基于深度学习的高中生物STEM项目设计

侯松涛

摘 要 基于深度学习理论开发设计高中生物学STEM 项目，通过精心设置情境任务驱动学生主动思考与交流，在探究实践过程中完成对科学本质的理解。 学生通过主动探究、深度理解、合作交流，批判性地学习新知识，并将它们融入原有的认知结构中，经过高水平思维过程，灵活运用所学知识和技能解决实际问题。

关键词 深度学习   STEM pH 稳态  生物学学科核心素养

中图分类号 G633.91   文献标志码 B

深度学习是指在主动加工、深度理解的基础上，学习者能够批判性地学习新知识，并将它们融入原有的认知结构中，经过高水平思维过程，灵活运用所学知识和能力，解决实际问题的一种学习方式。 STEM 项目学習活动强调问题驱动、跨学科整合、情境与合作等，将分散的学科领域融合于解决问题的项目活动，运用科学、技术、工程和数学等领域知识与技能解决现实问题，达到对学科的核心概念和关键原理的深刻理解。生活化的 STEM 项目注重知识与实践相结合，注重学科知识的整合，有利于发展学生的综合素养，是促进学生深度学习的重要途径和方法。下面以人教版生物学《选择性必修1·稳态与调节》第一章第二节中探究实践活动“模拟生物体维持 pH 的稳定”为例，尝试在高中生物教学实践中开发设计融入深度学习的STEM项目。

1  基于深度学习的STEM项目活动流程设计思路

1.1 STEM 项目活动目标指向学生生物学学科核心素养的发展

STEM 项目活动可有效对技术、工程以及综合数据进行融合，从而培养学生的创造力、解决问题能力以及批判性思维，完成对生物学概念的深刻理解。本章节学习内容的核心概念是“稳态”。针对这一核心概念所体现的生物学学科核心素养，设计如下活动目标：① 通过“模拟生物体维持 pH 的稳定”的实验体验科学探究的过程，形成基于生物学事实和证据，通过归纳与概括探讨生命现象及规律的科学思维能力;② 通过内环境 pH 稳态调节机制的探究认同生命系统具有维持自身相对稳定状态的特性和能力，形成“稳态与平衡”的生命观念;③ 通过联系对“酸碱体质理论”的科学认识和评价，学会用生物学知识对现实问题做出理性解释、判断及解决问题的意识，辨别伪科学，树立并传播健康生活理念，能用健康生活理念指导自己和身边人健康生活，增强社会责任感。

1.2 基于高中生拓展性思维的认知深度设计 STEM

活动流程

高中生能够分析和整合多源信息，解决真实生活中的复杂问题并对解决方案进行反思、评价和调整。因此，本STEM项目开发围绕“稳态”这一生物学核心概念，以情境化的问题解决为导向，构建学生相互合作、自主探索的学习任务，让学生通过调查研究、实验论证、小组合作、批判评价等方式完成对重要概念知识深入理解，并能将知识迁移到新的情境中加以运用，形成能够适应终身发展和社会发展的必备品格和关键能力。项目涉及的主要科学理论有：生物模拟实验和对比实验的设计与分析、科学实验的工程学素养、生物概念模型的建立、pH 的测定技术方法、缓冲液的化学反应原理、数据的科学分析与处理等。依据深度学习的理念设计的STEM项目活动流程如图1所示。

2  融入深度教学理念的STEM项目活动过程

教师通过创设真实情境，铺展探究式支架，再利用逻辑化、评价性支架加以提升，引领学生高投入地完成学习项目过程中建构结构化的知识体系，使学生领悟获得知识内容的方法与思维。

2.1 确定项目主题，创设情境任务，搭建探究支架

教师在STEM 项目活动中引入真实生活情境，让学生在现实生活情境为支架的情况下实现知识符号与现实生活的相互转化;引导学生开展深度学习为导向的实际操作破解实验难点，提升学生的工程素养。本项目活动以“社会上流传甚久的‘酸碱体质理论引起的居民对饮用水酸碱度的担忧”导入新课，激发了学生强烈的探究欲望。

2.1.1 情境任务1

教师演示混合酸碱指示剂在不同的pH条件下颜色发生变化的实验。该实验的颜色变化迅速直观，学生可以很快发现猪血清加入酸或碱后变化颜色变化范围较小，与自来水差异性很大，而与磷酸缓冲液非常接近。针对此现象，教师提出问题：人体体液的酸碱度是否会受到饮食酸碱度的影响？并引导学生利用猪血清来代替人体的内环境，比较向自来水、磷酸缓冲液、猪血清中先加入混合酸碱指示剂，再加入酸性物质（物质量浓度为0.1 mol/L 的 HCl 溶液）或碱性物质（物质量浓度为0.1 mol/L 的NaOH 溶液）后溶液颜色的变化。

2.1.2 情境任务2

任务1 能够使学生迅速直观地观察到实验现象，但无法得出pH变化的准确范围。教师为了能够使学生更加准确地了解3种溶液加入酸或碱后pH 的变化，引导学生利用pH 计来进行精确地测量，并要求学生以表格的形式（表1）呈现数据结果。

这一任务设计不仅可以让学生掌握正确使用pH 计这一生物学、化学实验常用仪器的使用技能，还可以让学生根据实验自变量、因变量设计表格，锻炼数据分析能力。为了避免实验误差，保证实验数据的准确性，教师还需要引导学生重复3次测量，或利用平行组之间的数据求平均值，增强了学生科学严谨、规范操作的科学探究意识。

2.1.3 情境任务3

利用数学工具分析问题是生物科学研究的常用方法。教师引导学生构建数学模型，有利于培养他们“透过现象发现本质”的洞察力以及简约严密的思维品质，使学生体验具体与抽象之间的思维模式转化。由于获取的实验数据结果呈现起来直观性不强，教师应引导学生根据实验数据制作3种溶液pH变化的曲线图。在这一过程中，学生运用数学思维对实验结果进行深度梳理，通过表格设计、结果数据统计分析、构建实验模型等过程促进迁移知识、概念建构，思维综合训练、逻辑检验和数学推理等能力。任务2、任务3正是基于上述目的而进行的项目设计。

2.2 联系相关学科，阐明问题本质

教师联系化学学科知识，提出问题：缓冲液为什么能够减缓酸碱对溶液pH 的影响呢？教师以此问题引导学生回忆缓冲液的特点：缓冲液中存在缓冲对，如本实验中所用的磷酸缓冲液是由NaH2PO4/Na2HPO4 组成。当溶液中酸性物质增加时：HPO42-+H+→H2PO4- （H+少）或 H3PO4（H+多）。溶液中碱性物质增加时： H2PO4-+OH-→HPO42-（OH-少）或PO43-（OH-多）。学生讨论、解释缓冲对可以抵消外加酸、碱对溶液酸碱度影响的原因。在此基础上，教师引导学生分析人体血浆的成分，使学生发现内环境中含有 HCO3-/H2CO3、 HPO42-/H2PO4-等多对缓冲物质，厘清人体血浆能够对进入内环境的酸碱物质起到缓冲作用的本质原因。

2.3 基于问题解决建构新知

生物学科不是科学事实的简单堆砌，而是一个概念体系。教师应该引导学生构建概念体系，避免知识的割裂和片段化。通过深度学习达成学科知识内容的高阶目标，掌握更为深层的本质属性和内在联系。

教师引导学生思考：与模拟实验直接加入酸、碱不同，生物体内环境中酸、碱性物质的来源是什么？与内环境中缓冲物质发生缓冲反应后的代谢产物（碳酸盐和 CO2等）的去向又是哪里？师生共同梳理完善机体保持pH 稳定的调节机制：进入内环境的酸碱物质主要由细胞代谢产生和从食物中获取，当机体代谢产生乳酸等酸性物质进入血浆后，与NaHCO3中和反应生成乳酸钠和 H2CO3，H2CO3分解成 CO2和 水，过多的 CO2会经过呼吸系统排出体外;而当碱性食物通过消化系统进入内环境后，会与H2CO3发生反应生转化为碳酸氢盐。过多的碳酸氢盐（无机盐）通过泌尿系统排出体外。最终，学生通过构建内环境维持酸碱平衡涉及的系统和器官概念模型（图2），构建起“不同于静态的缓冲溶液，生物体不仅存在缓冲物质，还会通过包括呼吸、消化、循环、泌尿等多个系统和器官协调配合保持内环境的动态平衡”的概念。

2.4 内化迁移、实践应用

深度学习是对所学知识进行批判性理解、整合性建构以及创新性迁移的一种学习方式。教师在项目活动过程中引导学生基于资料和证据对自己和他人的主张进行质疑或辩护，有利于学生科学思维的发展和科学探究能力的培养，内化所学知识。

教师结合本节课内容，引导学生讨论问题“你如何看待和评价‘酸碱体质理论”，为学生提供运用所学新知辨别生活中科学问题的机会。

2.5 整合拓展、角色体验

教师联系学生的生活，提出问题：若你身边的亲朋好友为了健康而购买、引用碱性水，你会怎么做？学生在理解生物体维持pH 稳定机制的基础上，整合拓展，形成对问题的认识。最后，教师要求学生通过呈现实证，科学地解释人体内环境pH 稳态的调节机制，并学会运用所学知识辨别生活中的实际问题，指导自己和身边人健康生活。

深度学习的基本特征之一是价值与评价。在知识与信息爆炸式增长的时代，科学与伪科学是一个长期共存的状态。因此，教师在项目活动中引导学生在质疑过程中发展批判性思维，在评价过程中感受和培育学科精神，具有重要的意义。

3  项目活动的总结与反思

本项目以高中生物学课程内容为背景，基于中学生认知层次和深度学习的需求而开展的，趣味化、任务化、实践化、生活化的 STEM 项目活动可以有效地帮助学生完成深度学习。教师指导学生运用蕴含高阶思维的科学探究活动获取证据，基于事实和证据分析生物体维持 pH 的稳定这一生命现象及背后的调节机制;学生在构建数学模型与概念模型过程中提升科学思维能力和探究能力，体悟到稳态与平衡这一生命观念。通过对“酸碱体质理论”这一伪科学的批判性评价，学生学会用辩证唯物主義世界观看待事物，有助于形成正确认知观。教师为学生创造探究、展示、交流平台，让深度学习成为每个学生学习的习惯。

参考文献：

[1] 吴举宏.促进深度学习的中学生物学教学策略[J].生物学教学，2017，42（10）：18-20.

[2] 左小琴，刘松.基于深度学习的生物学教学设计——以 “认识生物多样性”为例[J].中学生物学，2020，36（6）：16-17.

[3] 陆庭銮.促进化学深度学习的STEM 项目设计[J].化学教与学，2018，7（10）：2-5.

[4] 何红星.深度学习视域下的生物学实验教学策略[J ].生 物学教学，2020，45（6）：55-56.