指向科学思维培养的“人体内的气体交换”教学设计

陈艳

［摘 要］通过探究实验、模型建构、活动体验、角色扮演等多种形式，将“人体内的气体交换”这一抽象的概念表征成直观形象的模型，使学生的思维可视化。学生在建构模型的过程中动手实践、动脑思考、评价交流、完善改进，最终建构重要概念，发展科学思维，逐步形成结构与功能相适应的生命观念。

［關键词］科学思维；模型建构；气体交换

［中图分类号］    G633.91        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）17-0093-03

一、教材分析

“人体内的气体交换”是苏教版生物学七年级下册第4单元第10章第4节的内容。本节内容属于《义务教育生物学课程标准（2022年版）》主题五“人体生理与健康”中的重要概念“人体通过呼吸系统与外界进行气体交换”下的次位概念“肺泡与周围毛细血管内的血液、毛细血管内的血液与组织细胞进行气体交换”［1］。在此之前，学生已经学习了血液循环的知识，继续学习人体内的气体交换内容有助于学生建构与理解重要概念，形成结构与功能相适应的生命观念。

“人体内的气体交换”内容较抽象，涉及较多概念，学生学习有一定的困难。实践证明，即使教师在教学中结合动画、图片等进行反复强调，学生理解掌握概念的效果也并不好。基于此，笔者尝试通过模型建构，将“人体内的气体交换”这一抽象的知识形象化、具体化和直观化，让学生在亲历与参与模型建构的过程中掌握建构模型的思维方法，内化并构建科学概念，发展科学思维，培养生命观念。

二、教学目标

（1）通过实验探究、模型建构等活动，能理解人体内气体交换的过程和原理，初步形成结构与功能相适应的生命观念。

（2）能正确解读人体内的气体交换示意图，尝试通过建构模型和绘制概念图的方式表达人体内的气体交换过程，初步形成科学思维。

（3）通过对人体内气体交换内容的学习，关注空气质量，养成健康的生活方式。

三、教学过程

（一）创设情境，激发前概念

上课伊始，教师提问：“人体通过呼吸运动实现肺与外界环境的气体交换，那么人体吸入的气体是什么？呼出的气体又是什么？你知道空气中有哪些成分吗？空气中主要的成分是什么？”

设计意图：结合学生在学习本节课内容前已有的认知，以及存在的一些错误观点，如“人体吸入的气体是氧气，呼出的气体是二氧化碳”“呼吸作用就是指呼气、吸气的过程”，创设问题情境，巧妙利用学生的认知冲突，激发学生的批判性思维。

（二）科学探究，培养科学思维

导入本节课后，教师提出新问题：“与人体吸入的气体相比，人体呼出的气体的成分及含量是否发生变化？”引导学生展开科学探究，提出问题并做出假设：呼吸过程中，呼出的气体中二氧化碳含量增多，氧气含量减少。为验证假设，学生进行实验探究。通过科学探究，可有效培养学生的科学思维。

1.探究呼吸过程中二氧化碳含量的变化

学生阅读教材的探究指导。教师提出问题：“该实验能否证明人体呼出的气体中含有较多的二氧化碳？”学生回答“不能”，并指出实验设计的不足之处：缺少对照实验，未控制单一变量。接着，学生小组合作，依据提供的实验器材（气球、打气筒、吸管、试管、澄清石灰水、橡皮泥等）讨论并改进实验方案，尝试画出实验装置示意图。各小组展示实验装置示意图。

教师提问：“该实验的变量是什么？两种气体与人体吸入和呼出的气体有什么关联？”在学生明确实验变量和实验步骤后，师生合作搭建实验装置（见图1），完成该实验的操作及演示，其他学生在教室的大屏幕上同步观看实验过程，并根据实验现象总结实验结论：与吸入气体相比，呼出的气体中含有较多的二氧化碳。

设计意图：创新实验器材，将烧杯更换为试管，将洗耳球换成气球，使实验操作更简单，也可以更好地控制单一变量。设计实验的过程激发了学生的创新思维，学生也在探究过程中学会了选择实验材料、设计实验方案、分析实验结论等的科学研究方法，进而建立科学本质观，成为积极的学习者和思考者。

2.探究呼吸过程中氧气含量的变化

教师继续设问：“呼吸过程中氧气的含量是怎么变化的呢？”教师演示实验：将氧气和二氧化碳浓度传感器的探头放入集气瓶（课前收集了某学生呼出的气体）中，学生观察大屏幕上氧气和二氧化碳含量的实时变化数据，教师进一步引导学生定量分析呼吸过程中氧气和二氧化碳含量的变化，明确与吸入气体相比，呼出气体中氧气含量减少，二氧化碳含量增多。

设计意图：该实验是对教材内容的拓展，利用信息化教学资源开展实验探究，测量呼吸过程中氧气的含量，使定性实验变成定量实验，让学生在量的变化中了解事物的本质，提高思维的深刻性，培养学生的科学思维和科学探究能力。

（三）模型建构，发展科学思维

教师呈现科学测定的数据（人体呼吸过程中气体含量变化表），引导学生思考：为什么呼吸过程中，与人体吸入气体相比，呼出气体中氧气含量减少，二氧化碳含量增多？学生讨论后，得出是人体内发生气体交换的结果。

1.活动体验，感知气体扩散

教师先在讲台处喷洒花露水，再让闻到花露水味的学生举手。教师提问：“请闻到花露水味的同学举手。前排同学和后排同学闻到的花露水味是一样的吗？前排同学闻到的花露水味浓，后排同学闻到的花露水味淡。这是为什么？”学生讨论并表达交流。

教师先适时呈现扩散作用示意图（见图2），引导学生归纳总结扩散作用的发生机制，再引导学生类比推理人体内气体交换的原理：一种气体总是由浓度高的地方向浓度低的部位扩散，直到平衡为止。扩散作用正是人体内气体交换的原理。

教师继续设问：“你有注意到生活中的其他气体扩散的现象吗？”请举例。

设计意图：设计以上体验活动，让学生通过真实体验感受到香味分子运动的过程，并结合图1所示的扩散作用示意图来说明气体交换的原理，固化学生的亲身感受，化抽象为形象，帮助学生形成理性思考的习惯，提升学生的思维能力。

2.問题引领，再析血液循环

教师展示血液循环路径图，并抛出系列问题：血液循环分为哪两个途径？你能分别描述肺循环和体循环的途径吗？肺循环和体循环是同时进行的吗？经过肺循环，血液成分发生什么变化？经过体循环，血液成分又发生什么变化？学生描述体循环和肺循环的路径，区分体循环和肺循环中血液成分的变化，辨别静脉血和动脉血。

教师继续设疑：动脉血和静脉血有什么特点？为什么经过肺泡和组织细胞处时血液成分会发生变化呢？

设计意图：引导学生对血液循环路径及血液成分的变化进行复习与回顾，使学生理解血液循环对气体运输具有重要作用，也与人体内的气体交换密切相关，为之后建构物理模型和概念模型，突破教学难点做好准备。

3.建构物理模型，模拟气体交换

学生在课前以小组为单位自选材料设计并制作气体交换学具。师生讨论交流，明确模型中的各个结构及材料分别模拟人体内气体交换中的哪些结构，将模型与原型相对应。课堂上，教师要求学生利用自制学具组织语言从交换部位、交换方向、交换结果三个方面分别模拟肺泡处的气体交换和组织细胞处的气体交换。

（1）肺泡处的气体交换

人体通过吸气，使外界空气进入肺泡，此时肺泡内含O2较多，含CO2较少（可以用7个黄色卡片表示O2、2个蓝色卡片表示CO2），同时含O2较少的静脉血（用4个蓝色卡片表示CO2，1个黄色卡片表示O2）流经肺部毛细血管时（交换部位），由于肺泡内的氧浓度高于静脉血中的氧浓度，因此氧由肺泡向血液扩散，而二氧化碳由血液扩散进入肺泡（交换方向）。经气体交换后，静脉血变为含氧丰富的动脉血（交换结果）。最后肺泡里的CO2经过呼气排出体外。（见图3）

（2）组织细胞处的气体交换

当动脉血流经组织细胞外的毛细血管时（交换部位），血液含O2较多，同时组织细胞进行呼吸作用后产生较多CO2。根据气体交换原理，学生描述出氧由血液向组织细胞扩散，而CO2由组织细胞向血液扩散（交换方向）。经过组织细胞里的气体交换，动脉血变为静脉血（交换结果）。静脉血经过血液循环，流回肺泡处，再进行气体交换。（见图4）

小组组员分别模拟并互评。模拟结束后，各小组代表上台展示模拟成果（见图3和图4）。教师再引导学生观察各组的模型，进行分析与评价，找出共同点与差异，并提出修改建议，最后各小组调整和修正模型。

设计意图：利用模型建构活动，学生用自制的学具分别模拟肺泡里的气体交换过程和组织细胞里的气体交换过程，并进行展示交流，以此来突破学习难点。模型建构活动能大大激发学生的学习兴趣，而学生在有意义的学习活动体验中进行分析、类比、推理、解释，逻辑思维能力得到了锻炼，科学思维得到了发展。

4.绘制概念图，建构概念模型

教师设问：“肺泡里的气体交换与组织细胞里的气体交换是同时进行的吗？”教师播放人体内的气体交换视频，学生观看并积极思考。教师继续追问：“我们吸入的氧气如何到达组织细胞？呼出的二氧化碳来自哪里？”学生思考并尝试描述氧气到达组织细胞的路径、二氧化碳的来源及排出路径，梳理呼吸的全过程，完善概念建构。

教师引导学生通过文字、箭头和图形绘制“人体内的气体交换”概念图，建构“人体内的气体交换”概念模型（见图5）。

设计意图：通过自制的物理模型模拟人体内的气体交换，学生对复杂的、抽象的气体交换有了感性且直观的认识。教师引导学生整体把握“呼吸”“呼吸作用”“气体交换”几个概念之间的区别和联系，并自主绘制概念图，建构人体内的气体交换概念模型。基于证据和逻辑而建构概念的过程，能促进学生深入理解概念，提升学生的思维能力。

（四）思维拓展，培养生命观念

教师展示四张图片（分别是肺的通气、肺泡处的气体交换、血液循环、组织细胞处的气体交换），引导学生开展角色扮演游戏：

（1）帮O2“上岗”——我是空气中的O2，谁能把我送到组织细胞中去透透气！

（2）为O2找“工作——我终于进到细胞里了！我太高兴了！我要负责什么工作呢？

（3）请在“人体地图上”画出“O2”和“CO2”的行走路线。

设计意图：通过前面的学习，学生对人体内的气体交换的原理及全过程已有所了解，通过设计角色扮演游戏（1）进一步揭示了“呼吸”与“血液循环”的密切联系；设计角色扮演游戏（2）说明呼吸的实质，为下一节“人体的能量供给”铺路搭桥。角色扮演游戏（3）要求画出“O2”和“CO2”的行走路线，可以让学生有一个直观的、整体化的概念，在不知不觉中完善重要概念的建构，使学生的科学思维得到进一步的发展。结构与功能相适应的生命观念目标达成也就水到渠成［2］。

四、教学反思

本节课有较多的概念，又涉及血液循环的知识，既抽象又微观。要使概念形象化、结构化需要借助模型与建模，而模型与建模既是学科核心素养的重要组成部分，又是发展学生学科核心素养的重要方法和必要手段。本节课中，教师通过探究实验、模型建构、活动体验、角色扮演等多种形式丰富了学生的学习体验，提升了学生学习生物的兴趣。学生在经历分析、评价、创造、判断、概述、评论和设计等高阶思维活动后，不仅了解了人体内气体交换的过程，而且理解了人体内气体交换的意义，还形成了结构与功能观，提升了科学思维能力，培养了学科核心素养。

［   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［M］.北京：北京师范大学出版社，2022．

［2］  任丹丹，李晓杰，刘艳秋，等.基于学习任务驱动的“细胞的分化”课堂教学设计［J］.生物学教学，2022（1）：49-51.