張永

摘要 STEM 理念強(qiáng)調(diào)真實(shí)情境中不同學(xué)科知識(shí)的整合，生物學(xué)具有跨學(xué)科的特點(diǎn)，以呼吸運(yùn)動(dòng)模型的構(gòu)建為紐帶，鏈接生物學(xué)大概念、重要概念和次位概念，促進(jìn)學(xué)生從碎片化學(xué)習(xí)向系統(tǒng)化學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變，提升跨學(xué)科實(shí)踐和模型思維能力。

關(guān)鍵詞 STEM 理念 跨學(xué)科實(shí)踐 呼吸運(yùn)動(dòng)模型

中圖分類號(hào) G633.91???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

1 背景分析

《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的課程內(nèi)容設(shè)置了生物與社會(huì)·跨學(xué)科實(shí)踐，以促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科之間關(guān)系的理解[1]。 STEM 是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)英文單詞的縮寫。其基本思想是強(qiáng)調(diào)基于真實(shí)情境的不同學(xué)科知識(shí)的相互融合，反映學(xué)科知識(shí)之間的相關(guān)性，構(gòu)建學(xué)習(xí)內(nèi)容的知識(shí)體系。

雖然初中生物知識(shí)與日常生活中的常見現(xiàn)象聯(lián)系緊密，但是學(xué)生在運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題時(shí)，總是困難重重。一方面，生物學(xué)知識(shí)零散，學(xué)生不能使之系統(tǒng)化，另一方面，學(xué)生在科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等方面缺乏相關(guān)概念，還不能通過設(shè)計(jì)并實(shí)施相應(yīng)的跨學(xué)科實(shí)踐來尋求生物學(xué)問題的答案。因此，課堂教學(xué)必須從原來的局部視野轉(zhuǎn)向整體視野，使教師的課堂教學(xué)從碎片化教學(xué)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)化指導(dǎo)，最終促進(jìn)學(xué)生從碎片化學(xué)習(xí)向系統(tǒng)化學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變[2]。

2 教學(xué)內(nèi)容的分析

“呼吸運(yùn)動(dòng)”是江蘇鳳凰教育出版社《生物學(xué)》七年級(jí)下冊“人體和外界環(huán)境的氣體交換”第二課時(shí)的內(nèi)容，其中包含大概念“人體的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)，各系統(tǒng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，共同完成復(fù)雜的生命活動(dòng)”，重要概念“人體通過呼吸系統(tǒng)與外界進(jìn)行氣體交換”，次位概念“呼吸運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)肺與外界的氣體交換”。呼吸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能是呼吸運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，而胸廓的結(jié)構(gòu)和功能是保障，胸部容積和氣壓變化是能否進(jìn)行呼吸運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。通過運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)原理，分析探究實(shí)踐過程，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。基于 STEM 理念的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐，有助于學(xué)生形成人體結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)、各系統(tǒng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一的生命觀念。本節(jié)教學(xué)內(nèi)容在不同學(xué)科領(lǐng)域分析如表1所示。

3 教學(xué)對(duì)象的分析

根據(jù)兒童心理學(xué)家皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論，七年級(jí)學(xué)生的思維發(fā)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(fā)展，在心理和認(rèn)知上都處于過渡時(shí)期，其個(gè)性是完成教學(xué)目標(biāo)的重要條件。他們在課堂上勤于提問，樂于動(dòng)手，敢于探索，但很難集中注意力進(jìn)行系統(tǒng)的概念學(xué)習(xí)，表現(xiàn)出獲取知識(shí)的碎片化。STEM理念強(qiáng)調(diào)多學(xué)科知識(shí)的融合，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境解決實(shí)際問題?；?STEM 理念的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)，使學(xué)生充分展示專注于思維過程的動(dòng)手操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生物學(xué)概念全面系統(tǒng)的掌握，是生物概念教學(xué)的有效支架。

4 教學(xué)實(shí)踐

通過設(shè)計(jì)基于 STEM 理念的建?；顒?dòng)，綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域的知識(shí)，進(jìn)行重要概念“呼吸運(yùn)動(dòng)”的深度學(xué)習(xí)，使學(xué)生由低階思維向高階思維發(fā)展。

4.1活動(dòng)導(dǎo)入

教師播放呼吸系統(tǒng)的呼吸過程動(dòng)畫并提問：你看到了什么？學(xué)生描述吸氣導(dǎo)致胸廓擴(kuò)大的現(xiàn)象。教師追問：是胸廓擴(kuò)大導(dǎo)致吸氣呢，還是吸氣后導(dǎo)致胸廓擴(kuò)大？這些變化與呼吸有什么關(guān)系呢？

4.2新課學(xué)習(xí)

4.2.1教學(xué)環(huán)節(jié)一：胸廓變化與吸氣、呼氣的關(guān)系

教師提問：怎樣驗(yàn)證胸廓擴(kuò)大縮小與呼吸的關(guān)系呢？學(xué)生用一個(gè)手指堵住注射器針管口，另一只手則向內(nèi)推或者向外拉注射器活塞柄，感受手指壓力的變化。學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)變化判斷注射器內(nèi)氣體的流動(dòng)方向（表2），并得出結(jié)論：當(dāng)呼吸系統(tǒng)參與呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)，肺內(nèi)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(dǎo)致的，所以是胸廓擴(kuò)大導(dǎo)致的吸氣。

教學(xué)反思：學(xué)生對(duì)氣體的流向原理不易理解，通過設(shè)計(jì)簡單易操作的實(shí)踐活動(dòng)和數(shù)據(jù)的直觀對(duì)比，運(yùn)用物理原理解釋生物學(xué)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科知識(shí)的應(yīng)用能力。

4.2.2教學(xué)環(huán)節(jié)二：胸廓與肺的變化關(guān)系

教師應(yīng)用學(xué)生生活中常見的現(xiàn)象舉例：體育課上，當(dāng)聽到老師的口令“立正”時(shí)，大家馬上站得筆直，而當(dāng)老師說“下課”時(shí)，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(dòng)著骨產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，于是就有了上述現(xiàn)象。呼吸運(yùn)動(dòng)除了肺的變化外，胸廓的擴(kuò)大和縮小也需要包括肌肉在內(nèi)的結(jié)構(gòu)參加。據(jù)此，教師提問：這些結(jié)構(gòu)有哪些呢？為了解決這個(gè)問題，學(xué)生需要弄明白胸廓的組成。教師帶領(lǐng)學(xué)生在仿真靜態(tài)模型中認(rèn)識(shí)并掌握脊柱、胸骨、肋骨、肋間肌、膈的對(duì)應(yīng)位置關(guān)系，注意觀察多媒體動(dòng)態(tài)模型中肋間肌、膈肌在胸廓擴(kuò)大和縮小時(shí)的狀態(tài)變化。

教學(xué)反思：教師聯(lián)系生活，幫助學(xué)生理解胸廓的擴(kuò)大和縮小與肺的變化關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注身邊的生物學(xué)。

4.2.3教學(xué)環(huán)節(jié)三：構(gòu)建模型，解決跨學(xué)科知識(shí)的應(yīng)用

教師提問：胸廓與肺的變化存在什么樣的關(guān)系從而導(dǎo)致呼吸運(yùn)動(dòng)的發(fā)生呢？為了便于理解，教師引導(dǎo)學(xué)生通過構(gòu)建模型來模擬呼吸運(yùn)動(dòng)的發(fā)生過程。教師明確活動(dòng)目標(biāo)：以小組為單位，首先結(jié)合膈肌和胸廓各部分結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，遵循能清晰地模擬吸氣和呼氣過程中相關(guān)結(jié)構(gòu)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(tǒng)各結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系模擬展示呼吸運(yùn)動(dòng)。教師引導(dǎo)學(xué)生在構(gòu)建模型時(shí)需要充分考慮：（1）選擇的材料能模擬各部分結(jié)構(gòu)；（2）制作的模型可以完整呈現(xiàn)肺、胸廓、膈肌的變化；（3）學(xué)生可以先構(gòu)思，然后邊做邊修改。學(xué)生構(gòu)建模型的過程中，先觀看虛擬仿真模型視頻，充分構(gòu)思；在制作過程中進(jìn)行組內(nèi)交流合作，及時(shí)解決遇到的疑難問題。

A、B 兩組學(xué)生制作呼吸運(yùn)動(dòng)模型見表3，兩組學(xué)生的選材不同，但為了使模擬現(xiàn)象明顯，達(dá)成的共識(shí)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(xué)環(huán)節(jié)四：評(píng)價(jià)修正模型

由A、B 兩組學(xué)生到講臺(tái)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(xué)對(duì)兩組的模型進(jìn)行評(píng)價(jià)；教師對(duì)兩組的模型進(jìn)行總結(jié)性評(píng)價(jià)。在A、B 兩組同學(xué)分別模擬呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)，其他學(xué)生應(yīng)思考在模擬呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)的不足之處；最后，兩組學(xué)生結(jié)合老師和其他學(xué)生對(duì)模型的評(píng)價(jià)，反思模型的改進(jìn)。學(xué)生組間評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)：A、B兩組的模型均可以模擬呼吸運(yùn)動(dòng)的過程，其中A組模型肺的擴(kuò)大和縮小現(xiàn)象沒有B組模型的現(xiàn)象明顯。結(jié)合小組制作的模型，學(xué)生發(fā)現(xiàn)選擇用飲料杯模擬胸廓可以看到更明顯的現(xiàn)象，這可能是和飲料杯的底部空間較大有關(guān)系，建議選材時(shí)應(yīng)考慮模擬胸廓的大小改變對(duì)肺的擴(kuò)大縮小的影響。UCI，教師總結(jié)：A、B兩組介紹和展示呼吸運(yùn)動(dòng)模型時(shí)，選擇了不同的材料。通過剛才的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，B組制作的模型模擬效果明顯，因此在設(shè)計(jì)制作前的材料選擇也很重要。

教師繼續(xù)提問：從模擬呼吸運(yùn)動(dòng)的過程思考，B組的模型還需進(jìn)一步完善的地方嗎？學(xué)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(xiàn)出胸廓的結(jié)構(gòu)就更好了，這樣模擬胸廓的擴(kuò)大和縮小更直觀，能清晰地模擬呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)胸廓和膈肌的變化與呼氣、吸氣的關(guān)系。教師對(duì)學(xué)生的想法表示肯定與鼓勵(lì)，并請學(xué)生再次以小組為單位，根據(jù)剛才的模型評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)呼吸運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行修正（圖1）。

在進(jìn)行修正前，學(xué)生分別對(duì)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(jìn)行了測量，獲取了一系列的數(shù)據(jù)（表4）。在觀察記錄不同數(shù)據(jù)的模型在模擬呼吸運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象時(shí)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)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(xué)生用修正后的模型模擬呼吸運(yùn)動(dòng)，觀察呼吸運(yùn)動(dòng)前后所發(fā)生的變化及現(xiàn)象，從具體數(shù)字分析呼吸運(yùn)動(dòng)中不同結(jié)構(gòu)之間的位置關(guān)系，進(jìn)一步理解呼吸運(yùn)動(dòng)這一重要生物學(xué)概念。

教學(xué)反思：在模型的制作、展示、修正、測量所創(chuàng)設(shè)的真實(shí)情境中，學(xué)生綜合運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)，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(guān)系，及時(shí)展示學(xué)習(xí)成果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，牢固掌握所學(xué)知識(shí)，發(fā)展了學(xué)生科學(xué)思維能力。

4.2.5拓展應(yīng)用

教師指出：呼吸運(yùn)動(dòng)影響每個(gè)人的呼吸，肺活量可以衡量呼吸是否對(duì)健康有影響，其大小可以用肺活量計(jì)測得，肺活量是反映人體健康狀況的一項(xiàng)指標(biāo)。我國初中生肺活量標(biāo)準(zhǔn)為2000-2500 ml，成年人肺活量標(biāo)準(zhǔn)是2500-4000 ml。

基于此背景，教師請學(xué)生設(shè)計(jì)并制作一種簡易肺活量測試器具，運(yùn)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(shù)據(jù)與不同年齡標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，為他們的健康出謀劃策。

教學(xué)反思：教師給學(xué)生一定空間來擴(kuò)展他們的思維，并嘗試拓寬生物學(xué)科知識(shí)的深度和廣度，用呼吸運(yùn)動(dòng)的知識(shí)增進(jìn)身體健康，向他人傳遞正確的健康觀念，體現(xiàn)了一名中學(xué)生的態(tài)度和責(zé)任。

5 結(jié)語

基于STEM理念的教學(xué)活動(dòng)體現(xiàn)了生物學(xué)與多學(xué)科知識(shí)的融合，在生物學(xué)概念的學(xué)習(xí)中形成系統(tǒng)的生物學(xué)知識(shí)。但它需要生物教師花費(fèi)更多的時(shí)間和精力，以STEM理念完成教學(xué)設(shè)計(jì)，不斷探索和實(shí)踐跨學(xué)科整合的方法，綜合運(yùn)用多種評(píng)價(jià)方式，實(shí)現(xiàn)生物學(xué)課堂教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

[2]陳細(xì)波.從碎片化教學(xué)到系統(tǒng)化導(dǎo)學(xué)的課堂改革[J].教學(xué)與管理，2021（5）：12-15.