設計思維在高中生物教學中的應用初探

汪久佳

摘 要：設計思維作為一種新的理念和路徑契合了當前我國創新人才培養的需求，為教育改革提供了新的路徑。本文結合教學實踐案例，嘗試剖析設計思維貫徹新課標的有效性及在高中生物教學中的建構方式。

關鍵詞：設計思維，高中生物教學

中圖分類號：G633.91 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1992-7711（2020）03-087-2

一、設計思維的內涵

1.設計思維的概念

設計思維譯自英文術語“Design Thinking”。不同的學者對設計思維的理解不同。有學者認為，設計思維是通過給學習者提供恰當的思維支架及方法支持，引導學習者從定義問題開始，逐步掌握創意構思、原型迭代、測試等一系列創新方法技能，最終實現問題的創新解決或產品的創新設計[1]。概括起來，設計思維就是一套以人為本的解決問題的方法論，這種方法論強調解決問題要從人的需求出發，多角度地尋求創新解決方案，并創造更多的可能性。[2]

生物核心素養講求科學創新實踐能力的培養，因此把設計思維方式引鑒到生物教學實踐中去，那將對學生21世紀核心技能的發展具有重要意義，為學校學科教學方式的變革提供一種新途徑。

2.設計思維的經典模型

斯坦福設計研究院的EDIPT模型為學習者提供了一套經典的系統模式。它包含同理心、定義問題、構想、原型和測試等五個階段。需要關注的是，該思維模型的五個階段步驟是非線性關系，即使用者可以在任何時間段重復某些特定的階段或是整個過程。

在美國的“設計思維融入課堂教學項目”中，同理心又被分為理解和觀察，形成了如圖1所示的設計思維過程框架。[3]

我們可以看到，設計思維是一套創新性解決問題的方法論體系，設計思維過程促進學習者在真實體驗中實現心智轉變。二、設計思維應用于高中生物教學例析

1.設計思維在高中生物教學中的可行性

設計思維與《普通高中生物學課程標準》（2017年版）所倡導的核心精神高度一致，擁有共通的教育理念。新課標強調在探究教學中培養學生的核心素養，而核心素養是個體在解決復雜、不確定的實際問題過程中表現出來的綜合品質。生物學科探究教學為學生提供了真實的問題情境，學生在體驗各種研究任務中，經歷了理解、觀察、猜想、解釋等環節，與設計思維經典模型的一般程序相吻合。設計思維也是以學生發展為中心，強調對學生創新精神、問題解決等綜合能力的培養，強調以學生為中心的體驗，是基于真實問題的探究性實踐。這些在“精神上”的有效契合及在目標上的一致性，正是設計思維可以應用于生物學科教學的前提和基礎。

2.設計思維在高中生物教學中的具體應用

在高中生物教學中，基因工程、細胞工程等選修技術本身也是“工程設計”的范疇，許多科學家同時也是“工程設計師”和“市場調查師”。為了進一步說明設計思維與高中生物教學深度融合的實踐應用，筆者以設計“葡萄酒發酵”為例。

（1）同理心——提出問題

同理心也就是“共情”。它的核心目標是為了了解應用者的需求。本案例設計源于生物選修教材傳統發酵技術的應用之“果酒的制作”實驗。剛開始學生實驗時選擇發酵容器，有的用醬菜玻璃瓶，有的塑料飲料瓶。結果發酵沒幾天因有學生忘記擰松瓶蓋放氣，有玻璃瓶發生爆瓶，也有塑料瓶的瓶蓋被沖出，果酒發酵液甚至被噴至天花板，實驗室里一片狼藉。學生對使用的發酵容器有諸多不滿之處，那么這些不滿意不正是發酵罐需要去創新改進的地方嗎？因此，在課前，筆者就讓學生通過親身經歷，調查記錄對發酵裝置的不滿之處。

（2）定義問題——明確問題

該階段需要在大量的信息碎片中努力尋找盡可能多的需求點，并對它進行思維加工，定義出一個有意義且可操作的問題。通過分組討論，大家先明確問題，是什么導致瓶蓋被沖出？大家通過先前了解的前概念，知道葡萄中有大量的葡萄糖，經過發酵，大部分葡萄糖被分解成酒精和CO2，少部分葡萄糖被徹底氧化分解成CO2和水。因為發酵罐是封閉的，管內產生了大量的CO2導致內外氣壓不平衡，所以果酒發酵液才會噴出。于是學生通過分析，設想如果能讓發酵罐自動放氣，那么爆瓶的問題也就迎刃而解了。

（3）構想——分析問題

該階段是著手解決問題的關鍵，通過各種方式刺激更多想法的生成，盡可能多地提出各種問題解決的方法，從而打破慣性思維。這一步有的小組學生就討論到了初中學過的巴斯德的“鵝頸瓶”，如果能夠模擬“鵝頸瓶”，有一個長而彎曲的排氣口，那么既可以排出氣體，又可以避免雜菌感染。大家一致覺得很有道理。還有的小組想到了有一款飲料“尖叫”，它的瓶子瓶蓋有特殊設計，它被設計成了類似于奶嘴的樣子，可以通過“奶嘴”吮吸飲料，瓶子倒置時液體不會漏出來，而且瓶內外又是相通的，可以到時自動放氣的目的。

（4）原型——解決問題

原型就是充分利用身邊唾手可得的材料快速將想法表現出原始模型的過程。學生可以用模型，電腦繪圖工具、畫圖紙等，綜合適合自己小組的展示形式。各小組通過構想，有的小組就地取材拿了“尖叫”的瓶子來進行果酒發酵實驗，有的小組模擬“鵝頸瓶”在廣口瓶的蓋子上連了一根長而彎曲的橡皮管，作為發酵裝置。結果是不是可行呢？需要測試才能知道結果。

（5）測試——優化方案

測試就是使用實現的產品原型，或模擬環境來嚴格測試問題是否得到解決，需求是否得到滿足。它是該模式的最后一步。在這一環節，一些想法可能會被重新定義，甚至發現新的問題。幾個小組都展示了自己的發酵裝置。“鵝頸瓶”小組提出“鵝頸瓶”的瓶口太小，發酵液不易裝入，且裝置材料不易獲得，實驗開展不方便。“尖叫”小組反應“尖叫”裝置容器太小，裝不了多少發酵液，還有就是瓶口也較小，發酵液裝入進瓶中還是有些難度。大家又陷入沉思，考慮有沒有更好的裝置。

這時筆者給學生展示透明的泡菜壇子，瓶口大，容積也夠大，水密封設計，密封后瓶內氣體只出不進，可以避免雜菌的進入，當瓶子內部氣體大量產生時會頂起倒扣的碗來放氣。大家一下子就有了興趣，急不可待的要進行測試。實際測試后，自動放氣的問題解決了，但是大家又發現了新問題，最突出的就是發酵液很難取出，其次發酵液性質不穩定。于是筆者又引導學生思考如何改進裝置。有小組提出如果能在泡菜壇子下面裝個水龍頭就能方便取出發酵液了。

學生經歷了“鵝頸瓶”“尖叫”“泡菜壇子”“水龍頭版泡菜壇子”的測試，通過不斷改進發酵裝置，學生不僅掌握了生物學科知識，還能利用生物學科知識應用于更加復雜的生產實踐中，學生的設計思維也有了螺旋式上升與發展。

運用設計思維工具指導高中生物教學，是一種嶄新的課程安排思路和形式，也是一種新穎的教學模式，可以讓教師教學有激情，學生學習有動力，此外，該模型的運用既讓學生掌握了學科知識，也讓學生鍛煉了批判性思維和創新思維，提高了動手能力、創新能力和問題解決能力。筆者還嘗試應用設計思維設計“葉綠體中色素提取和分離實驗的濾紙條形狀”“小型生態缸”“校園四位一體生態工程”等項目。

三、總結評析

設計思維對于提升基礎教育階段學生的思維品質有著非常大的幫助，也將助力于教學改革所倡導的深度學習與素質教育。將設計思維的培養融入學科教育的體系中，一方面可以幫助學生理解學科教育與真實世界的關系，通過真實體驗來感知學習的價值，另一方面可以有助于學生通過簡單的設計思維學習體驗，逐步將已經形成的設計思維使能到更加復雜的場景中。

實踐證明，培養學習者的設計思維，既可以幫助學生組織概念形成自洽的邏輯關系，提高課程教學的教學效率，也可以通過設計思維的過程來培養學生解決問題、持續創新的能力。

[參考文獻]

[1]閆寒冰，鄭東芳，李笑櫻.設計思維：創客教育不可或缺的使能方法論[J].電化教育研究，2017（06）.

[2]王佑鎂，郭靜，宛平，趙文竹.設計思維：促進STEM教育與創客教育的深度融合[J].電化教育研究，2019（03）.

[3]林琳，沈書生.美國“設計思維融入課堂教學項目”研究[J].比較教育研究，2019（07）.

[4]林琳.設計思維的概念內涵與培養策略[J].現代遠程教育研究，2016（06）.

（作者單位：南京市江寧高級中學，江蘇 南京210000）