設(shè)計思維在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用初探

汪久佳

摘 要：設(shè)計思維作為一種新的理念和路徑契合了當(dāng)前我國創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求，為教育改革提供了新的路徑。本文結(jié)合教學(xué)實踐案例，嘗試剖析設(shè)計思維貫徹新課標(biāo)的有效性及在高中生物教學(xué)中的建構(gòu)方式。

關(guān)鍵詞：設(shè)計思維，高中生物教學(xué)

中圖分類號：G633.91 ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1992-7711（2020）03-087-2

一、設(shè)計思維的內(nèi)涵

1.設(shè)計思維的概念

設(shè)計思維譯自英文術(shù)語“Design Thinking”。不同的學(xué)者對設(shè)計思維的理解不同。有學(xué)者認為，設(shè)計思維是通過給學(xué)習(xí)者提供恰當(dāng)?shù)乃季S支架及方法支持，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者從定義問題開始，逐步掌握創(chuàng)意構(gòu)思、原型迭代、測試等一系列創(chuàng)新方法技能，最終實現(xiàn)問題的創(chuàng)新解決或產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計[1]。概括起來，設(shè)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(diào)解決問題要從人的需求出發(fā)，多角度地尋求創(chuàng)新解決方案，并創(chuàng)造更多的可能性。[2]

生物核心素養(yǎng)講求科學(xué)創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)，因此把設(shè)計思維方式引鑒到生物教學(xué)實踐中去，那將對學(xué)生21世紀(jì)核心技能的發(fā)展具有重要意義，為學(xué)校學(xué)科教學(xué)方式的變革提供一種新途徑。

2.設(shè)計思維的經(jīng)典模型

斯坦福設(shè)計研究院的EDIPT模型為學(xué)習(xí)者提供了一套經(jīng)典的系統(tǒng)模式。它包含同理心、定義問題、構(gòu)想、原型和測試等五個階段。需要關(guān)注的是，該思維模型的五個階段步驟是非線性關(guān)系，即使用者可以在任何時間段重復(fù)某些特定的階段或是整個過程。

在美國的“設(shè)計思維融入課堂教學(xué)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(shè)計思維過程框架。[3]

我們可以看到，設(shè)計思維是一套創(chuàng)新性解決問題的方法論體系，設(shè)計思維過程促進學(xué)習(xí)者在真實體驗中實現(xiàn)心智轉(zhuǎn)變。二、設(shè)計思維應(yīng)用于高中生物教學(xué)例析

1.設(shè)計思維在高中生物教學(xué)中的可行性

設(shè)計思維與《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）所倡導(dǎo)的核心精神高度一致，擁有共通的教育理念。新課標(biāo)強調(diào)在探究教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，而核心素養(yǎng)是個體在解決復(fù)雜、不確定的實際問題過程中表現(xiàn)出來的綜合品質(zhì)。生物學(xué)科探究教學(xué)為學(xué)生提供了真實的問題情境，學(xué)生在體驗各種研究任務(wù)中，經(jīng)歷了理解、觀察、猜想、解釋等環(huán)節(jié)，與設(shè)計思維經(jīng)典模型的一般程序相吻合。設(shè)計思維也是以學(xué)生發(fā)展為中心，強調(diào)對學(xué)生創(chuàng)新精神、問題解決等綜合能力的培養(yǎng)，強調(diào)以學(xué)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(biāo)上的一致性，正是設(shè)計思維可以應(yīng)用于生物學(xué)科教學(xué)的前提和基礎(chǔ)。

2.設(shè)計思維在高中生物教學(xué)中的具體應(yīng)用

在高中生物教學(xué)中，基因工程、細胞工程等選修技術(shù)本身也是“工程設(shè)計”的范疇，許多科學(xué)家同時也是“工程設(shè)計師”和“市場調(diào)查師”。為了進一步說明設(shè)計思維與高中生物教學(xué)深度融合的實踐應(yīng)用，筆者以設(shè)計“葡萄酒發(fā)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(biāo)是為了了解應(yīng)用者的需求。本案例設(shè)計源于生物選修教材傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用之“果酒的制作”實驗。剛開始學(xué)生實驗時選擇發(fā)酵容器，有的用醬菜玻璃瓶，有的塑料飲料瓶。結(jié)果發(fā)酵沒幾天因有學(xué)生忘記擰松瓶蓋放氣，有玻璃瓶發(fā)生爆瓶，也有塑料瓶的瓶蓋被沖出，果酒發(fā)酵液甚至被噴至天花板，實驗室里一片狼藉。學(xué)生對使用的發(fā)酵容器有諸多不滿之處，那么這些不滿意不正是發(fā)酵罐需要去創(chuàng)新改進的地方嗎？因此，在課前，筆者就讓學(xué)生通過親身經(jīng)歷，調(diào)查記錄對發(fā)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(dǎo)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(jīng)過發(fā)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(fā)酵罐是封閉的，管內(nèi)產(chǎn)生了大量的CO2導(dǎo)致內(nèi)外氣壓不平衡，所以果酒發(fā)酵液才會噴出。于是學(xué)生通過分析，設(shè)想如果能讓發(fā)酵罐自動放氣，那么爆瓶的問題也就迎刃而解了。

（3）構(gòu)想——分析問題

該階段是著手解決問題的關(guān)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(xué)生就討論到了初中學(xué)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(shè)計，它被設(shè)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(nèi)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(xiàn)出原始模型的過程。學(xué)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(gòu)想，有的小組就地取材拿了“尖叫”的瓶子來進行果酒發(fā)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(fā)酵裝置。結(jié)果是不是可行呢？需要測試才能知道結(jié)果。

（5）測試——優(yōu)化方案

測試就是使用實現(xiàn)的產(chǎn)品原型，或模擬環(huán)境來嚴(yán)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(huán)節(jié)，一些想法可能會被重新定義，甚至發(fā)現(xiàn)新的問題。幾個小組都展示了自己的發(fā)酵裝置。“鵝頸瓶”小組提出“鵝頸瓶”的瓶口太小，發(fā)酵液不易裝入，且裝置材料不易獲得，實驗開展不方便?！凹饨小毙〗M反應(yīng)“尖叫”裝置容器太小，裝不了多少發(fā)酵液，還有就是瓶口也較小，發(fā)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(xué)生展示透明的泡菜壇子，瓶口大，容積也夠大，水密封設(shè)計，密封后瓶內(nèi)氣體只出不進，可以避免雜菌的進入，當(dāng)瓶子內(nèi)部氣體大量產(chǎn)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(fā)現(xiàn)了新問題，最突出的就是發(fā)酵液很難取出，其次發(fā)酵液性質(zhì)不穩(wěn)定。于是筆者又引導(dǎo)學(xué)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(fā)酵液了。

學(xué)生經(jīng)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(fā)酵裝置，學(xué)生不僅掌握了生物學(xué)科知識，還能利用生物學(xué)科知識應(yīng)用于更加復(fù)雜的生產(chǎn)實踐中，學(xué)生的設(shè)計思維也有了螺旋式上升與發(fā)展。

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

三、總結(jié)評析

設(shè)計思維對于提升基礎(chǔ)教育階段學(xué)生的思維品質(zhì)有著非常大的幫助，也將助力于教學(xué)改革所倡導(dǎo)的深度學(xué)習(xí)與素質(zhì)教育。將設(shè)計思維的培養(yǎng)融入學(xué)科教育的體系中，一方面可以幫助學(xué)生理解學(xué)科教育與真實世界的關(guān)系，通過真實體驗來感知學(xué)習(xí)的價值，另一方面可以有助于學(xué)生通過簡單的設(shè)計思維學(xué)習(xí)體驗，逐步將已經(jīng)形成的設(shè)計思維使能到更加復(fù)雜的場景中。

實踐證明，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的設(shè)計思維，既可以幫助學(xué)生組織概念形成自洽的邏輯關(guān)系，提高課程教學(xué)的教學(xué)效率，也可以通過設(shè)計思維的過程來培養(yǎng)學(xué)生解決問題、持續(xù)創(chuàng)新的能力。

[參考文獻]

[1]閆寒冰，鄭東芳，李笑櫻.設(shè)計思維：創(chuàng)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(shè)計思維：促進STEM教育與創(chuàng)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(shè)計思維融入課堂教學(xué)項目”研究[J].比較教育研究，2019（07）.

[4]林琳.設(shè)計思維的概念內(nèi)涵與培養(yǎng)策略[J].現(xiàn)代遠程教育研究，2016（06）.

（作者單位：南京市江寧高級中學(xué)，江蘇 南京210000）