基于“结构与功能”的小学科学教学

科学课程标准从科学观念、科学思维、探究实践和态度责任四个方面提出了科学课程核心素养，并设置了13个学科核心概念和4个跨学科概念。跨学科概念“结构与功能”作为科学课程的发展性目标，横跨了物质科学领域、生命科学领域、地球与宇宙科学领域、技术与工程领域。我们只有厘清教材中所包含的跨学科概念，才能将其落实在教学中。《身体的运动》一课的内容属于核心概念“生命系统的构成层次”，又涉及“系统与模型”“结构与功能”两个跨学科概念，本文主要聚焦“结构与功能”。

一、教学分析

结构与功能相统一，结构决定功能，功能反映结构的状态。如果人体某个部位的功能减弱了，就说明该部位可能出现了问题，反之亦然。学生形成跨学科概念“结构与功能”后，就可以用科学的眼光看问题，从结构和特征分析、猜测系统的功能，也可以从物质功能分析、推测可能的结构和特征。这种科学思维方式有利于学生高阶思维的发展，并在之后的工程设计课程中得到迁移及应用。

《身体的运动》是五年级“我们的身体”单元的第二课，该单元包括《身体的运动》《心脏和血液》《身体的“总指挥”》《身体的“联络员”》四课。继四年级“呼吸与消化”单元之后，本课又一次站在人体器官、系统的角度认识人体，带领学生深入了解人体的工作机制，从而更好地维护身心健康。本课重在培养学生用系统的、联系的思维方式认识人体运动系统，为学生逐步建构“人体由多个系统组成，各系统分工配合，共同维持生命活动”的概念搭建阶梯。教学中，教师让学生以看、摸、捏等方式重新认识身体的外部形态，在建模中经历“猜测—推理—验证”过程，充分感知骨、关节、肌肉等结构的特征，从而能分析其对应的功能；在“比较—分析—归纳”的析模过程中认识到人体的运动是骨、关节和肌肉三者协同完成的，提升学生对人体运动系统的认识，感叹人体的奇妙之处；类比自然界的物体，让学生体会科学与生活的密切联系。至于骨、关节、肌肉的具体名称及概念，则无须让学生记忆。

基于课程标准的要求和教材分析，本课从“外部形态—内部结构—结构与功能”三个角度进行递进式教学，以“问题串”的形式帮助学生认识人体运动系统的结构与功能（如图1），让学生从科学的视角看自然界中运动的结构与功能，意识到知识间存在关联，促进知识的整合与结构化。教学中，教师通过猜测、分析、验证、归纳、演绎等思维活动，提升学生的科学核心素养。

二、教学过程

1.聚焦问题

一个能调起学生学习兴趣的情境，不仅要以学生为学习主体，也要能将他们的注意力聚焦到待研究的问题上。在《身体的运动》课前活动中，教师播放“幸福拍手歌”，让学生跟着音乐动动手脚，迅速将注意力聚焦到本节课的核心问题上：身体的哪些部位参与了运动？它们是如何完成这一系列运动的？

2.建模：形态与结构

（1）观察感受——重识外部形态

小学生的认知顺序基本是先直接感知表象，再形成科学概念。在反复举哑铃的动作中，教师引导学生关注右上臂的屈伸运动，他们通过看、摸、捏等观察方法充分体验并收集相关信息。以此为基准，学生的关注点从外部形态运动转移到右上臂内部结构，并对此做出有依据的猜测。

（2）概念修正——组建内部结构

身体的内部结构是学生的认知盲点。如果学生说手臂里面的相关结构，教师应及时介绍科学专用的名词，描述它们的具体位置，并解释其功能。课堂不仅需要提取本课内容的知识，还要点明其他碎片化知识，让学生找到相关联之处，为人体各系统之间的联系搭建桥梁。

活动：感受屈肘运动

体验。学生代表演示举哑铃动作，全班学生一起进行两次肘关节运动（1次屈臂，1次伸臂）。

观察。通过摸一摸、捏一捏、动一动等观察方法感受骨、关节、肌肉的部分特征。

问题。在举哑铃的过程中，身体的哪个部位参与了运动？右上臂内部哪些主要的部位帮助它运动？（反复演示动作，引导学生关注屈臂、伸臂动作）

猜测。血液、神经、骨、关节、肌肉、筋等。

分析。血液（一直不停地在流动，为运动提供营养和氧气）、青筋（血液的流通管道）、神经（身体的联络员，为大脑传递信号）、肌腱（肌肉的组成部分附在骨上）、手臂内的骨（前臂和上臂都是硬硬的）、关节（骨与骨连接的部位）、肌肉（摸起来有弹性）。

3.析模：结构与功能

（1）演示模型——结构决定功能

人体的器官都是由结构决定功能：骨骼的组织非常坚硬，可以支撑人体的运动；关节把相邻的两块骨连接起来，且软骨表面光滑，让转动更加自如；肌肉柔韧且有弹性并黏附在骨骼上，提供动力的同时带动骨转动。五年级学生的认知方式已从具体形象过渡到抽象概括，他们通过摸一摸、捏一捏、动一动等观察活动充分感受后，不难分析出骨、关节、肌肉的部分特征，猜测它们在屈、伸运动中相应的功能。同时，教师可以利用演示模型（如图2）来创设不同情境，如骨的材料选择绳子会怎么样？像什么动物（章鱼，无脊椎动物，身体软趴趴的）？没有关节又会怎么样？……学生在分析和对比不同材料的过程中，感知物体的结构决定了其功能。

活动：分析演示模型

呈现。出示松垮垮的电线和圆规的木杆，供学生选择；圆规交接处不拧和拧上螺丝的对比；圆规依次绑上2个气球（先肱二头肌，后肱三头肌），感受两块肌肉的不同效果。

追问。依次组装模型（骨—关节—肌肉），木杆相当于什么？为什么要选择硬的木杆，选择绳子会怎么样？螺丝、螺母相当于什么？有了它们会怎么样？气球相当于什么？如何让它动起来？为什么这个模型只能做屈臂运动，不能做伸臂运动（绑肱二头肌时）？现在呢（绑肱三头肌时）？

分析。圆规的木杆是坚硬的，更适合起到支撑的作用。拧上螺丝，让转动更加自如。只有安装内侧和外侧两个气球后才能实现手臂的屈伸运动，肌肉的收缩和舒张为手臂的运动提供动力。

小结。原来，我们手臂的运动是骨、关节、肌肉三者协同完成的，其中，肌肉附在骨上，为骨的运动提供了动力，从而将负重的前臂抬起。

（2）自制模型——功能反映结构

教师出示自制肘关节运动模型的材料，学生通过观察并分析材料的作用特征，指出材料所对应的肘关节运动模型中的部分。在汇报环节，学生要类比不同小组的自制运动模型（如图3），分析其中的差异。例如，3个模型都可以做屈臂运动，不同的地方是外侧皮筋的绑法，3-a拉动外侧皮筋无法做伸臂运动，3-b外侧皮筋可以做伸臂运动，但相对于3-c比较费力，并且肌肉太松垮，在形态上与我们的手臂模型不相符。模型对应的功能减弱了，这侧面地反映对应的结构上出了问题。科学理论并非一成不变，而是不断演变的，理论修改是科学理论演变的一种方式。学生对科学概念的认识也需要一个逐步渐进的过程，需要在探究过程中不断完善对科学概念的认识和理解。

活动：制作运动模型

实验材料。2根打上工字钉的筷子、1节吸管（伸缩转折点）、2组皮筋、胶带和剪刀（备注辅助材料）、操作说明书、记录单等。

问题。筷子、吸管、皮筋分别有什么特征？起到了什么作用？又相当于什么？

分析。筷子比较坚硬，可以支撑身体的运动，相当于骨；吸管两边的洞口可以连接物体，还可以通过弯曲让转动更加灵活，相当于关节；皮筋有弹性，通过拉伸提供动力，相当于肌肉。

对比。三个小组的模型有什么差异？尝试拉动皮筋测试模型，出现了什么问题？如何调整？

诊断。3-a实现不了伸臂运动，3-b模型在结构上（肱三头肌）出现了问题，应该把皮筋附在两根筷子上。

小结。手臂的运动是骨、关节、肌肉三者协同完成的，其中，肌肉附在两节骨上，为骨的运动提供了动力，从而将负重的前臂抬起。

4.拓展应用

（1）归纳概括——从肘关节运动回归身体运动

从局部到整体不是一个单向的过程，而是一个反复的过程。从肘关节运动的特征出发，寻找身体其他部位运动的共性，通过检验不难发现，只要找准关节这个支点，就能找到连接关节的两节骨和附在骨上面的肌肉。再从个别到一般，归纳概括身体所有的肢体运动都由三者协同完成，让学生不由感叹身体的奇妙之处，从而意识到要更好地保护身体。经历科学概念的发现、迁移、检验、归纳等过程，学生更好地发展了科学思维。

活动：归纳身体运动

问题。身体的其他部位运动是否和肘关节运动一样呢？看一看、动一动、摸一摸，找出其中骨、关节、肌肉的位置。（肩关节运动、下颌关节运动、课前幸福拍手歌等。）

分析。关键是先找关节这个支点，这样顺势就能找到连接关节的两节骨并摸到附在骨上面的肌肉。

阅读。通过课本中的资料了解更多的知识。

学生小结。我们的身体居然有200多块骨头和600多块肌肉，人体真的好奇妙！所有的肢体动作都是骨、关节、肌肉协同完成的，它们共同组成了人体的运动系统。

引导。它们如此奇妙，我们更应该好好地保护它们。为了促进骨骼和肌肉的良好发育，我们应该做什么？

教师小结。正确的坐姿、经常参加运动等，这些能让我们的身体变得更加强壮，柔韧性也会更好，还能增强免疫力。

（2）演绎推理——从全身运动回归自然界运动

科学源于生活，生活蕴含科学，想要学好科学，就要有一双善于观察的眼睛。每个学生都具有强烈的好奇心和探究欲，教师要善于引导他们挖掘生活中的科学元素，并利用所学的科学知识，分析生活中类似身体运动结构的物体或现象。看似简单常见的事情，其实暗藏着科学奥秘。如教室里最常见的开关门动作，人就是提供动力的肌肉，合页就是转动灵活的关节，门就是支撑运动的骨。从一般到个别，科学需要回归现实生活，这不仅提高学生应用科学知识的能力，更有利于他们建构跨学科概念。

三、教学反思

教育心理学家布鲁纳认为，教学应该授予学生对学科基本知识结构的一般理解，仅教导某些具体知识与技能是低效的。结合跨学科概念的教学，不仅让课堂的学习有了深度，也让板书的呈现有了灵魂，还让学生能够理性看待自然界事物。

1.有效的阶梯式学习

学习的实质是人把同类事物串联起来，并把它们组织成有意义的结构，让知识在头脑中形成系统化结构，从而掌握学科基本结构的重组途径。在《身体的运动》这节课中，学生通过“外部形态—内部结构—结构与功能”三个层次递进地学习，从外部形态观察到内部结构猜测，接着在活动中不断检验自己的所思所想，了解人体运动系统是三者协同工作的事实性知识，然后归纳概括，从个别到一般，形成了概念性知识和方法性知识。以科学概念的层级结构为基础（如图4），课中不断地渗透人体运动系统结构与功能的相互联系，最后引导学生关注自然界的运动，演绎推理，从一般到个别，建构学科本质性知识。

2.别样的结构化板书

有效的结构化板书能条理清晰地反映教学核心内容和知识脉络体系，能帮助学生从整体上明晰核心要点，厘清学习思路，构建系统化的认知体系（如图5）。从对比图中我们可以发现，左图的板书分3块内容“模型—名称—作用”，右图的板书也分3块内容“形态—结构—功能”，但更有灵性。有时小小的符号可以起到画龙点睛的作用，虚线框住的不是事实性知识，而是把科学关键性的知识进行串联与整合。这样的板书设计符合本课的教学思路，呈现出融入跨学科概念的优势。

3.长久的发展性价值

一节课的学习目标到底是什么？一节课的教育价值在哪里？我们希望学生学习完一节课的内容后，长久不忘记的东西又是什么？从学科本质的角度来看，跨学科概念是经得起学生持续利用和发展的内容，能帮助他们应对学习与生活中遇到复杂的问题。本课教学根据学生认知发展规律，从三个方面对教材进行重新建构，通过恰当的教学策略，提高学生对学科基本知识的理解，促进他们学习正确的科学思维方式，留给他们具有持久价值的跨学科概念。学生一旦掌握这种概念，就能容纳诸多与该学科相关的内容，在实际生活中自主获取更多知识，提高迁移思维和综合思维能力。

小结

跨学科概念“结构与功能”的建构是循序渐进的过程，不可能通过一节课的学习达成。在同系列的课程中不断融入跨学科概念教学，持续不断地渗透才能推动学生“结构与功能”跨学科概念的建构，最终应用于生活，让他们可以分析和解决实际的现象与问题。

科学教师实施基于跨学科概念的教学，需要认识跨学科概念的教学价值，关注其在不同课型中的表达方式，设计相应的教学思路，将其与学科内容、课堂教学建立联系。

参考文献

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