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要实现深度学习，就要进行高品质的学习设计。所谓“学习设计”是为了学习者有效开展学习活动，从学习者角度为其设计的学习计划、活动和系统。学习设计是为学习者系统规划学习活动的过程，它为学生的学习提供了一个活动脚本。学习设计要遵循学习者的学习起点、认知风格和学习历程，揣摩和研究学生学习知识的基本历程：学习的起点是什么，需要经历怎样的学习过程，会遇到怎样的困难，可能会提出哪些问题，会采用什么样的学习方式和策略，最有可能在哪些方面得到发展等，并通过有效的设计将学习活动引向深入。指向深度学习的科学探究活动设计需要围绕一个核心、紧扣两个关键，明确三个基本点。
实现深度学习的核心是真正落实学生在学习中的主体地位，“学生是学习的主体”也是当今课程与教学改革的重要支撑理念，而《义务教育小学科学课程标准》也一再强调要“突出学生的主体地位”。学生的学习，不是被动地去容纳外在知识的灌输，也不是从实践开始的盲目试错，而是通过主动的、有目的的活动，对人类已有认识成果及其过程的学习与体验，它需要学生全身心地投入，真正成为教学活动的主体。
学生是科学学习的主体，这理念改变了教师教学行为，强调教师要尊重学生的学习权利，把学习的主动权还给学生，把课堂还给学生，把时间还给学生，把话语权还给学生，把主演还给学生。在科学课上，我们要最大限度地给学生探究的时间、空间，为学生提供足够的交流机会。凡是学生能做的就让学生做，凡是学生能观察的就让学生观察，凡是学生能思考的就让学生思考，凡是学生能表述的就让学生表述，凡是学生能归纳的就让学生归纳，凡是学生能实验的就让学生实验，凡是学生能合作的就让学生合作，凡是学生能教学生的就让学生教学生，凡是学生能鼓励学生的就一定要让学生鼓励学生。
学生主体和教师主导并不是分离的，教师的教和学生的学不是分离的。只是教师要从“教”的中心转向“学”的中心，从“传递、讲解”转向“支援、帮助”，从“控制型”向“合作对话型”转型，营造民主、平等、和谐、快乐的学习环境，教师和学生建立良好的伙伴关系，在合作与互助中真诚交流、思维碰撞，促进学习者之间合作学习、相互帮助、共同研究、彼此分享、实现多元发展。学生与教师相互尊重、相互信赖、相互帮助、相互支持，学生尊严得到真正尊重、学生人格得到真正呵护、学生地位得到真正保障。
学生是科学学习的主体，这理念让学生成长为科学学习的“主人”。主人拥有学习的权利和地位，有学习的自由和空间，有学习的兴趣、爱好和愿望。但深度学习中学生的主体活动并不是自发地，而是依赖教师坚定的学生立场，有赖于教学过程中教师对学生有效的观察和悉心的引导帮助，以及教师对教学内容、学习过程与方式的精心设计。
教师在进行学习设计时，要围绕“学生是学习的主体”这一核心理念，明确在课堂中，学生的学习活动比教师的“教授”更重要，坚定地站在学生的视角，设计以问题解决为主线的科学探究活动。整个教学过程都是让学生自己去思考、去体验、去选择、去解决，让学生在这一过程中自己去判断是不是、能不能、该不该、值不值，自己经历知识的生成过程，他们的思维就会活跃起来，手脚就会解放出来，个性会表露出来，在学习过程中锻炼了自主学习能力和知识迁移能力，逐步在原有认识上完成知识建构，逐步掌握自主学习方法，不断体验自我学习的成功愉悦，从“我想学”到“我能学、我会学、我爱学”。
学生主体地位的落实在于教师主导作用的发挥，在高品质的学习设计中，教师要紧扣两个关键，将外在的教育要求转化为学生内在的学习需求，将外在于学生的客观知识转化为学生的学习活动对象。
学习是自我的内心世界之“旅”，是自身智慧的“上下求索”，是同自身内心世界的对话。美国著名教育家杜威认为“儿童的心理内容基本上是以本能活动为核心的先天生理机能的不断发展、生长。教育的本质和作用是促进这种本能的生长，除自身以外，没有别的目的。”这一主张强调了对学生本能、天性与兴趣的激发，也就是教学要激发学生的深层动机。
深层动机是深度学习的显性特征，学生个体内部促使其深度学习的内源力。深层动机是触及学习者心灵深处的学习动机，是触及学习者深层兴趣、情感和思维的动机。学习者在深层动机的驱动下，才会有强烈的学习愿望，才能情感、意志、思维会全身心投入到忘我的学习中，从而有更深刻的思维，实现真正意义上的学习。
激发学生的深层动机，帮助学生产生强烈的问题欲望和求知欲望，形成学习的渴望、期待、和参与的心理需求，是教师存在的最根本的理由和价值，也是教师不能被现代人工智能技术所替代的根本。教师在教学设计时，要重视学生深层动机的激发。
1.精心设计问题情境，产生认知冲突
学生的学习动机最初产生于“学习困境”，这种不能解决、不能突破、不能澄清的状态也就是所谓的“认知冲突”，它是一种强烈的心理矛盾状态，并引发探究冲动，不断寻求解决方案，这一过程包含了冲突、理解、分析、试错、验证、修正、重构等一系列心理活动，当学习者完成头脑中的思维过程以后，还要通过社会互动到他人那里去寻求验证或寻求新的解决方案，并通过倾听他人完善方案，从而更好地解决认知冲突，最终体会到学习的成就感和乐趣，这就产生了新的学习动机，从而使学习不断持续和深化。
教师可以根据教学内容，从学生心理特征出发，在科学教学中灵活地运用多种方式创设问题情境，抓住学生的注意力和好奇心，引发学生的思维，激发他们的探究热情，为他们顺利进入科学探究奠定良好基础。如在进行三年级上册苏教版小学科学《空气占据空间吗？》教学时，教者精心设计了“纸团不湿”的实验，当学生看到实验结果并不像他们猜测的那样时，学生的好奇心被激发，思维也瞬间被调动，学生的思维就集中在一个特定的问题上“玻璃杯里的纸为什么没湿？”。由于即将研究解决的问题是由学生自己提出的，此任务具有真实性，所以学生的深层动机被激发，兴趣、情感和思维也全部投入到问题的解决中。
2.精心设计教学方式，让学更有趣
教育心理学指出：“教学内容和方法的新颖性，多样性，趣味性，是激发儿童学习动机的重要条件。”单一的教学方式是不能激发学生的深层动机的，针对学生好动、好奇、好探究、好想象的特点，灵活选择多样化、富有趣味的教学方式，有助于唤醒、激活孩子内心深处渴望和需要，全方位激发学生深层动机。
教师要从儿童心理特点出发，精心设计科学课上的探究活动，即通过对活动内容的精心安排，对活动形式的巧妙设计，让活动焕发出新的魅力，从而激发儿童参与探索的兴趣，调动儿童探索的积极性和主动性，促其真正参与其中，为有效的体验奠定基础。
对于比较抽象的概念、定理，儿童则不感兴趣，教师尽量要赋予科学知识以完整的艺术形式和生动的形象，从而提高学生学习的兴趣和发展学生的学习能力。教师可以利用现代信息技术手段（多媒体、幻灯机、录音机等）与传统教学媒体（挂图、教材、实验等）将所要教学的内容有步骤、清晰地呈现给儿童，尽量做到能听的让他们听，能看的让他们看，能摸的让他们摸，充分发挥各个感官的作用，让儿童全身心地投入到各种科学活动中，使儿童在愉快、和谐的教学氛围中完成学习任务。
深度学习离不开学生的亲身经历和切身体验。“活动”和“体验”是深度学习的重要特征。活动是指学生为主体的活动，而非生理活动或受他人支配的肢体活动；体验是指学生作为个体全部身心投入活动时的内在体验。活动与体验相伴相生。若是主动活动，必会引发内心体验，理性而高尚的体验，必是在有意义的社会活动中生发的。学生用眼观察、用手操作、用口表达、用脑思考，是属于亲身经历，而比较、归纳、猜测、验证，都是属于亲自探索。
学生的“活动”“亲身经历”既不可能也不必要像人类最初发现知识那样，而是典型地、简约地经历结构性的关键过程与关键内容。因此，教师要精心设计学生乐于参与的探究活动，帮助学生像科学家那样动脑思考，像工程师那样动手实践，让他们在亲历观察、实践与操作中亲身感受、感悟和体会，经历有意义的学习经历，从而完成知识的建构和问题的解决。
1.精心设计科学材料，促进科学探究
有结构的科学材料能驱动学生经历科学探究。有结构的材料应具有内在联系并蕴含着某些关系和规律，其既要揭示探究现象，又要贴近学生的实际生活，符合学生年龄特征和认知规律，这样的材料能帮助学生探究问题，解决问题，获取新知。如在教学苏教版《科学》三下《声音的产生》时，教师精心设计了实验材料。第一次提供了橡皮筋、尺子、鼓等有结构的材料，这便于学生发现它们在发声时都在振动这现象。而当发现吹空瓶子也能发声时产生困惑时，教师提供各组一个泡沫小球，从而驱动学生进一步投入到探究活动中。
2.精心设计思维的训练点，让思维成为核心
科学探究要以科学思维的发展为核心。教师要围绕探究主题精心设计各种思维链接点，让学生在质疑、批判、思辨、反思中发展思维，产生持久的学习动机。科学探究总始于问题，提出科学问题需要分析科学事物之间的联系及关系、分析实验事实与已有理论的矛盾、分析科学理论内部的逻辑困难、比较多种假说之间的差别、寻求客观事物的本质属性和规律等。教师抓住提问、猜测、预测、假说这些环节进行思维训练，可以让学生充分展现其内在的思维过程。学生在反思、筛选、修改、反驳中逻辑推理能力得到锻炼，质疑能力和表述能力得到提升。当选定了所要研究的问题后，学生必须搜集积累丰富的思维材料，进行理性分析，这其实是一项富有创造性的思维活动。因为搜寻事实的主要途径有观察和实验，而观察实验不仅仅是动手做，为了证明内心深处的某个预测或结论，动手做的目的是为了动脑，因为真正的学习并非发生在学生的手上，而是发生在他们的脑里。学生在动手中不断发现新问题，在交流中运用了分析、综合、比较、分类、抽象、概括、推理、类比等思维方法，从而使思维得到很好的训练。
高品质的学习设计有明确而清晰的学习目标，也有“少而精”的学习任务，这就需要教师对学科本质充分研究，同时充分了解学生的原有知识基础、生活经验、学习困难与认知策略等，找到几者之间最为恰当的结合点，让学生聚焦核心问题，经历完整的学习历程和思维过程。
建构主义者强调：“每个学生并不是空着脑袋走进教室的，在日常生活和学习过程中，他们已经形成了相当的经验。”在教学实施前，每个学生对学习资料的认知水平也不尽相同，学生成长环境的不同，对知识的理解也会存在差异。在教学实践中，经常会有一位教师任教两个水平差异较大的班级，同一份教案却收获两份不一样的结果，这是因为没有考虑设计教学目标、教学内容等是否适合学生。
奥苏泊尔把全部教育心理学归纳为一条原理：“我将一言蔽之，影响学生唯一最重要的因素就是学生已经知道什么，要看这一点并依据此进行教学。”这句话非常有名，蕴含三层意思：第一，学生已经知道什么；第二，你要知道学生知道什么程度；第三，你根据你所探明的这一点，实施针对性的教学。科学教学要找准学习的起点，不要把过去的教学经验简单移植到现在的学生身上，也不要把他人的教学经验简单移植到自己的学生身上。只有找准了学生“学”的现实起点，才能正确判断出教师“教”的实际起点。
维果茨基曾经提出，教师在教学前至少确定儿童的两种水平——“现有发展水平”与“最近发展区”。要确定最近发展区，前提是先确定学生的现有水平，教师要知道学生现在知道什么、能做什么、对什么有兴趣，能够操作的内容、能够以什么样的方式完成什么样的活动等，即知道学生“在哪里”。同时还必须确定学生的未来水平，这个未来水平就是学生凭个人现有能力和努力不可能在短期内实现的水平。在学生现有水平与较高的未来水平之间，便形成一个区域，即“最近发展区”。这个区域正是教师与学生交往、帮助学生发展的区域，也是学生以主体的方式从事学习活动、获得发展的区域。在学生的最近发展区设置学习任务，这样的学习任务既不会太容易也不能太难，学生跳一跳能摘到。
找准学习的起点是学习设计的基础。教师可以通过细致的课前充分调查了解学情，找到学生的迷离概念和认知冲突以及学生的学习困难之处，进行“逆向”学习设计。一般来说，我们采用问卷、访谈、情景模拟、行为观察等方法从三个方面探测学情：一是对学生已有状况的了解。在新的科学探究活动之前，学生的认知程度如何，与科学探究相关生活经验是怎样的，已有科学探究技能、方法达到什么样的水平，对可能产生的科学事实具备怎样的思维能力等，都应该一一梳理，才能真正找到学生“学”的起点。二是对可能状况的预测。这种预测不是提出问题之后罗列出若干个备用答案，而是探究活动展开之后，对学生在习惯、行为、态度、误区甚至情感等方面可能出现的情况进行预估，以找到课堂中的教育机会。三是对学习状况的设计。基于学生状况对教学内容应该作出怎样的调整，会形成一种什么样的教学效果，这种效果与目标的吻合度是怎样的。“失之毫厘，差之千里”，当准确地知道“学生已经知道了什么？学生还想知道什么？学生自己能够解决什么？”时，也就找到与教学内容相关的储备知识，此时的学习设计才会帮助学生把新知识与原有认知结构合理联系起来，有意义的学习才会发生。
深度学习强调的是学生“乐学”“愿学”，学生以积极、投入、自觉的心理状态投入到学习中是深度学习的显性特征之一。只有“主体性卷入”的学习，才能触及学习的内核。深度学习的科学课堂摆脱了技术化、工具化教学的规限和束缚，它让教师不得不关注学生的学习兴趣，激发学生的学习动机并予以维持。
为此，教师要精心设计活动的兴奋点，帮助学生从“要我学”到“我要学”的行为转变中。教师可以在科学活动中精心设置悬念、制造谜团的方法来制造一些奇异现象，来抓住学生的注意力和好奇心，令他们产生探索的欲望；也可以针对学生好动、好奇、好探究、好想象的特点，设计多样化、富有趣味的活动，唤醒、激活孩子内心深处渴望和需要；也可以精心选择一个具体、明确、集中的科学问题作为探究活动的逻辑起点，让学生的情感、思维、意志活跃起来……学生在兴奋中才会主动参与，他们才会在经历中主动感知、主动质疑、主动探究、主动交流、主动建构、主动拓展的。
落脚点就是教学目标，也是检查我们有没有把学生带到目的地的标准。精准的目标定位，能给科学学习指明方向和目标。
教师在学习设计中要以深度学习为导向，系统、深入地精读课程标准，了解教学内容在课程标准中处于什么地位，接着教师要深入钻研教材，努力把握教材编写者的意图，了解编写者根据课标在教材中如何创设探究活动，活动之间采用怎样的顺序及相互之间起怎样的作用和关联。在厘清课程标准、教材的纵向、横向脉络后，教师对学生学情进行分析，对学习内容进行整合，精准定位每节课的学习目标，精心设计核心探究活动，站在深度学习的高度去帮助学生学习。（如图）
综上所述，指向深度学习的科学学习设计要围绕“学生是科学学习主体”这核心，紧扣两个实现深度学习的关键，抓住三个基本点，以促进学生“探究未知”为出发点，进行“逆向思维”，确定核心学习任务，然后在教学过程中不断优化科学探究策略，鼓励学生在具体任务或挑战性情境中主动探究，在实践活动中动手设计和创造，这样学生的学习才会不断深化，深度学习才会发生。