基于STEM理念的初中生物学“呼吸运动”教学设计与实践

张永

摘要 STEM 理念强调真实情境中不同学科知识的整合，生物学具有跨学科的特点，以呼吸运动模型的构建为纽带，链接生物学大概念、重要概念和次位概念，促进学生从碎片化学习向系统化学习的转变，提升跨学科实践和模型思维能力。

关键词 STEM 理念 跨学科实践 呼吸运动模型

中圖分类号 G633.91             文献标志码 B

1 背景分析

《义务教育生物学课程标准（2022年版）》的课程内容设置了生物与社会·跨学科实践，以促进学生对科学、技术、工程、数学等学科之间关系的理解[1]。 STEM 是科学、技术、工程和数学英文单词的缩写。其基本思想是强调基于真实情境的不同学科知识的相互融合，反映学科知识之间的相关性，构建学习内容的知识体系。

虽然初中生物知识与日常生活中的常见现象联系紧密，但是学生在运用所学知识解决实际问题时，总是困难重重。一方面，生物学知识零散，学生不能使之系统化，另一方面，学生在科学、技术、工程和数学等方面缺乏相关概念，还不能通过设计并实施相应的跨学科实践来寻求生物学问题的答案。因此，课堂教学必须从原来的局部视野转向整体视野，使教师的课堂教学从碎片化教学转向系统化指导，最终促进学生从碎片化学习向系统化学习的转变[2]。

2 教学内容的分析

“呼吸运动”是江苏凤凰教育出版社《生物学》七年级下册“人体和外界环境的气体交换”第二课时的内容，其中包含大概念“人体的结构与功能相适应，各系统协调统一，共同完成复杂的生命活动”，重要概念“人体通过呼吸系统与外界进行气体交换”，次位概念“呼吸运动可以实现肺与外界的气体交换”。呼吸系统的结构和功能是呼吸运动的基础，而胸廓的结构和功能是保障，胸部容积和气压变化是能否进行呼吸运动的关键。通过运用科学、技术、工程和数学领域的知识原理，分析探究实践过程，发展学生的学科核心素养。基于 STEM 理念的教学设计与实践，有助于学生形成人体结构与功能相适应、各系统协调统一的生命观念。本节教学内容在不同学科领域分析如表1所示。

3 教学对象的分析

根据儿童心理学家皮亚杰的认知发展理论，七年级学生的思维发展过程是从视觉思维到抽象思维，从简单的比较分类到分析、综合、概括的发展，在心理和认知上都处于过渡时期，其个性是完成教学目标的重要条件。他们在课堂上勤于提问，乐于动手，敢于探索，但很难集中注意力进行系统的概念学习，表现出获取知识的碎片化。STEM理念强调多学科知识的融合，创设真实情境解决实际问题。基于 STEM 理念的教学活动设计，使学生充分展示专注于思维过程的动手操作，从而实现对生物学概念全面系统的掌握，是生物概念教学的有效支架。

4 教学实践

通过设计基于 STEM 理念的建模活动，综合运用科学、技术、工程、数学等领域的知识，进行重要概念“呼吸运动”的深度学习，使学生由低阶思维向高阶思维发展。

4.1活动导入

教师播放呼吸系统的呼吸过程动画并提问：你看到了什么？学生描述吸气导致胸廓扩大的现象。教师追问：是胸廓扩大导致吸气呢，还是吸气后导致胸廓扩大？这些变化与呼吸有什么关系呢？

4.2新课学习

4.2.1教学环节一：胸廓变化与吸气、呼气的关系

教师提问：怎样验证胸廓扩大缩小与呼吸的关系呢？学生用一个手指堵住注射器针管口，另一只手则向内推或者向外拉注射器活塞柄，感受手指压力的变化。学生根据数据变化判断注射器内气体的流动方向（表2），并得出结论：当呼吸系统参与呼吸运动时，肺内气压大于外界大气压则吸气，反之则呼气，说明吸气和呼气是由于具有压力差而导致的，所以是胸廓扩大导致的吸气。

教学反思：学生对气体的流向原理不易理解，通过设计简单易操作的实践活动和数据的直观对比，运用物理原理解释生物学现象产生的原因，培养学生跨学科知识的应用能力。

4.2.2教学环节二：胸廓与肺的变化关系

教师应用学生生活中常见的现象举例：体育课上，当听到老师的口令“立正”时，大家马上站得笔直，而当老师说“下课”时，你们立刻就全身放松，说明了这些行为是受大脑控制的。大脑通过控制肌肉收缩，带动着骨产生运动，于是就有了上述现象。呼吸运动除了肺的变化外，胸廓的扩大和缩小也需要包括肌肉在内的结构参加。据此，教师提问：这些结构有哪些呢？为了解决这个问题，学生需要弄明白胸廓的组成。教师带领学生在仿真静态模型中认识并掌握脊柱、胸骨、肋骨、肋间肌、膈的对应位置关系，注意观察多媒体动态模型中肋间肌、膈肌在胸廓扩大和缩小时的状态变化。

教学反思：教师联系生活，帮助学生理解胸廓的扩大和缩小与肺的变化关系，引导学生关注身边的生物学。

4.2.3教学环节三：构建模型，解决跨学科知识的应用

教师提问：胸廓与肺的变化存在什么样的关系从而导致呼吸运动的发生呢？为了便于理解，教师引导学生通过构建模型来模拟呼吸运动的发生过程。教师明确活动目标：以小组为单位，首先结合膈肌和胸廓各部分结构之间的关系，遵循能清晰地模拟吸气和呼气过程中相关结构变化的原则，选择适宜材料制作模型。其次按照胸廓和呼吸系统各结构之间的关系模拟展示呼吸运动。教师引导学生在构建模型时需要充分考虑：（1）选择的材料能模拟各部分结构；（2）制作的模型可以完整呈现肺、胸廓、膈肌的变化；（3）学生可以先构思，然后边做边修改。学生构建模型的过程中，先观看虚拟仿真模型视频，充分构思；在制作过程中进行组内交流合作，及时解决遇到的疑难问题。

A、B 两组学生制作呼吸运动模型见表3，两组学生的选材不同，但为了使模拟现象明显，达成的共识有：（1）要保证模型中饮料瓶或者饮料杯的气密性；（2）“Y”型吸管的长度适宜，注意和饮料瓶或者饮料杯壁之间的距离。

4.2.4教学环节四：评价修正模型

由A、B 两组学生到讲台介绍并展示自己小组制作的模型；展示完毕后，请其他小组同学对两组的模型进行评价；教师对两组的模型进行总结性评价。在A、B 两组同学分别模拟呼吸运动时，其他学生应思考在模拟呼吸运动时的不足之处；最后，两组学生结合老师和其他学生对模型的评价，反思模型的改进。学生组间评价发现：A、B两组的模型均可以模拟呼吸运动的过程，其中A组模型肺的扩大和缩小现象没有B组模型的现象明显。结合小组制作的模型，学生发现选择用饮料杯模拟胸廓可以看到更明显的现象，这可能是和饮料杯的底部空间较大有关系，建议选材时应考虑模拟胸廓的大小改变对肺的扩大缩小的影响。UCI，教师总结：A、B两组介绍和展示呼吸运动模型时，选择了不同的材料。通过刚才的对比发现，B组制作的模型模拟效果明显，因此在设计制作前的材料选择也很重要。

教师继续提问：从模拟呼吸运动的过程思考，B组的模型还需进一步完善的地方吗？学生思考、讨论、交流后指出：B 组模型如果能在饮料杯外壁呈现出胸廓的结构就更好了，这样模拟胸廓的扩大和缩小更直观，能清晰地模拟呼吸运动时胸廓和膈肌的变化与呼气、吸气的关系。教师对学生的想法表示肯定与鼓勵，并请学生再次以小组为单位，根据刚才的模型评价结果，对呼吸运动模型进行修正（图1）。

在进行修正前，学生分别对模型中“气管”ab、“支气管”bc 和bd 的长、杯底的直径和“支气管”bc、bd 之间的夹角α进行了测量，获取了一系列的数据（表4）。在观察记录不同数据的模型在模拟呼吸运动的现象时，学生发现同种胸廓材料制作的模型中，模拟效果取决于模型中支气管之间的夹角和两支气管末端与胸廓之间的距离。学生用修正后的模型模拟呼吸运动，观察呼吸运动前后所发生的变化及现象，从具体数字分析呼吸运动中不同结构之间的位置关系，进一步理解呼吸运动这一重要生物学概念。

教学反思：在模型的制作、展示、修正、测量所创设的真实情境中，学生综合运用跨学科知识，深入理解肋间肌、膈肌的收缩和舒张与肺的容积大小之间的关系，及时展示学习成果，激发学生学习兴趣，牢固掌握所学知识，发展了学生科学思维能力。

4.2.5拓展应用

教师指出：呼吸运动影响每个人的呼吸，肺活量可以衡量呼吸是否对健康有影响，其大小可以用肺活量计测得，肺活量是反映人体健康状况的一项指标。我国初中生肺活量标准为2000-2500 ml，成年人肺活量标准是2500-4000 ml。

基于此背景，教师请学生设计并制作一种简易肺活量测试器具，运用掌握的肺活量测量方法，分别给家庭中不同年龄层次的人测量肺活量，把测得的数据与不同年龄标准对比，为他们的健康出谋划策。

教学反思：教师给学生一定空间来扩展他们的思维，并尝试拓宽生物学科知识的深度和广度，用呼吸运动的知识增进身体健康，向他人传递正确的健康观念，体现了一名中学生的态度和责任。

5 结语

基于STEM理念的教学活动体现了生物学与多学科知识的融合，在生物学概念的学习中形成系统的生物学知识。但它需要生物教师花费更多的时间和精力，以STEM理念完成教学设计，不断探索和实践跨学科整合的方法，综合运用多种评价方式，实现生物学课堂教学模式的转变。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育生物学课程标准（2022年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2]陈细波.从碎片化教学到系统化导学的课堂改革[J].教学与管理，2021（5）：12-15.