基于STEM理念的初中生物學“呼吸運動”教學設計與實踐

張永

摘要 STEM 理念強調真實情境中不同學科知識的整合，生物學具有跨學科的特點，以呼吸運動模型的構建為紐帶，鏈接生物學大概念、重要概念和次位概念，促進學生從碎片化學習向系統化學習的轉變，提升跨學科實踐和模型思維能力。

關鍵詞 STEM 理念 跨學科實踐 呼吸運動模型

中圖分類號 G633.91???????????? 文獻標志碼 B

1 背景分析

《義務教育生物學課程標準（2022年版）》的課程內容設置了生物與社會·跨學科實踐，以促進學生對科學、技術、工程、數學等學科之間關系的理解[1]。 STEM 是科學、技術、工程和數學英文單詞的縮寫。其基本思想是強調基于真實情境的不同學科知識的相互融合，反映學科知識之間的相關性，構建學習內容的知識體系。

雖然初中生物知識與日常生活中的常見現象聯系緊密，但是學生在運用所學知識解決實際問題時，總是困難重重。一方面，生物學知識零散，學生不能使之系統化，另一方面，學生在科學、技術、工程和數學等方面缺乏相關概念，還不能通過設計并實施相應的跨學科實踐來尋求生物學問題的答案。因此，課堂教學必須從原來的局部視野轉向整體視野，使教師的課堂教學從碎片化教學轉向系統化指導，最終促進學生從碎片化學習向系統化學習的轉變[2]。

2 教學內容的分析

“呼吸運動”是江蘇鳳凰教育出版社《生物學》七年級下冊“人體和外界環境的氣體交換”第二課時的內容，其中包含大概念“人體的結構與功能相適應，各系統協調統一，共同完成復雜的生命活動”，重要概念“人體通過呼吸系統與外界進行氣體交換”，次位概念“呼吸運動可以實現肺與外界的氣體交換”。呼吸系統的結構和功能是呼吸運動的基礎，而胸廓的結構和功能是保障，胸部容積和氣壓變化是能否進行呼吸運動的關鍵。通過運用科學、技術、工程和數學領域的知識原理，分析探究實踐過程，發展學生的學科核心素養。基于 STEM 理念的教學設計與實踐，有助于學生形成人體結構與功能相適應、各系統協調統一的生命觀念。本節教學內容在不同學科領域分析如表1所示。

3 教學對象的分析

根據兒童心理學家皮亞杰的認知發展理論，七年級學生的思維發展過程是從視覺思維到抽象思維，從簡單的比較分類到分析、綜合、概括的發展，在心理和認知上都處于過渡時期，其個性是完成教學目標的重要條件。他們在課堂上勤于提問，樂于動手，敢于探索，但很難集中注意力進行系統的概念學習，表現出獲取知識的碎片化。STEM理念強調多學科知識的融合，創設真實情境解決實際問題。基于 STEM 理念的教學活動設計，使學生充分展示專注于思維過程的動手操作，從而實現對生物學概念全面系統的掌握，是生物概念教學的有效支架。

4 教學實踐

通過設計基于 STEM 理念的建模活動，綜合運用科學、技術、工程、數學等領域的知識，進行重要概念“呼吸運動”的深度學習，使學生由低階思維向高階思維發展。

4.1活動導入

教師播放呼吸系統的呼吸過程動畫并提問：你看到了什么？學生描述吸氣導致胸廓擴大的現象。教師追問：是胸廓擴大導致吸氣呢，還是吸氣后導致胸廓擴大？這些變化與呼吸有什么關系呢？

4.2新課學習

4.2.1教學環節一：胸廓變化與吸氣、呼氣的關系

教師提問：怎樣驗證胸廓擴大縮小與呼吸的關系呢？學生用一個手指堵住注射器針管口，另一只手則向內推或者向外拉注射器活塞柄，感受手指壓力的變化。學生根據數據變化判斷注射器內氣體的流動方向（表2），并得出結論：當呼吸系統參與呼吸運動時，肺內氣壓大于外界大氣壓則吸氣，反之則呼氣，說明吸氣和呼氣是由于具有壓力差而導致的，所以是胸廓擴大導致的吸氣。

教學反思：學生對氣體的流向原理不易理解，通過設計簡單易操作的實踐活動和數據的直觀對比，運用物理原理解釋生物學現象產生的原因，培養學生跨學科知識的應用能力。

4.2.2教學環節二：胸廓與肺的變化關系

教師應用學生生活中常見的現象舉例：體育課上，當聽到老師的口令“立正”時，大家馬上站得筆直，而當老師說“下課”時，你們立刻就全身放松，說明了這些行為是受大腦控制的。大腦通過控制肌肉收縮，帶動著骨產生運動，于是就有了上述現象。呼吸運動除了肺的變化外，胸廓的擴大和縮小也需要包括肌肉在內的結構參加。據此，教師提問：這些結構有哪些呢？為了解決這個問題，學生需要弄明白胸廓的組成。教師帶領學生在仿真靜態模型中認識并掌握脊柱、胸骨、肋骨、肋間肌、膈的對應位置關系，注意觀察多媒體動態模型中肋間肌、膈肌在胸廓擴大和縮小時的狀態變化。

教學反思：教師聯系生活，幫助學生理解胸廓的擴大和縮小與肺的變化關系，引導學生關注身邊的生物學。

4.2.3教學環節三：構建模型，解決跨學科知識的應用

教師提問：胸廓與肺的變化存在什么樣的關系從而導致呼吸運動的發生呢？為了便于理解，教師引導學生通過構建模型來模擬呼吸運動的發生過程。教師明確活動目標：以小組為單位，首先結合膈肌和胸廓各部分結構之間的關系，遵循能清晰地模擬吸氣和呼氣過程中相關結構變化的原則，選擇適宜材料制作模型。其次按照胸廓和呼吸系統各結構之間的關系模擬展示呼吸運動。教師引導學生在構建模型時需要充分考慮：（1）選擇的材料能模擬各部分結構；（2）制作的模型可以完整呈現肺、胸廓、膈肌的變化；（3）學生可以先構思，然后邊做邊修改。學生構建模型的過程中，先觀看虛擬仿真模型視頻，充分構思；在制作過程中進行組內交流合作，及時解決遇到的疑難問題。

A、B 兩組學生制作呼吸運動模型見表3，兩組學生的選材不同，但為了使模擬現象明顯，達成的共識有：（1）要保證模型中飲料瓶或者飲料杯的氣密性；（2）“Y”型吸管的長度適宜，注意和飲料瓶或者飲料杯壁之間的距離。

4.2.4教學環節四：評價修正模型

由A、B 兩組學生到講臺介紹并展示自己小組制作的模型；展示完畢后，請其他小組同學對兩組的模型進行評價；教師對兩組的模型進行總結性評價。在A、B 兩組同學分別模擬呼吸運動時，其他學生應思考在模擬呼吸運動時的不足之處；最后，兩組學生結合老師和其他學生對模型的評價，反思模型的改進。學生組間評價發現：A、B兩組的模型均可以模擬呼吸運動的過程，其中A組模型肺的擴大和縮小現象沒有B組模型的現象明顯。結合小組制作的模型，學生發現選擇用飲料杯模擬胸廓可以看到更明顯的現象，這可能是和飲料杯的底部空間較大有關系，建議選材時應考慮模擬胸廓的大小改變對肺的擴大縮小的影響。UCI，教師總結：A、B兩組介紹和展示呼吸運動模型時，選擇了不同的材料。通過剛才的對比發現，B組制作的模型模擬效果明顯，因此在設計制作前的材料選擇也很重要。

教師繼續提問：從模擬呼吸運動的過程思考，B組的模型還需進一步完善的地方嗎？學生思考、討論、交流后指出：B 組模型如果能在飲料杯外壁呈現出胸廓的結構就更好了，這樣模擬胸廓的擴大和縮小更直觀，能清晰地模擬呼吸運動時胸廓和膈肌的變化與呼氣、吸氣的關系。教師對學生的想法表示肯定與鼓勵，并請學生再次以小組為單位，根據剛才的模型評價結果，對呼吸運動模型進行修正（圖1）。

在進行修正前，學生分別對模型中“氣管”ab、“支氣管”bc 和bd 的長、杯底的直徑和“支氣管”bc、bd 之間的夾角α進行了測量，獲取了一系列的數據（表4）。在觀察記錄不同數據的模型在模擬呼吸運動的現象時，學生發現同種胸廓材料制作的模型中，模擬效果取決于模型中支氣管之間的夾角和兩支氣管末端與胸廓之間的距離。學生用修正后的模型模擬呼吸運動，觀察呼吸運動前后所發生的變化及現象，從具體數字分析呼吸運動中不同結構之間的位置關系，進一步理解呼吸運動這一重要生物學概念。

教學反思：在模型的制作、展示、修正、測量所創設的真實情境中，學生綜合運用跨學科知識，深入理解肋間肌、膈肌的收縮和舒張與肺的容積大小之間的關系，及時展示學習成果，激發學生學習興趣，牢固掌握所學知識，發展了學生科學思維能力。

4.2.5拓展應用

教師指出：呼吸運動影響每個人的呼吸，肺活量可以衡量呼吸是否對健康有影響，其大小可以用肺活量計測得，肺活量是反映人體健康狀況的一項指標。我國初中生肺活量標準為2000-2500 ml，成年人肺活量標準是2500-4000 ml。

基于此背景，教師請學生設計并制作一種簡易肺活量測試器具，運用掌握的肺活量測量方法，分別給家庭中不同年齡層次的人測量肺活量，把測得的數據與不同年齡標準對比，為他們的健康出謀劃策。

教學反思：教師給學生一定空間來擴展他們的思維，并嘗試拓寬生物學科知識的深度和廣度，用呼吸運動的知識增進身體健康，向他人傳遞正確的健康觀念，體現了一名中學生的態度和責任。

5 結語

基于STEM理念的教學活動體現了生物學與多學科知識的融合，在生物學概念的學習中形成系統的生物學知識。但它需要生物教師花費更多的時間和精力，以STEM理念完成教學設計，不斷探索和實踐跨學科整合的方法，綜合運用多種評價方式，實現生物學課堂教學模式的轉變。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育生物學課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2]陳細波.從碎片化教學到系統化導學的課堂改革[J].教學與管理，2021（5）：12-15.