情境與聯(lián)想、問(wèn)題與結(jié)構(gòu)、活動(dòng)與求證、事實(shí)與本質(zhì)、解釋與變式，構(gòu)建與遷移、應(yīng)用與評(píng)價(jià)?；谝陨洗龠M(jìn)學(xué)生生物學(xué)深度學(xué)習(xí)的目的，教師要圍繞學(xué)科知識(shí)融合、學(xué)習(xí)能力體現(xiàn)、核心素養(yǎng)形成三個(gè)方面思考教學(xué)設(shè)計(jì)。

STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)通過(guò)學(xué)科融合知識(shí)構(gòu)建，設(shè)計(jì)項(xiàng)目學(xué)習(xí)方案，以能力發(fā)展和學(xué)科知識(shí)掌握為目標(biāo)，體現(xiàn)生物學(xué)教學(xué)的有效性，促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。

1.1 STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)

STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)一定的STEM主題情境，誘發(fā)一定的情境聯(lián)想和意向驅(qū)動(dòng)，在項(xiàng)目活動(dòng)中通過(guò)學(xué)科的交叉融合，從活動(dòng)過(guò)程和活動(dòng)結(jié)果中提取問(wèn)題解決和知識(shí)概念的具體表征，以此培養(yǎng)學(xué)生的STEM綜合素質(zhì)與學(xué)科能力素養(yǎng)。在完成項(xiàng)目的過(guò)程中，學(xué)生深入理解，提升了對(duì)STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)特征的認(rèn)識(shí)，通過(guò)對(duì)STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動(dòng)的整體設(shè)計(jì)和實(shí)施，建立起STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的固有模式，并不斷反思和完善。

1.2 生物學(xué)深度學(xué)習(xí)能力

生物學(xué)深度學(xué)習(xí)能力一般是指在教學(xué)過(guò)程中通過(guò)實(shí)踐體驗(yàn)和創(chuàng)新探究逐步形成和構(gòu)建的質(zhì)疑、思辯、求證、提煉、升華等高階思維能力，以活動(dòng)滲透學(xué)科融合提升，以技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等手段促進(jìn)新情境下問(wèn)題的解決，構(gòu)建學(xué)生終身發(fā)展體系，逐步發(fā)展生物學(xué)科能力，培養(yǎng)形成生物學(xué)核心素養(yǎng)。

開(kāi)展促進(jìn)生物學(xué)深度學(xué)習(xí)的STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)，基于生物學(xué)深度學(xué)習(xí)的特征及STEM教育的特點(diǎn)，確定形成具有生物學(xué)科特點(diǎn)的STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)“提出問(wèn)題，確定主題”“聚焦核心，分析矯正”“實(shí)踐體驗(yàn)，創(chuàng)新探究”“固化新知，內(nèi)化遷移”“交流共享，融合拓展”5個(gè)階段與環(huán)節(jié)的模式與框架（圖2）。

2 促進(jìn)生物學(xué)深度學(xué)習(xí)的STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)實(shí)踐

人教版高中生物《必修3·穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》與新人教版《選擇性必修1·穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)》教材中都安排有“探究土壤微生物的分解作用”實(shí)驗(yàn)，因本實(shí)驗(yàn)歷時(shí)較長(zhǎng)，課堂上無(wú)法直接獲取實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，通常采用“教師說(shuō)實(shí)驗(yàn)、學(xué)生背實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)方式，探究實(shí)踐常常不了了之。其實(shí)，這是一個(gè)有效實(shí)施STEM教育、通過(guò)宏觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象理解微觀實(shí)驗(yàn)原理、體現(xiàn)生物學(xué)深度學(xué)習(xí)的良好載體。教師可針對(duì)每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，預(yù)設(shè)各個(gè)階段的不同項(xiàng)目任務(wù)及能力、素養(yǎng)培養(yǎng)的立腳點(diǎn)，能充分體現(xiàn)STEM教育理念，促進(jìn)生物的深度學(xué)習(xí)。

2.1 提出問(wèn)題，確定主題

教師圍繞STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)，創(chuàng)設(shè)問(wèn)題，調(diào)適情境。此階段通過(guò)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)，從學(xué)生已有認(rèn)知出發(fā)，設(shè)置有現(xiàn)實(shí)意義的社會(huì)生活情景，激發(fā)學(xué)生自我認(rèn)知的內(nèi)驅(qū)力提高，培養(yǎng)STEM科學(xué)素養(yǎng)和技術(shù)素養(yǎng)，提升質(zhì)疑能力，構(gòu)建正確的生命觀念。

本案例中教師根據(jù)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(duì)淀粉的分解作用”，引發(fā)學(xué)生思考：針對(duì)以上問(wèn)題，結(jié)合探究堆肥（指垃圾被分解后變成深色且富含營(yíng)養(yǎng)的物質(zhì)）的形成問(wèn)題，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)解決這些問(wèn)題？教師再次發(fā)問(wèn)，預(yù)設(shè)本實(shí)驗(yàn)需考慮實(shí)驗(yàn)材料選擇的簡(jiǎn)易性、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可觀測(cè)性、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性、實(shí)驗(yàn)時(shí)間的可控性、實(shí)驗(yàn)裝置的合理性等問(wèn)題，確定本項(xiàng)目研究的主題，引發(fā)學(xué)生新的思考，嘗試設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。

2.2 聚焦核心，分析矯正

本階段，教師依據(jù)前面學(xué)生設(shè)計(jì)的方案，分析學(xué)生已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，啟迪學(xué)習(xí)的意象圖式理論探究思維，誘發(fā)思想形成認(rèn)知的共鳴。學(xué)生通過(guò)聯(lián)想與關(guān)聯(lián)，強(qiáng)化了學(xué)科的有機(jī)滲透，通過(guò)發(fā)散思維產(chǎn)生新的思考，確定本項(xiàng)目的理論科學(xué)探究，分析實(shí)驗(yàn)裝置的合理性和工程建設(shè)規(guī)范性，矯正非科學(xué)的思路，將科學(xué)與技術(shù)進(jìn)行有機(jī)的融合，明確了具體的實(shí)施方案。

案例中為直觀體現(xiàn)觀察效果，最終選定2L的可樂(lè)瓶為實(shí)驗(yàn)裝置，探究校園土壤微生物對(duì)雜草、樹(shù)葉、落花、蔬菜、果皮、馬鈴薯等的分解影響；改課外實(shí)驗(yàn)為教室中尋找適合的位置固定實(shí)驗(yàn)裝置，可隨時(shí)關(guān)注實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，彌補(bǔ)課時(shí)不足的困境；設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，解決多重探究目的。教師引導(dǎo)學(xué)生修正實(shí)驗(yàn)方案，促進(jìn)學(xué)生啟發(fā)、思考和領(lǐng)悟作用，在科學(xué)探究中培養(yǎng)了學(xué)生的STEM科學(xué)素養(yǎng)和技術(shù)素養(yǎng)，提升了學(xué)生的生物學(xué)的思辯能力。

2.3 實(shí)踐體驗(yàn)，創(chuàng)新探究

此階段為深度學(xué)習(xí)重要一環(huán)，教師巧設(shè)搭手，融合科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)等知識(shí)運(yùn)用，扶鞍上馬。學(xué)生以問(wèn)題探究解決為載體，在教師指導(dǎo)下，正確地運(yùn)用技術(shù)手段，構(gòu)建工程設(shè)置，進(jìn)行技術(shù)操作、深入探究、分析與解釋、驗(yàn)證，培養(yǎng)求證的生物學(xué)科能力，提升科學(xué)思維能力。

本案例中，教師指導(dǎo)學(xué)生制作和處理裝置，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和觀察。此過(guò)程涉及STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)中一系列問(wèn)題?？茖W(xué)問(wèn)題有：實(shí)驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)生異味的原因是什么？如何消除可能產(chǎn)生的異味？技術(shù)問(wèn)題有：可樂(lè)瓶中土壤、待分解物如何選擇？如何減少異味產(chǎn)生？如何通過(guò)可樂(lè)瓶中觀測(cè)到的馬鈴薯的形狀變化和腐爛程度體現(xiàn)土壤微生物對(duì)淀粉的分解作用？在相關(guān)科學(xué)認(rèn)知的基礎(chǔ)上，學(xué)生已有一定的思路與想法，嘗試通過(guò)一定的技術(shù)手段進(jìn)行預(yù)設(shè)的實(shí)驗(yàn)操作，強(qiáng)調(diào)操作過(guò)程科學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)性和科學(xué)技術(shù)的指導(dǎo)性，強(qiáng)化反思性科學(xué)思維能力。工程問(wèn)題有：實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組如何選擇和設(shè)定？為什么要在可樂(lè)瓶側(cè)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(shè)置實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地？這樣可以進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)，教師要充分考慮實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)潔和實(shí)用、材料的易取，強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)的合作意識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生分析落葉等分解和淀粉分解的原理、設(shè)計(jì)的裝置優(yōu)化方案等。數(shù)學(xué)問(wèn)題有：可樂(lè)瓶?jī)?nèi)物質(zhì)高度如何隨時(shí)間的改變而變化，具體原因是什么？可樂(lè)瓶中材料完全分解需要多長(zhǎng)時(shí)間？分解所需時(shí)間與微生物存在何種關(guān)聯(lián)？可樂(lè)瓶是否需加水？加水量如何確定？教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)推斷和有效交流發(fā)現(xiàn)、表達(dá)、解釋和解決問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生推理能力和運(yùn)算能力，提升學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)。

本環(huán)節(jié)通過(guò)創(chuàng)新探究方式習(xí)得了相關(guān)知識(shí)，通過(guò)合作與探究，探究肉眼觀察馬鈴薯塊的變化來(lái)體驗(yàn)土壤微生物的分解，不斷地收集證據(jù)，強(qiáng)化結(jié)論的說(shuō)服力，獲取科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)與數(shù)學(xué)素養(yǎng)的有機(jī)融合等，促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)深度學(xué)習(xí)能力的發(fā)展。

2.4 固化新知，內(nèi)化遷移

此教學(xué)環(huán)節(jié)是體現(xiàn)STEM教育理念的，直指生物學(xué)深度學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計(jì)核心。圍繞“土壤微生物是否有分解作用，分解作用如何”，學(xué)生感知問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，獲得新知，積極思維，基于證據(jù)開(kāi)展深入的推理學(xué)習(xí)，通過(guò)解釋與檢驗(yàn)固化新知。學(xué)生利用實(shí)踐，通過(guò)“影響土壤微生物分解速度的因素”問(wèn)題的思考來(lái)內(nèi)化所學(xué)知識(shí)；通過(guò)個(gè)性思維展現(xiàn)與集體智慧的結(jié)晶，求同與創(chuàng)新，內(nèi)化遷移；通過(guò)教師搭建的任務(wù)與問(wèn)題解決的學(xué)習(xí)平臺(tái)，熟練掌握和運(yùn)用技術(shù)，不斷提煉與反思，改進(jìn)和完善，對(duì)遷移所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合和運(yùn)用，培養(yǎng)技術(shù)素養(yǎng)與工程素養(yǎng)，并提高社會(huì)責(zé)任。

2.5 交流共享，融合拓展

此過(guò)程強(qiáng)調(diào)深度學(xué)習(xí)的STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)始終以問(wèn)題意識(shí)為導(dǎo)向，教師再次從全局思維進(jìn)行設(shè)計(jì)，以新的情境創(chuàng)設(shè)，使學(xué)習(xí)得到延伸和拓展，對(duì)前期的學(xué)習(xí)信息進(jìn)行綜合分析，凸顯學(xué)生的調(diào)查探究、合作交流、反復(fù)驗(yàn)證、自我反思、創(chuàng)新應(yīng)用等環(huán)節(jié)。學(xué)生通過(guò)不同小組的交流和分享，運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)等跨學(xué)科知識(shí)和技能，進(jìn)一步深化跨學(xué)科思維能力，提升元認(rèn)知能力。

高中生物學(xué)深度學(xué)習(xí)本質(zhì)上是一個(gè)循環(huán)反復(fù)、不斷遞進(jìn)，升華生物學(xué)科能力的過(guò)程，設(shè)計(jì)“實(shí)驗(yàn)證明光照、水分、溫度、空氣等對(duì)土壤微生物的分解作用的影響”等相關(guān)聯(lián)的項(xiàng)目，幫助學(xué)生深度認(rèn)知事物的特性，進(jìn)一步深入探究學(xué)習(xí)過(guò)程的嚴(yán)謹(jǐn)性，達(dá)成清晰認(rèn)知事物本質(zhì)的效果。學(xué)生在循環(huán)往復(fù)的學(xué)習(xí)中，建構(gòu)具有個(gè)人特色的知識(shí)結(jié)構(gòu)，推動(dòng)生物學(xué)深度學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)。