基于深度學(xué)習(xí)的高中生物STEM項(xiàng)目設(shè)計(jì)

侯松濤

摘 要 基于深度學(xué)習(xí)理論開發(fā)設(shè)計(jì)高中生物學(xué)STEM 項(xiàng)目，通過精心設(shè)置情境任務(wù)驅(qū)動學(xué)生主動思考與交流，在探究實(shí)踐過程中完成對科學(xué)本質(zhì)的理解。 學(xué)生通過主動探究、深度理解、合作交流，批判性地學(xué)習(xí)新知識，并將它們?nèi)谌朐械恼J(rèn)知結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過高水平思維過程，靈活運(yùn)用所學(xué)知識和技能解決實(shí)際問題。

關(guān)鍵詞 深度學(xué)習(xí) ??STEM pH 穩(wěn)態(tài) ?生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

中圖分類號 G633.91 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

深度學(xué)習(xí)是指在主動加工、深度理解的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)者能夠批判性地學(xué)習(xí)新知識，并將它們?nèi)谌朐械恼J(rèn)知結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過高水平思維過程，靈活運(yùn)用所學(xué)知識和能力，解決實(shí)際問題的一種學(xué)習(xí)方式。 STEM 項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動強(qiáng)調(diào)問題驅(qū)動、跨學(xué)科整合、情境與合作等，將分散的學(xué)科領(lǐng)域融合于解決問題的項(xiàng)目活動，運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等領(lǐng)域知識與技能解決現(xiàn)實(shí)問題，達(dá)到對學(xué)科的核心概念和關(guān)鍵原理的深刻理解。生活化的 STEM 項(xiàng)目注重知識與實(shí)踐相結(jié)合，注重學(xué)科知識的整合，有利于發(fā)展學(xué)生的綜合素養(yǎng)，是促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的重要途徑和方法。下面以人教版生物學(xué)《選擇性必修1·穩(wěn)態(tài)與調(diào)節(jié)》第一章第二節(jié)中探究實(shí)踐活動“模擬生物體維持 pH 的穩(wěn)定”為例，嘗試在高中生物教學(xué)實(shí)踐中開發(fā)設(shè)計(jì)融入深度學(xué)習(xí)的STEM項(xiàng)目。

1 ?基于深度學(xué)習(xí)的STEM項(xiàng)目活動流程設(shè)計(jì)思路

1.1 STEM 項(xiàng)目活動目標(biāo)指向?qū)W生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展

STEM 項(xiàng)目活動可有效對技術(shù)、工程以及綜合數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力、解決問題能力以及批判性思維，完成對生物學(xué)概念的深刻理解。本章節(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容的核心概念是“穩(wěn)態(tài)”。針對這一核心概念所體現(xiàn)的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，設(shè)計(jì)如下活動目標(biāo)：①?通過“模擬生物體維持 pH 的穩(wěn)定”的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)科學(xué)探究的過程，形成基于生物學(xué)事實(shí)和證據(jù)，通過歸納與概括探討生命現(xiàn)象及規(guī)律的科學(xué)思維能力;②?通過內(nèi)環(huán)境 pH 穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制的探究認(rèn)同生命系統(tǒng)具有維持自身相對穩(wěn)定狀態(tài)的特性和能力，形成“穩(wěn)態(tài)與平衡”的生命觀念;③?通過聯(lián)系對“酸堿體質(zhì)理論”的科學(xué)認(rèn)識和評價(jià)，學(xué)會用生物學(xué)知識對現(xiàn)實(shí)問題做出理性解釋、判斷及解決問題的意識，辨別偽科學(xué)，樹立并傳播健康生活理念，能用健康生活理念指導(dǎo)自己和身邊人健康生活，增強(qiáng)社會責(zé)任感。

1.2 基于高中生拓展性思維的認(rèn)知深度設(shè)計(jì) STEM

活動流程

高中生能夠分析和整合多源信息，解決真實(shí)生活中的復(fù)雜問題并對解決方案進(jìn)行反思、評價(jià)和調(diào)整。因此，本STEM項(xiàng)目開發(fā)圍繞“穩(wěn)態(tài)”這一生物學(xué)核心概念，以情境化的問題解決為導(dǎo)向，構(gòu)建學(xué)生相互合作、自主探索的學(xué)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生通過調(diào)查研究、實(shí)驗(yàn)論證、小組合作、批判評價(jià)等方式完成對重要概念知識深入理解，并能將知識遷移到新的情境中加以運(yùn)用，形成能夠適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展的必備品格和關(guān)鍵能力。項(xiàng)目涉及的主要科學(xué)理論有：生物模擬實(shí)驗(yàn)和對比實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與分析、科學(xué)實(shí)驗(yàn)的工程學(xué)素養(yǎng)、生物概念模型的建立、pH 的測定技術(shù)方法、緩沖液的化學(xué)反應(yīng)原理、數(shù)據(jù)的科學(xué)分析與處理等。依據(jù)深度學(xué)習(xí)的理念設(shè)計(jì)的STEM項(xiàng)目活動流程如圖1所示。

2 ?融入深度教學(xué)理念的STEM項(xiàng)目活動過程

教師通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，鋪展探究式支架，再利用邏輯化、評價(jià)性支架加以提升，引領(lǐng)學(xué)生高投入地完成學(xué)習(xí)項(xiàng)目過程中建構(gòu)結(jié)構(gòu)化的知識體系，使學(xué)生領(lǐng)悟獲得知識內(nèi)容的方法與思維。

2.1 確定項(xiàng)目主題，創(chuàng)設(shè)情境任務(wù)，搭建探究支架

教師在STEM 項(xiàng)目活動中引入真實(shí)生活情境，讓學(xué)生在現(xiàn)實(shí)生活情境為支架的情況下實(shí)現(xiàn)知識符號與現(xiàn)實(shí)生活的相互轉(zhuǎn)化;引導(dǎo)學(xué)生開展深度學(xué)習(xí)為導(dǎo)向的實(shí)際操作破解實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)，提升學(xué)生的工程素養(yǎng)。本項(xiàng)目活動以“社會上流傳甚久的‘酸堿體質(zhì)理論引起的居民對飲用水酸堿度的擔(dān)憂”導(dǎo)入新課，激發(fā)了學(xué)生強(qiáng)烈的探究欲望。

2.1.1 情境任務(wù)1

教師演示混合酸堿指示劑在不同的pH條件下顏色發(fā)生變化的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)的顏色變化迅速直觀，學(xué)生可以很快發(fā)現(xiàn)豬血清加入酸或堿后變化顏色變化范圍較小，與自來水差異性很大，而與磷酸緩沖液非常接近。針對此現(xiàn)象，教師提出問題：人體體液的酸堿度是否會受到飲食酸堿度的影響？并引導(dǎo)學(xué)生利用豬血清來代替人體的內(nèi)環(huán)境，比較向自來水、磷酸緩沖液、豬血清中先加入混合酸堿指示劑，再加入酸性物質(zhì)（物質(zhì)量濃度為0.1 mol/L 的 HCl 溶液）或堿性物質(zhì)（物質(zhì)量濃度為0.1 mol/L 的NaOH 溶液）后溶液顏色的變化。

2.1.2 情境任務(wù)2

任務(wù)1 能夠使學(xué)生迅速直觀地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但無法得出pH變化的準(zhǔn)確范圍。教師為了能夠使學(xué)生更加準(zhǔn)確地了解3種溶液加入酸或堿后pH 的變化，引導(dǎo)學(xué)生利用pH 計(jì)來進(jìn)行精確地測量，并要求學(xué)生以表格的形式（表1）呈現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。

這一任務(wù)設(shè)計(jì)不僅可以讓學(xué)生掌握正確使用pH 計(jì)這一生物學(xué)、化學(xué)實(shí)驗(yàn)常用儀器的使用技能，還可以讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)自變量、因變量設(shè)計(jì)表格，鍛煉數(shù)據(jù)分析能力。為了避免實(shí)驗(yàn)誤差，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，教師還需要引導(dǎo)學(xué)生重復(fù)3次測量，或利用平行組之間的數(shù)據(jù)求平均值，增強(qiáng)了學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、規(guī)范操作的科學(xué)探究意識。

2.1.3 情境任務(wù)3

利用數(shù)學(xué)工具分析問題是生物科學(xué)研究的常用方法。教師引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，有利于培養(yǎng)他們“透過現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)本質(zhì)”的洞察力以及簡約嚴(yán)密的思維品質(zhì)，使學(xué)生體驗(yàn)具體與抽象之間的思維模式轉(zhuǎn)化。由于獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果呈現(xiàn)起來直觀性不強(qiáng)，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)制作3種溶液pH變化的曲線圖。在這一過程中，學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)思維對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深度梳理，通過表格設(shè)計(jì)、結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷冗^程促進(jìn)遷移知識、概念建構(gòu)，思維綜合訓(xùn)練、邏輯檢驗(yàn)和數(shù)學(xué)推理等能力。任務(wù)2、任務(wù)3正是基于上述目的而進(jìn)行的項(xiàng)目設(shè)計(jì)。

2.2 聯(lián)系相關(guān)學(xué)科，闡明問題本質(zhì)

教師聯(lián)系化學(xué)學(xué)科知識，提出問題：緩沖液為什么能夠減緩酸堿對溶液pH 的影響呢？教師以此問題引導(dǎo)學(xué)生回憶緩沖液的特點(diǎn)：緩沖液中存在緩沖對，如本實(shí)驗(yàn)中所用的磷酸緩沖液是由NaH2PO4/Na2HPO4 組成。當(dāng)溶液中酸性物質(zhì)增加時：HPO42-+H+→H2PO4- （H+少）或 H3PO4（H+多）。溶液中堿性物質(zhì)增加時： H2PO4-+OH-→HPO42-（OH-少）或PO43-（OH-多）。學(xué)生討論、解釋緩沖對可以抵消外加酸、堿對溶液酸堿度影響的原因。在此基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生分析人體血漿的成分，使學(xué)生發(fā)現(xiàn)內(nèi)環(huán)境中含有 HCO3-/H2CO3、 HPO42-/H2PO4-等多對緩沖物質(zhì)，厘清人體血漿能夠?qū)M(jìn)入內(nèi)環(huán)境的酸堿物質(zhì)起到緩沖作用的本質(zhì)原因。

2.3 基于問題解決建構(gòu)新知

生物學(xué)科不是科學(xué)事實(shí)的簡單堆砌，而是一個概念體系。教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建概念體系，避免知識的割裂和片段化。通過深度學(xué)習(xí)達(dá)成學(xué)科知識內(nèi)容的高階目標(biāo)，掌握更為深層的本質(zhì)屬性和內(nèi)在聯(lián)系。

教師引導(dǎo)學(xué)生思考：與模擬實(shí)驗(yàn)直接加入酸、堿不同，生物體內(nèi)環(huán)境中酸、堿性物質(zhì)的來源是什么？與內(nèi)環(huán)境中緩沖物質(zhì)發(fā)生緩沖反應(yīng)后的代謝產(chǎn)物（碳酸鹽和 CO2等）的去向又是哪里？師生共同梳理完善機(jī)體保持pH 穩(wěn)定的調(diào)節(jié)機(jī)制：進(jìn)入內(nèi)環(huán)境的酸堿物質(zhì)主要由細(xì)胞代謝產(chǎn)生和從食物中獲取，當(dāng)機(jī)體代謝產(chǎn)生乳酸等酸性物質(zhì)進(jìn)入血漿后，與NaHCO3中和反應(yīng)生成乳酸鈉和 H2CO3，H2CO3分解成 CO2和 水，過多的 CO2會經(jīng)過呼吸系統(tǒng)排出體外;而當(dāng)堿性食物通過消化系統(tǒng)進(jìn)入內(nèi)環(huán)境后，會與H2CO3發(fā)生反應(yīng)生轉(zhuǎn)化為碳酸氫鹽。過多的碳酸氫鹽（無機(jī)鹽）通過泌尿系統(tǒng)排出體外。最終，學(xué)生通過構(gòu)建內(nèi)環(huán)境維持酸堿平衡涉及的系統(tǒng)和器官概念模型（圖2），構(gòu)建起“不同于靜態(tài)的緩沖溶液，生物體不僅存在緩沖物質(zhì)，還會通過包括呼吸、消化、循環(huán)、泌尿等多個系統(tǒng)和器官協(xié)調(diào)配合保持內(nèi)環(huán)境的動態(tài)平衡”的概念。

2.4 內(nèi)化遷移、實(shí)踐應(yīng)用

深度學(xué)習(xí)是對所學(xué)知識進(jìn)行批判性理解、整合性建構(gòu)以及創(chuàng)新性遷移的一種學(xué)習(xí)方式。教師在項(xiàng)目活動過程中引導(dǎo)學(xué)生基于資料和證據(jù)對自己和他人的主張進(jìn)行質(zhì)疑或辯護(hù)，有利于學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展和科學(xué)探究能力的培養(yǎng)，內(nèi)化所學(xué)知識。

教師結(jié)合本節(jié)課內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生討論問題“你如何看待和評價(jià)‘酸堿體質(zhì)理論”，為學(xué)生提供運(yùn)用所學(xué)新知辨別生活中科學(xué)問題的機(jī)會。

2.5 整合拓展、角色體驗(yàn)

教師聯(lián)系學(xué)生的生活，提出問題：若你身邊的親朋好友為了健康而購買、引用堿性水，你會怎么做？學(xué)生在理解生物體維持pH 穩(wěn)定機(jī)制的基礎(chǔ)上，整合拓展，形成對問題的認(rèn)識。最后，教師要求學(xué)生通過呈現(xiàn)實(shí)證，科學(xué)地解釋人體內(nèi)環(huán)境pH 穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)機(jī)制，并學(xué)會運(yùn)用所學(xué)知識辨別生活中的實(shí)際問題，指導(dǎo)自己和身邊人健康生活。

深度學(xué)習(xí)的基本特征之一是價(jià)值與評價(jià)。在知識與信息爆炸式增長的時代，科學(xué)與偽科學(xué)是一個長期共存的狀態(tài)。因此，教師在項(xiàng)目活動中引導(dǎo)學(xué)生在質(zhì)疑過程中發(fā)展批判性思維，在評價(jià)過程中感受和培育學(xué)科精神，具有重要的意義。

3 ?項(xiàng)目活動的總結(jié)與反思

本項(xiàng)目以高中生物學(xué)課程內(nèi)容為背景，基于中學(xué)生認(rèn)知層次和深度學(xué)習(xí)的需求而開展的，趣味化、任務(wù)化、實(shí)踐化、生活化的 STEM 項(xiàng)目活動可以有效地幫助學(xué)生完成深度學(xué)習(xí)。教師指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用蘊(yùn)含高階思維的科學(xué)探究活動獲取證據(jù)，基于事實(shí)和證據(jù)分析生物體維持 pH 的穩(wěn)定這一生命現(xiàn)象及背后的調(diào)節(jié)機(jī)制;學(xué)生在構(gòu)建數(shù)學(xué)模型與概念模型過程中提升科學(xué)思維能力和探究能力，體悟到穩(wěn)態(tài)與平衡這一生命觀念。通過對“酸堿體質(zhì)理論”這一偽科學(xué)的批判性評價(jià)，學(xué)生學(xué)會用辯證唯物主義世界觀看待事物，有助于形成正確認(rèn)知觀。教師為學(xué)生創(chuàng)造探究、展示、交流平臺，讓深度學(xué)習(xí)成為每個學(xué)生學(xué)習(xí)的習(xí)慣。

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