基于深度学习的高中生物学STEM项目学习探究

［摘 要］基于深度学习的高中生物学STEM项目学习探究，对于新时代的教育改革具有重要意义。通过结合深度学习的先进理念和STEM教育的实践方法，STEM项目学习旨在培养学生的高阶思维、创新能力和问题解决能力。文章结合高中生物学教学实践设计出了富有挑战性的项目学习活动，旨在引导学生主动参与、积极探究，通过实践、合作与反思，促进学生对生物学知识的深度理解和应用。STEM项目学习这种新型学习模式有助于激发学生的生物学学习兴趣，提升学生的学科核心素养，为培养21世纪所需的生物学人才奠定坚实的基础。

［关键词］深度学习；高中生物学；STEM项目学习

［中图分类号］    G633.91        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2024）20-0082-03

深度学习作为一种高阶学习，正逐渐改变学生对知识获取与应用的认知。而STEM教育，以其跨学科、实践性的特质，为教育创新提供了新的视角。在这样的背景下，探究如何将深度学习与高中生物学STEM项目学习相融合，不仅是教育领域的一项挑战，更是培养新时代创新人才的迫切需求。通过深度融合这两大教育理念，我们有望为学生打造一个更加丰富、具有挑战性和深度的学习体验场，助力学生在不断的探索与实践中成长为具有批判性思维、创新精神和跨学科解决问题能力的综合型人才。

一、深度学习与STEM项目学习的概述

深度学习是一种基于高阶思维的学习方式，它要求学习者在理解核心概念的基础上，通过反思和批判性思考来提升综合思维能力，并重新构建知识和技能框架。在生物学中，深度学习涉及对新情境下生物学问题的多层次分析，是发展高阶思维的学习过程。基于项目学习的STEM教育则为学生提供真实情境的学习体验，这有助于学生学习和解决问题，促进学生对科学（S）、技术（T）、工程（E）和数学（M）领域概念的理解。在STEM项目学习中，学生可以通过实验探究和创新实践来解决真实问题，从而锻炼批判性思维。STEM项目学习设计注重新情境下的知识构建和跨学科融合，以真实问题为基点，通过新情境下的问题驱动来引导学生解决问题。这种学习方式以实验探究为主线，强调创新与实践，并以思维发展为目标，在项目活动过程中促进学生形成可视化思维。这有助于学生提升学科核心素养，并促进学生的深度学习。

二、高中生物学STEM项目学习的设计原则

基于深度学习的STEM项目学习在生物学领域具有重要的应用价值，它可以帮助学生发展高阶思维，提高解决问题的能力，并促进学生对生物学核心概念和跨学科知识的理解和应用[1]。高中生物学STEM项目学习应遵循以下设计原则。

（一）以学生为中心

在基于深度学习的高中生物学STEM项目学习中，学生不仅是知识的接受者，更是学习的主体和创造者，因此以学生为中心是高中生物学STEM项目学习设计的首要原则。这意味着项目的主题和内容应与学生的兴趣和实际需求紧密结合，以激发他们的学习兴趣和内在动力。同时，尊重学生的个体差异，为学生提供多元化的学习路径和资源，以满足不同层次学生的学习需求。在高中生物学STEM项目学习过程中，给予学生更多的决策权，让他们自主选择研究方向、制订实验计划等，从而培养其自主性和责任感。这样的设计原则旨在确保学生在项目学习中处于中心地位，能够积极参与并主导自己的学习过程，进而实现深度学习和全面发展[2]。

（二）强调问题驱动与真实情境相融合

深度学习强调对知识的深度理解和应用，而问题驱动和真实情境作为实现这一目标的有效手段，在项目学习设计中发挥着重要作用。选择与现实世界紧密相关的生物学问题作为项目主题，如环境保护、基因编辑等，可以使学生将所学知识与实际问题相结合，培养其解决实际问题的能力。同时，通过模拟真实情境或实地考察，让学生在具体环境中感受问题的复杂性和多样性，这有助于提升学生对问题的理解能力和应对能力。此外，设计一系列相互关联的问题链，可以引导学生由浅入深、由表及里地探究问题本质，促进其对生物学知识的深度理解。高中生物学STEM项目学习应遵循问题驱动与真实情境相融合的设计原则，旨在为学生提供一个富有挑战性和探索性的学习环境，激发其探究欲望和创新思维，培养其成为具有批判性思维和解决问题能力的人才。

（三）注重跨学科整合与迁移应用

STEM教育的核心在于跨学科整合，而深度学习则强调知识的迁移和应用，因此在项目学习设计中应注重跨学科元素的融入。这意味着鼓励学生从生物学、化学、物理、数学等多学科视角审视问题，培养其跨学科思维和解决问题的能力。通过引入先进的技术工具和平台，如基因编辑技术、生物信息学软件等，可以让学生在实践中体验科技的力量和魅力，进一步拓宽其视野和提升其能力。同时，鼓励学生将所学的生物学知识和方法应用于其他领域或实际问题，如将生态学原理应用于环境保护、将遗传学知识应用于医学诊断等，可以促进学生对知识的迁移和应用，培养其创新精神和实践能力。高中生物学STEM项目学习注重跨学科重合与迁移应用，旨在打破学科壁垒，促进学生全面发展[3]。

三、高中生物学STEM项目学习的实施步骤

（一）确定项目主题

在高中生物学STEM项目学习中，提出问题是引导学生思考和探究的关键环节。通过提出问题，可以激发学生的好奇心和求知欲，引导他们深入思考和探索，从而确定具有探究性和实际意义的项目主题。以人教版生物学选择性必修3《生物技术与工程》中的“制作传统发酵食品”为例，教师首先展示各种传统发酵食品的图片或实物，并简要介绍其历史和制作过程，为后续的提问做铺垫。其次，在引入情境的基础上，提出一系列与发酵食品相关的问题，如这些食品是如何制作的？需要哪些原料和工具？ 在制作过程中，微生物起到了怎样的作用？它们是如何影响食品的口感和营养的？ 不同的发酵条件会对最终产品产生怎样的影响？如何控制发酵条件？ 传统发酵食品与现代工业化生产的食品有何异同？它们各自有哪些优缺点？最后，让学生对这些问题进行分析和讨论，明确每个问题的研究价值，并选择自己感兴趣且有能力解决的问题进行研究。在分析问题的基础上，学生需要筛选出具有探究性和实际意义的问题作为项目主题。如根据本节课的教学内容，学生可以选择“如何制作传统的发酵食品”作为项目主题。这样的教学，使学生成功地通过提出问题确定项目主题，并开展一次有意义的STEM项目学习[4]。

（二）制订项目计划

在确定项目主题为“如何制作传统的发酵食品”后，为保证项目学习能够顺利进行并取得理想效果，教师可让学生制订详尽的项目计划。此项目学习的核心目的在于让学生深入理解传统发酵食品的制作原理与流程，熟悉基本的发酵工艺及操作技巧，研究各种发酵条件对食品质量的潜在影响。为达成上述目标，可设计如下一系列具体任务：收集和研读与传统发酵食品制作有关的文献和资料，选定某种传统发酵食品作为研究焦点并深入了解其历史、文化及制作工艺，亲手制作该食品并记录详细的制作流程和感悟，分析制作过程中的关键要素及其对食品质量的影响，撰写综合性的项目报告以及通过展示等形式分享制作经验和成果。在项目的时间规划上，总共设定为六周，每一周都有确切的工作重点与预期目标。在资源筹备方面，让学生根据选定的传统发酵食品的特性准备相应的原材料，配备必要的工具和设备，选择符合卫生标准的厨房或实验室作为制作场所，同时寻求专业教师或行业专家的帮助。通过一系列的学习与实践活动，学生首先能够更深入地理解传统发酵食品的制作原理与流程，掌握基础的发酵工艺和操作技巧，并对传统食品文化产生热爱，从而为实现中华优秀传统文化的传承和发扬贡献力量[5]。

（三）项目执行

以传统发酵食品——泡菜的制作为例。泡菜制作项目执行阶段是学生进行深度学习的重要环节。在这个阶段，学生在教师的指导下，积极探索并应用科学、技术、工程和数学等多学科知识。该项目的核心目标是通过让学生亲身实践，培养学生的求证能力和科学思维[6]。

在项目开始时，首先让学生了解泡菜的制作原理。他们了解到，泡菜的制作依赖于乳酸菌在无氧环境下的发酵作用，在发酵过程中，乳酸菌将蔬菜中的糖分转化为乳酸，从而赋予泡菜独特的酸味和口感。为了进一步掌握这一科学原理，学生还应学习乳酸菌的生长条件，如温度、pH值和盐浓度等，并探讨这些条件如何影响发酵过程和泡菜的最终品质。接着，让学生开始学习使用专业的发酵装置，如密封罐和温度计等，以确保发酵环境的稳定性和一致性。同时，让学生掌握测量和记录数据的方法，如使用pH试纸检测泡菜的酸碱度，以及使用盐度计测量盐浓度等。这些技术手段的运用不仅提高了学生制作泡菜的技能，还培养了他们的实验设计和数据分析能力。在教师的协助下，学生开始制订泡菜制作的详细步骤和时间表。学生可根据所学的知识，精心选择和处理蔬菜，配制适量的盐水，并严格控制发酵时间。为了探究不同发酵条件对泡菜品质的影响，还应让学生设计不同的实验方案，比较不同温度、盐浓度和发酵时间下的泡菜品质差异，并尝试解释这些差异的原因。最后，让学生品尝自己制作的泡菜，对实验结果进行直接验证。通过品尝泡菜，学生感受到了不同发酵条件对泡菜口感和风味的影响。

泡菜制作项目执行阶段不仅教授了学生制作泡菜的具体技术和方法，更重要的是通过实践探究培养了学生的科学思维能力和求证精神。在这个过程中，学生学会了如何提出问题、设计实验、收集和分析数据以及验证假设并得出结论，这对于他们未来的学习和生活都具有重要意义。

（四）分享交流成果

“制作传统发酵食品——泡菜”这一项目活动聚焦“泡菜发酵过程中的微生物作用及其影响因素”这一中心议题，意在引领学生感知问题、剖析问题、解决问题，从而获取新知，并鼓励他们积极运用新思维，立足实证进行深入的学习和推理。学生细致地观察并记录泡菜发酵过程中的种种变化，通过解释与验证来巩固新知，在此基础上进一步思索“如何改善泡菜的发酵环境以提升其品质”，将所学的知识内化。在此过程中，学生的个性思维得以展现，并与集体智慧相融合，使他们在追求共识与创新的过程中实现了知识的内化迁移。同时，通过教师精心构建的任务与问题解决平台，学生得以熟练掌握和应用相关技术，在不断提炼与反思中，优化和完善泡菜的制作流程。在这一系列过程中，学生不仅提升了技术素养和工程素养，还增强了自身的社会责任感。

（五）反思评价过程

在“制作传统发酵食品——泡菜”STEM项目学习中，学生问题意识始终被置于核心位置，旨在借助问题引领学生实现深度学习。教师以全局视角进行教学设计，创设新情境，确保学生的学习可以突破制作泡菜这一实践层面，延伸至对食品发酵科学原理的深入探索。这一延伸性的学习要求学生综合运用先前获得的知识进行综合分析，并强调他们在调查探究、合作交流、反复验证、自我反思以及创新应用等方面的能力。

在交流共享环节，让不同的学生聚在一起，分享各自在制作泡菜过程中的经验、见解与疑问。这种交流不仅促进了知识在不同个体间的流动与碰撞，更激发了学生探索跨学科领域的兴趣。通过交流，学生发现在看似简单的泡菜制作中，涵盖了生物学中的微生物发酵、化学中的酸碱平衡、物理学中的热传导等科学原理，甚至涉及数学中的数据统计与分析技巧[7]。

通过这次项目学习，学生不仅习得了泡菜制作的实践技能，更重要的是领悟了如何综合运用不同学科的知识与技能来分析和解决问题。这种跨学科的项目学习不仅提升了学生的元认知能力，而且为他们深度学习和创新实践奠定了坚实的基础。

综上所述，基于深度学习的高中生物学STEM项目学习不仅有助于学生对生物学知识的深入理解，更能够提升他们的跨学科思维能力、实践能力和创新能力。因此，教师应该充分认识到STEM教育的价值，在高中生物学教学中积极推进STEM项目学习，让学生在实践中探索，在探索中创新，在创新中成长。同时，也需要不断完善STEM项目学习的设计和实施策略，确保STEM项目学习与课程目标紧密结合，真正发挥其在培养学生核心素养和综合能力方面的作用。展望未来，随着科技的不断进步和教育改革的深入推进，我们有理由相信，基于深度学习的高中生物学STEM项目学习将在促进学生全面发展、培养创新型人才方面发挥更加重要的作用。

［   参   考   文   献   ］

[1]  侯松涛.基于深度学习的高中生物STEM项目设计：以“模拟生物体维持pH的稳定”为例[J].中学生物学，2022，38（3）：12-14.

[2]［3］  付鑫.基于高中生物学课程资源进行STEM项目的设计思路与案例[J].生物学通报，2018，53（3）：34-38.

[4]  康根城.基于深度学习的高中生物学“情境—问题式”教学模式探究[J].中学生物学，2023，39（7）：30-32.

[5]  罗福海.STEM教育视角下的实验改进：以“探究植物细胞的吸水和失水”实验改进为例[J].中小学实验与装备，2021，31（5）：45-46.

[6]  张璐，陈欣.我国中学生物学STEM教育研究现状与趋势：基于2016-2021年STEM教育文献分析[J].福建基础教育研究，2022（10）：126-128.

[7]  朱云鹏.基于生物学学科核心素养的实验教学创新：以“探究生物体维持pH稳定的机制的实验”为例[J].中学生物学，2019，35（5）：42-43.

（责任编辑 罗 艳）