基于深度學習的高中生物STEM項目設計

侯松濤

摘 要 基于深度學習理論開發設計高中生物學STEM 項目，通過精心設置情境任務驅動學生主動思考與交流，在探究實踐過程中完成對科學本質的理解。 學生通過主動探究、深度理解、合作交流，批判性地學習新知識，并將它們融入原有的認知結構中，經過高水平思維過程，靈活運用所學知識和技能解決實際問題。

關鍵詞 深度學習 ??STEM pH 穩態 ?生物學學科核心素養

中圖分類號 G633.91 ??文獻標志碼 B

深度學習是指在主動加工、深度理解的基礎上，學習者能夠批判性地學習新知識，并將它們融入原有的認知結構中，經過高水平思維過程，靈活運用所學知識和能力，解決實際問題的一種學習方式。 STEM 項目學習活動強調問題驅動、跨學科整合、情境與合作等，將分散的學科領域融合于解決問題的項目活動，運用科學、技術、工程和數學等領域知識與技能解決現實問題，達到對學科的核心概念和關鍵原理的深刻理解。生活化的 STEM 項目注重知識與實踐相結合，注重學科知識的整合，有利于發展學生的綜合素養，是促進學生深度學習的重要途徑和方法。下面以人教版生物學《選擇性必修1·穩態與調節》第一章第二節中探究實踐活動“模擬生物體維持 pH 的穩定”為例，嘗試在高中生物教學實踐中開發設計融入深度學習的STEM項目。

1 ?基于深度學習的STEM項目活動流程設計思路

1.1 STEM 項目活動目標指向學生生物學學科核心素養的發展

STEM 項目活動可有效對技術、工程以及綜合數據進行融合，從而培養學生的創造力、解決問題能力以及批判性思維，完成對生物學概念的深刻理解。本章節學習內容的核心概念是“穩態”。針對這一核心概念所體現的生物學學科核心素養，設計如下活動目標：①?通過“模擬生物體維持 pH 的穩定”的實驗體驗科學探究的過程，形成基于生物學事實和證據，通過歸納與概括探討生命現象及規律的科學思維能力;②?通過內環境 pH 穩態調節機制的探究認同生命系統具有維持自身相對穩定狀態的特性和能力，形成“穩態與平衡”的生命觀念;③?通過聯系對“酸堿體質理論”的科學認識和評價，學會用生物學知識對現實問題做出理性解釋、判斷及解決問題的意識，辨別偽科學，樹立并傳播健康生活理念，能用健康生活理念指導自己和身邊人健康生活，增強社會責任感。

1.2 基于高中生拓展性思維的認知深度設計 STEM

活動流程

高中生能夠分析和整合多源信息，解決真實生活中的復雜問題并對解決方案進行反思、評價和調整。因此，本STEM項目開發圍繞“穩態”這一生物學核心概念，以情境化的問題解決為導向，構建學生相互合作、自主探索的學習任務，讓學生通過調查研究、實驗論證、小組合作、批判評價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用，形成能夠適應終身發展和社會發展的必備品格和關鍵能力。項目涉及的主要科學理論有：生物模擬實驗和對比實驗的設計與分析、科學實驗的工程學素養、生物概念模型的建立、pH 的測定技術方法、緩沖液的化學反應原理、數據的科學分析與處理等。依據深度學習的理念設計的STEM項目活動流程如圖1所示。

2 ?融入深度教學理念的STEM項目活動過程

教師通過創設真實情境，鋪展探究式支架，再利用邏輯化、評價性支架加以提升，引領學生高投入地完成學習項目過程中建構結構化的知識體系，使學生領悟獲得知識內容的方法與思維。

2.1 確定項目主題，創設情境任務，搭建探究支架

教師在STEM 項目活動中引入真實生活情境，讓學生在現實生活情境為支架的情況下實現知識符號與現實生活的相互轉化;引導學生開展深度學習為導向的實際操作破解實驗難點，提升學生的工程素養。本項目活動以“社會上流傳甚久的‘酸堿體質理論引起的居民對飲用水酸堿度的擔憂”導入新課，激發了學生強烈的探究欲望。

2.1.1 情境任務1

教師演示混合酸堿指示劑在不同的pH條件下顏色發生變化的實驗。該實驗的顏色變化迅速直觀，學生可以很快發現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？并引導學生利用豬血清來代替人體的內環境，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（物質量濃度為0.1 mol/L 的 HCl 溶液）或堿性物質（物質量濃度為0.1 mol/L 的NaOH 溶液）后溶液顏色的變化。

2.1.2 情境任務2

任務1 能夠使學生迅速直觀地觀察到實驗現象，但無法得出pH變化的準確范圍。教師為了能夠使學生更加準確地了解3種溶液加入酸或堿后pH 的變化，引導學生利用pH 計來進行精確地測量，并要求學生以表格的形式（表1）呈現數據結果。

這一任務設計不僅可以讓學生掌握正確使用pH 計這一生物學、化學實驗常用儀器的使用技能，還可以讓學生根據實驗自變量、因變量設計表格，鍛煉數據分析能力。為了避免實驗誤差，保證實驗數據的準確性，教師還需要引導學生重復3次測量，或利用平行組之間的數據求平均值，增強了學生科學嚴謹、規范操作的科學探究意識。

2.1.3 情境任務3

利用數學工具分析問題是生物科學研究的常用方法。教師引導學生構建數學模型，有利于培養他們“透過現象發現本質”的洞察力以及簡約嚴密的思維品質，使學生體驗具體與抽象之間的思維模式轉化。由于獲取的實驗數據結果呈現起來直觀性不強，教師應引導學生根據實驗數據制作3種溶液pH變化的曲線圖。在這一過程中，學生運用數學思維對實驗結果進行深度梳理，通過表格設計、結果數據統計分析、構建實驗模型等過程促進遷移知識、概念建構，思維綜合訓練、邏輯檢驗和數學推理等能力。任務2、任務3正是基于上述目的而進行的項目設計。

2.2 聯系相關學科，闡明問題本質

教師聯系化學學科知識，提出問題：緩沖液為什么能夠減緩酸堿對溶液pH 的影響呢？教師以此問題引導學生回憶緩沖液的特點：緩沖液中存在緩沖對，如本實驗中所用的磷酸緩沖液是由NaH2PO4/Na2HPO4 組成。當溶液中酸性物質增加時：HPO42-+H+→H2PO4- （H+少）或 H3PO4（H+多）。溶液中堿性物質增加時： H2PO4-+OH-→HPO42-（OH-少）或PO43-（OH-多）。學生討論、解釋緩沖對可以抵消外加酸、堿對溶液酸堿度影響的原因。在此基礎上，教師引導學生分析人體血漿的成分，使學生發現內環境中含有 HCO3-/H2CO3、 HPO42-/H2PO4-等多對緩沖物質，厘清人體血漿能夠對進入內環境的酸堿物質起到緩沖作用的本質原因。

2.3 基于問題解決建構新知

生物學科不是科學事實的簡單堆砌，而是一個概念體系。教師應該引導學生構建概念體系，避免知識的割裂和片段化。通過深度學習達成學科知識內容的高階目標，掌握更為深層的本質屬性和內在聯系。

教師引導學生思考：與模擬實驗直接加入酸、堿不同，生物體內環境中酸、堿性物質的來源是什么？與內環境中緩沖物質發生緩沖反應后的代謝產物（碳酸鹽和 CO2等）的去向又是哪里？師生共同梳理完善機體保持pH 穩定的調節機制：進入內環境的酸堿物質主要由細胞代謝產生和從食物中獲取，當機體代謝產生乳酸等酸性物質進入血漿后，與NaHCO3中和反應生成乳酸鈉和 H2CO3，H2CO3分解成 CO2和 水，過多的 CO2會經過呼吸系統排出體外;而當堿性食物通過消化系統進入內環境后，會與H2CO3發生反應生轉化為碳酸氫鹽。過多的碳酸氫鹽（無機鹽）通過泌尿系統排出體外。最終，學生通過構建內環境維持酸堿平衡涉及的系統和器官概念模型（圖2），構建起“不同于靜態的緩沖溶液，生物體不僅存在緩沖物質，還會通過包括呼吸、消化、循環、泌尿等多個系統和器官協調配合保持內環境的動態平衡”的概念。

2.4 內化遷移、實踐應用

深度學習是對所學知識進行批判性理解、整合性建構以及創新性遷移的一種學習方式。教師在項目活動過程中引導學生基于資料和證據對自己和他人的主張進行質疑或辯護，有利于學生科學思維的發展和科學探究能力的培養，內化所學知識。

教師結合本節課內容，引導學生討論問題“你如何看待和評價‘酸堿體質理論”，為學生提供運用所學新知辨別生活中科學問題的機會。

2.5 整合拓展、角色體驗

教師聯系學生的生活，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？學生在理解生物體維持pH 穩定機制的基礎上，整合拓展，形成對問題的認識。最后，教師要求學生通過呈現實證，科學地解釋人體內環境pH 穩態的調節機制，并學會運用所學知識辨別生活中的實際問題，指導自己和身邊人健康生活。

深度學習的基本特征之一是價值與評價。在知識與信息爆炸式增長的時代，科學與偽科學是一個長期共存的狀態。因此，教師在項目活動中引導學生在質疑過程中發展批判性思維，在評價過程中感受和培育學科精神，具有重要的意義。

3 ?項目活動的總結與反思

本項目以高中生物學課程內容為背景，基于中學生認知層次和深度學習的需求而開展的，趣味化、任務化、實踐化、生活化的 STEM 項目活動可以有效地幫助學生完成深度學習。教師指導學生運用蘊含高階思維的科學探究活動獲取證據，基于事實和證據分析生物體維持 pH 的穩定這一生命現象及背后的調節機制;學生在構建數學模型與概念模型過程中提升科學思維能力和探究能力，體悟到穩態與平衡這一生命觀念。通過對“酸堿體質理論”這一偽科學的批判性評價，學生學會用辯證唯物主義世界觀看待事物，有助于形成正確認知觀。教師為學生創造探究、展示、交流平臺，讓深度學習成為每個學生學習的習慣。

參考文獻：

[1] 吳舉宏.促進深度學習的中學生物學教學策略[J].生物學教學，2017，42（10）：18-20.

[2] 左小琴，劉松.基于深度學習的生物學教學設計——以 “認識生物多樣性”為例[J].中學生物學，2020，36（6）：16-17.

[3] 陸庭鑾.促進化學深度學習的STEM 項目設計[J].化學教與學，2018，7（10）：2-5.

[4] 何紅星.深度學習視域下的生物學實驗教學策略[J ].生 物學教學，2020，45（6）：55-56.