基于深度學習的高中生物學STEM項目學習探究

［摘 要］基于深度學習的高中生物學STEM項目學習探究，對于新時代的教育改革具有重要意義。通過結合深度學習的先進理念和STEM教育的實踐方法，STEM項目學習旨在培養學生的高階思維、創新能力和問題解決能力。文章結合高中生物學教學實踐設計出了富有挑戰性的項目學習活動，旨在引導學生主動參與、積極探究，通過實踐、合作與反思，促進學生對生物學知識的深度理解和應用。STEM項目學習這種新型學習模式有助于激發學生的生物學學習興趣，提升學生的學科核心素養，為培養21世紀所需的生物學人才奠定堅實的基礎。

［關鍵詞］深度學習；高中生物學；STEM項目學習

［中圖分類號］" " G633.91" " " " ［文獻標識碼］" " A" " " " ［文章編號］" " 1674-6058（2024）20-0082-03

深度學習作為一種高階學習，正逐漸改變學生對知識獲取與應用的認知。而STEM教育，以其跨學科、實踐性的特質，為教育創新提供了新的視角。在這樣的背景下，探究如何將深度學習與高中生物學STEM項目學習相融合，不僅是教育領域的一項挑戰，更是培養新時代創新人才的迫切需求。通過深度融合這兩大教育理念，我們有望為學生打造一個更加豐富、具有挑戰性和深度的學習體驗場，助力學生在不斷的探索與實踐中成長為具有批判性思維、創新精神和跨學科解決問題能力的綜合型人才。

一、深度學習與STEM項目學習的概述

深度學習是一種基于高階思維的學習方式，它要求學習者在理解核心概念的基礎上，通過反思和批判性思考來提升綜合思維能力，并重新構建知識和技能框架。在生物學中，深度學習涉及對新情境下生物學問題的多層次分析，是發展高階思維的學習過程。基于項目學習的STEM教育則為學生提供真實情境的學習體驗，這有助于學生學習和解決問題，促進學生對科學（S）、技術（T）、工程（E）和數學（M）領域概念的理解。在STEM項目學習中，學生可以通過實驗探究和創新實踐來解決真實問題，從而鍛煉批判性思維。STEM項目學習設計注重新情境下的知識構建和跨學科融合，以真實問題為基點，通過新情境下的問題驅動來引導學生解決問題。這種學習方式以實驗探究為主線，強調創新與實踐，并以思維發展為目標，在項目活動過程中促進學生形成可視化思維。這有助于學生提升學科核心素養，并促進學生的深度學習。

二、高中生物學STEM項目學習的設計原則

基于深度學習的STEM項目學習在生物學領域具有重要的應用價值，它可以幫助學生發展高階思維，提高解決問題的能力，并促進學生對生物學核心概念和跨學科知識的理解和應用[1]。高中生物學STEM項目學習應遵循以下設計原則。

（一）以學生為中心

在基于深度學習的高中生物學STEM項目學習中，學生不僅是知識的接受者，更是學習的主體和創造者，因此以學生為中心是高中生物學STEM項目學習設計的首要原則。這意味著項目的主題和內容應與學生的興趣和實際需求緊密結合，以激發他們的學習興趣和內在動力。同時，尊重學生的個體差異，為學生提供多元化的學習路徑和資源，以滿足不同層次學生的學習需求。在高中生物學STEM項目學習過程中，給予學生更多的決策權，讓他們自主選擇研究方向、制訂實驗計劃等，從而培養其自主性和責任感。這樣的設計原則旨在確保學生在項目學習中處于中心地位，能夠積極參與并主導自己的學習過程，進而實現深度學習和全面發展[2]。

（二）強調問題驅動與真實情境相融合

深度學習強調對知識的深度理解和應用，而問題驅動和真實情境作為實現這一目標的有效手段，在項目學習設計中發揮著重要作用。選擇與現實世界緊密相關的生物學問題作為項目主題，如環境保護、基因編輯等，可以使學生將所學知識與實際問題相結合，培養其解決實際問題的能力。同時，通過模擬真實情境或實地考察，讓學生在具體環境中感受問題的復雜性和多樣性，這有助于提升學生對問題的理解能力和應對能力。此外，設計一系列相互關聯的問題鏈，可以引導學生由淺入深、由表及里地探究問題本質，促進其對生物學知識的深度理解。高中生物學STEM項目學習應遵循問題驅動與真實情境相融合的設計原則，旨在為學生提供一個富有挑戰性和探索性的學習環境，激發其探究欲望和創新思維，培養其成為具有批判性思維和解決問題能力的人才。

（三）注重跨學科整合與遷移應用

STEM教育的核心在于跨學科整合，而深度學習則強調知識的遷移和應用，因此在項目學習設計中應注重跨學科元素的融入。這意味著鼓勵學生從生物學、化學、物理、數學等多學科視角審視問題，培養其跨學科思維和解決問題的能力。通過引入先進的技術工具和平臺，如基因編輯技術、生物信息學軟件等，可以讓學生在實踐中體驗科技的力量和魅力，進一步拓寬其視野和提升其能力。同時，鼓勵學生將所學的生物學知識和方法應用于其他領域或實際問題，如將生態學原理應用于環境保護、將遺傳學知識應用于醫學診斷等，可以促進學生對知識的遷移和應用，培養其創新精神和實踐能力。高中生物學STEM項目學習注重跨學科重合與遷移應用，旨在打破學科壁壘，促進學生全面發展[3]。

三、高中生物學STEM項目學習的實施步驟

（一）確定項目主題

在高中生物學STEM項目學習中，提出問題是引導學生思考和探究的關鍵環節。通過提出問題，可以激發學生的好奇心和求知欲，引導他們深入思考和探索，從而確定具有探究性和實際意義的項目主題。以人教版生物學選擇性必修3《生物技術與工程》中的“制作傳統發酵食品”為例，教師首先展示各種傳統發酵食品的圖片或實物，并簡要介紹其歷史和制作過程，為后續的提問做鋪墊。其次，在引入情境的基礎上，提出一系列與發酵食品相關的問題，如這些食品是如何制作的？需要哪些原料和工具？ 在制作過程中，微生物起到了怎樣的作用？它們是如何影響食品的口感和營養的？ 不同的發酵條件會對最終產品產生怎樣的影響？如何控制發酵條件？ 傳統發酵食品與現代工業化生產的食品有何異同？它們各自有哪些優缺點？最后，讓學生對這些問題進行分析和討論，明確每個問題的研究價值，并選擇自己感興趣且有能力解決的問題進行研究。在分析問題的基礎上，學生需要篩選出具有探究性和實際意義的問題作為項目主題。如根據本節課的教學內容，學生可以選擇“如何制作傳統的發酵食品”作為項目主題。這樣的教學，使學生成功地通過提出問題確定項目主題，并開展一次有意義的STEM項目學習[4]。

（二）制訂項目計劃

在確定項目主題為“如何制作傳統的發酵食品”后，為保證項目學習能夠順利進行并取得理想效果，教師可讓學生制訂詳盡的項目計劃。此項目學習的核心目的在于讓學生深入理解傳統發酵食品的制作原理與流程，熟悉基本的發酵工藝及操作技巧，研究各種發酵條件對食品質量的潛在影響。為達成上述目標，可設計如下一系列具體任務：收集和研讀與傳統發酵食品制作有關的文獻和資料，選定某種傳統發酵食品作為研究焦點并深入了解其歷史、文化及制作工藝，親手制作該食品并記錄詳細的制作流程和感悟，分析制作過程中的關鍵要素及其對食品質量的影響，撰寫綜合性的項目報告以及通過展示等形式分享制作經驗和成果。在項目的時間規劃上，總共設定為六周，每一周都有確切的工作重點與預期目標。在資源籌備方面，讓學生根據選定的傳統發酵食品的特性準備相應的原材料，配備必要的工具和設備，選擇符合衛生標準的廚房或實驗室作為制作場所，同時尋求專業教師或行業專家的幫助。通過一系列的學習與實踐活動，學生首先能夠更深入地理解傳統發酵食品的制作原理與流程，掌握基礎的發酵工藝和操作技巧，并對傳統食品文化產生熱愛，從而為實現中華優秀傳統文化的傳承和發揚貢獻力量[5]。

（三）項目執行

以傳統發酵食品——泡菜的制作為例。泡菜制作項目執行階段是學生進行深度學習的重要環節。在這個階段，學生在教師的指導下，積極探索并應用科學、技術、工程和數學等多學科知識。該項目的核心目標是通過讓學生親身實踐，培養學生的求證能力和科學思維[6]。

在項目開始時，首先讓學生了解泡菜的制作原理。他們了解到，泡菜的制作依賴于乳酸菌在無氧環境下的發酵作用，在發酵過程中，乳酸菌將蔬菜中的糖分轉化為乳酸，從而賦予泡菜獨特的酸味和口感。為了進一步掌握這一科學原理，學生還應學習乳酸菌的生長條件，如溫度、pH值和鹽濃度等，并探討這些條件如何影響發酵過程和泡菜的最終品質。接著，讓學生開始學習使用專業的發酵裝置，如密封罐和溫度計等，以確保發酵環境的穩定性和一致性。同時，讓學生掌握測量和記錄數據的方法，如使用pH試紙檢測泡菜的酸堿度，以及使用鹽度計測量鹽濃度等。這些技術手段的運用不僅提高了學生制作泡菜的技能，還培養了他們的實驗設計和數據分析能力。在教師的協助下，學生開始制訂泡菜制作的詳細步驟和時間表。學生可根據所學的知識，精心選擇和處理蔬菜，配制適量的鹽水，并嚴格控制發酵時間。為了探究不同發酵條件對泡菜品質的影響，還應讓學生設計不同的實驗方案，比較不同溫度、鹽濃度和發酵時間下的泡菜品質差異，并嘗試解釋這些差異的原因。最后，讓學生品嘗自己制作的泡菜，對實驗結果進行直接驗證。通過品嘗泡菜，學生感受到了不同發酵條件對泡菜口感和風味的影響。

泡菜制作項目執行階段不僅教授了學生制作泡菜的具體技術和方法，更重要的是通過實踐探究培養了學生的科學思維能力和求證精神。在這個過程中，學生學會了如何提出問題、設計實驗、收集和分析數據以及驗證假設并得出結論，這對于他們未來的學習和生活都具有重要意義。

（四）分享交流成果

“制作傳統發酵食品——泡菜”這一項目活動聚焦“泡菜發酵過程中的微生物作用及其影響因素”這一中心議題，意在引領學生感知問題、剖析問題、解決問題，從而獲取新知，并鼓勵他們積極運用新思維，立足實證進行深入的學習和推理。學生細致地觀察并記錄泡菜發酵過程中的種種變化，通過解釋與驗證來鞏固新知，在此基礎上進一步思索“如何改善泡菜的發酵環境以提升其品質”，將所學的知識內化。在此過程中，學生的個性思維得以展現，并與集體智慧相融合，使他們在追求共識與創新的過程中實現了知識的內化遷移。同時，通過教師精心構建的任務與問題解決平臺，學生得以熟練掌握和應用相關技術，在不斷提煉與反思中，優化和完善泡菜的制作流程。在這一系列過程中，學生不僅提升了技術素養和工程素養，還增強了自身的社會責任感。

（五）反思評價過程

在“制作傳統發酵食品——泡菜”STEM項目學習中，學生問題意識始終被置于核心位置，旨在借助問題引領學生實現深度學習。教師以全局視角進行教學設計，創設新情境，確保學生的學習可以突破制作泡菜這一實踐層面，延伸至對食品發酵科學原理的深入探索。這一延伸性的學習要求學生綜合運用先前獲得的知識進行綜合分析，并強調他們在調查探究、合作交流、反復驗證、自我反思以及創新應用等方面的能力。

在交流共享環節，讓不同的學生聚在一起，分享各自在制作泡菜過程中的經驗、見解與疑問。這種交流不僅促進了知識在不同個體間的流動與碰撞，更激發了學生探索跨學科領域的興趣。通過交流，學生發現在看似簡單的泡菜制作中，涵蓋了生物學中的微生物發酵、化學中的酸堿平衡、物理學中的熱傳導等科學原理，甚至涉及數學中的數據統計與分析技巧[7]。

通過這次項目學習，學生不僅習得了泡菜制作的實踐技能，更重要的是領悟了如何綜合運用不同學科的知識與技能來分析和解決問題。這種跨學科的項目學習不僅提升了學生的元認知能力，而且為他們深度學習和創新實踐奠定了堅實的基礎。

綜上所述，基于深度學習的高中生物學STEM項目學習不僅有助于學生對生物學知識的深入理解，更能夠提升他們的跨學科思維能力、實踐能力和創新能力。因此，教師應該充分認識到STEM教育的價值，在高中生物學教學中積極推進STEM項目學習，讓學生在實踐中探索，在探索中創新，在創新中成長。同時，也需要不斷完善STEM項目學習的設計和實施策略，確保STEM項目學習與課程目標緊密結合，真正發揮其在培養學生核心素養和綜合能力方面的作用。展望未來，隨著科技的不斷進步和教育改革的深入推進，我們有理由相信，基于深度學習的高中生物學STEM項目學習將在促進學生全面發展、培養創新型人才方面發揮更加重要的作用。

［" "參" "考" "文" "獻" "］

[1]" 侯松濤.基于深度學習的高中生物STEM項目設計：以“模擬生物體維持pH的穩定”為例[J].中學生物學，2022，38（3）：12-14.

[2]［3］" 付鑫.基于高中生物學課程資源進行STEM項目的設計思路與案例[J].生物學通報，2018，53（3）：34-38.

[4]" 康根城.基于深度學習的高中生物學“情境—問題式”教學模式探究[J].中學生物學，2023，39（7）：30-32.

[5]" 羅福海.STEM教育視角下的實驗改進：以“探究植物細胞的吸水和失水”實驗改進為例[J].中小學實驗與裝備，2021，31（5）：45-46.

[6]" 張璐，陳欣.我國中學生物學STEM教育研究現狀與趨勢：基于2016-2021年STEM教育文獻分析[J].福建基礎教育研究，2022（10）：126-128.

[7]" 朱云鵬.基于生物學學科核心素養的實驗教學創新：以“探究生物體維持pH穩定的機制的實驗”為例[J].中學生物學，2019，35（5）：42-43.

（責任編輯 羅 艷）