指向科學(xué)思維培養(yǎng)的“人體內(nèi)的氣體交換”教學(xué)設(shè)計(jì)

陳艷

［摘 要］通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)、模型建構(gòu)、活動(dòng)體驗(yàn)、角色扮演等多種形式，將“人體內(nèi)的氣體交換”這一抽象的概念表征成直觀形象的模型，使學(xué)生的思維可視化。學(xué)生在建構(gòu)模型的過(guò)程中動(dòng)手實(shí)踐、動(dòng)腦思考、評(píng)價(jià)交流、完善改進(jìn)，最終建構(gòu)重要概念，發(fā)展科學(xué)思維，逐步形成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。

［關(guān)鍵詞］科學(xué)思維；模型建構(gòu)；氣體交換

［中圖分類號(hào)］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號(hào)］? ? 1674-6058（2023）17-0093-03

一、教材分析

“人體內(nèi)的氣體交換”是蘇教版生物學(xué)七年級(jí)下冊(cè)第4單元第10章第4節(jié)的內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容屬于《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》主題五“人體生理與健康”中的重要概念“人體通過(guò)呼吸系統(tǒng)與外界進(jìn)行氣體交換”下的次位概念“肺泡與周圍毛細(xì)血管內(nèi)的血液、毛細(xì)血管內(nèi)的血液與組織細(xì)胞進(jìn)行氣體交換”［1］。在此之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了血液循環(huán)的知識(shí)，繼續(xù)學(xué)習(xí)人體內(nèi)的氣體交換內(nèi)容有助于學(xué)生建構(gòu)與理解重要概念，形成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。

“人體內(nèi)的氣體交換”內(nèi)容較抽象，涉及較多概念，學(xué)生學(xué)習(xí)有一定的困難。實(shí)踐證明，即使教師在教學(xué)中結(jié)合動(dòng)畫(huà)、圖片等進(jìn)行反復(fù)強(qiáng)調(diào)，學(xué)生理解掌握概念的效果也并不好?；诖?，筆者嘗試通過(guò)模型建構(gòu)，將“人體內(nèi)的氣體交換”這一抽象的知識(shí)形象化、具體化和直觀化，讓學(xué)生在親歷與參與模型建構(gòu)的過(guò)程中掌握建構(gòu)模型的思維方法，內(nèi)化并構(gòu)建科學(xué)概念，發(fā)展科學(xué)思維，培養(yǎng)生命觀念。

二、教學(xué)目標(biāo)

（1）通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究、模型建構(gòu)等活動(dòng)，能理解人體內(nèi)氣體交換的過(guò)程和原理，初步形成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。

（2）能正確解讀人體內(nèi)的氣體交換示意圖，嘗試通過(guò)建構(gòu)模型和繪制概念圖的方式表達(dá)人體內(nèi)的氣體交換過(guò)程，初步形成科學(xué)思維。

（3）通過(guò)對(duì)人體內(nèi)氣體交換內(nèi)容的學(xué)習(xí)，關(guān)注空氣質(zhì)量，養(yǎng)成健康的生活方式。

三、教學(xué)過(guò)程

（一）創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)前概念

上課伊始，教師提問(wèn)：“人體通過(guò)呼吸運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)肺與外界環(huán)境的氣體交換，那么人體吸入的氣體是什么？呼出的氣體又是什么？你知道空氣中有哪些成分嗎？空氣中主要的成分是什么？”

設(shè)計(jì)意圖：結(jié)合學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)課內(nèi)容前已有的認(rèn)知，以及存在的一些錯(cuò)誤觀點(diǎn)，如“人體吸入的氣體是氧氣，呼出的氣體是二氧化碳”“呼吸作用就是指呼氣、吸氣的過(guò)程”，創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，巧妙利用學(xué)生的認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的批判性思維。

（二）科學(xué)探究，培養(yǎng)科學(xué)思維

導(dǎo)入本節(jié)課后，教師提出新問(wèn)題：“與人體吸入的氣體相比，人體呼出的氣體的成分及含量是否發(fā)生變化？”引導(dǎo)學(xué)生展開(kāi)科學(xué)探究，提出問(wèn)題并做出假設(shè)：呼吸過(guò)程中，呼出的氣體中二氧化碳含量增多，氧氣含量減少。為驗(yàn)證假設(shè)，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。通過(guò)科學(xué)探究，可有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

1.探究呼吸過(guò)程中二氧化碳含量的變化

學(xué)生閱讀教材的探究指導(dǎo)。教師提出問(wèn)題：“該實(shí)驗(yàn)?zāi)芊褡C明人體呼出的氣體中含有較多的二氧化碳？”學(xué)生回答“不能”，并指出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的不足之處：缺少對(duì)照實(shí)驗(yàn)，未控制單一變量。接著，學(xué)生小組合作，依據(jù)提供的實(shí)驗(yàn)器材（氣球、打氣筒、吸管、試管、澄清石灰水、橡皮泥等）討論并改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，嘗試畫(huà)出實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。各小組展示實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

教師提問(wèn)：“該實(shí)驗(yàn)的變量是什么？?jī)煞N氣體與人體吸入和呼出的氣體有什么關(guān)聯(lián)？”在學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)變量和實(shí)驗(yàn)步驟后，師生合作搭建實(shí)驗(yàn)裝置（見(jiàn)圖1），完成該實(shí)驗(yàn)的操作及演示，其他學(xué)生在教室的大屏幕上同步觀看實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論：與吸入氣體相比，呼出的氣體中含有較多的二氧化碳。

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材，將燒杯更換為試管，將洗耳球換成氣球，使實(shí)驗(yàn)操作更簡(jiǎn)單，也可以更好地控制單一變量。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，學(xué)生也在探究過(guò)程中學(xué)會(huì)了選擇實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)論等的科學(xué)研究方法，進(jìn)而建立科學(xué)本質(zhì)觀，成為積極的學(xué)習(xí)者和思考者。

2.探究呼吸過(guò)程中氧氣含量的變化

教師繼續(xù)設(shè)問(wèn)：“呼吸過(guò)程中氧氣的含量是怎么變化的呢？”教師演示實(shí)驗(yàn)：將氧氣和二氧化碳濃度傳感器的探頭放入集氣瓶（課前收集了某學(xué)生呼出的氣體）中，學(xué)生觀察大屏幕上氧氣和二氧化碳含量的實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)，教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生定量分析呼吸過(guò)程中氧氣和二氧化碳含量的變化，明確與吸入氣體相比，呼出氣體中氧氣含量減少，二氧化碳含量增多。

設(shè)計(jì)意圖：該實(shí)驗(yàn)是對(duì)教材內(nèi)容的拓展，利用信息化教學(xué)資源開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究，測(cè)量呼吸過(guò)程中氧氣的含量，使定性實(shí)驗(yàn)變成定量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在量的變化中了解事物的本質(zhì)，提高思維的深刻性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

（三）模型建構(gòu)，發(fā)展科學(xué)思維

教師呈現(xiàn)科學(xué)測(cè)定的數(shù)據(jù)（人體呼吸過(guò)程中氣體含量變化表），引導(dǎo)學(xué)生思考：為什么呼吸過(guò)程中，與人體吸入氣體相比，呼出氣體中氧氣含量減少，二氧化碳含量增多？學(xué)生討論后，得出是人體內(nèi)發(fā)生氣體交換的結(jié)果。

1.活動(dòng)體驗(yàn)，感知?dú)怏w擴(kuò)散

教師先在講臺(tái)處噴灑花露水，再讓聞到花露水味的學(xué)生舉手。教師提問(wèn)：“請(qǐng)聞到花露水味的同學(xué)舉手。前排同學(xué)和后排同學(xué)聞到的花露水味是一樣的嗎？前排同學(xué)聞到的花露水味濃，后排同學(xué)聞到的花露水味淡。這是為什么？”學(xué)生討論并表達(dá)交流。

教師先適時(shí)呈現(xiàn)擴(kuò)散作用示意圖（見(jiàn)圖2），引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)擴(kuò)散作用的發(fā)生機(jī)制，再引導(dǎo)學(xué)生類比推理人體內(nèi)氣體交換的原理：一種氣體總是由濃度高的地方向濃度低的部位擴(kuò)散，直到平衡為止。擴(kuò)散作用正是人體內(nèi)氣體交換的原理。

教師繼續(xù)設(shè)問(wèn)：“你有注意到生活中的其他氣體擴(kuò)散的現(xiàn)象嗎？”請(qǐng)舉例。

設(shè)計(jì)意圖：設(shè)計(jì)以上體驗(yàn)活動(dòng)，讓學(xué)生通過(guò)真實(shí)體驗(yàn)感受到香味分子運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，并結(jié)合圖1所示的擴(kuò)散作用示意圖來(lái)說(shuō)明氣體交換的原理，固化學(xué)生的親身感受，化抽象為形象，幫助學(xué)生形成理性思考的習(xí)慣，提升學(xué)生的思維能力。

2.問(wèn)題引領(lǐng)，再析血液循環(huán)

教師展示血液循環(huán)路徑圖，并拋出系列問(wèn)題：血液循環(huán)分為哪兩個(gè)途徑？你能分別描述肺循環(huán)和體循環(huán)的途徑嗎？肺循環(huán)和體循環(huán)是同時(shí)進(jìn)行的嗎？經(jīng)過(guò)肺循環(huán)，血液成分發(fā)生什么變化？經(jīng)過(guò)體循環(huán)，血液成分又發(fā)生什么變化？學(xué)生描述體循環(huán)和肺循環(huán)的路徑，區(qū)分體循環(huán)和肺循環(huán)中血液成分的變化，辨別靜脈血和動(dòng)脈血。

教師繼續(xù)設(shè)疑：動(dòng)脈血和靜脈血有什么特點(diǎn)？為什么經(jīng)過(guò)肺泡和組織細(xì)胞處時(shí)血液成分會(huì)發(fā)生變化呢？

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生對(duì)血液循環(huán)路徑及血液成分的變化進(jìn)行復(fù)習(xí)與回顧，使學(xué)生理解血液循環(huán)對(duì)氣體運(yùn)輸具有重要作用，也與人體內(nèi)的氣體交換密切相關(guān)，為之后建構(gòu)物理模型和概念模型，突破教學(xué)難點(diǎn)做好準(zhǔn)備。

3.建構(gòu)物理模型，模擬氣體交換

學(xué)生在課前以小組為單位自選材料設(shè)計(jì)并制作氣體交換學(xué)具。師生討論交流，明確模型中的各個(gè)結(jié)構(gòu)及材料分別模擬人體內(nèi)氣體交換中的哪些結(jié)構(gòu)，將模型與原型相對(duì)應(yīng)。課堂上，教師要求學(xué)生利用自制學(xué)具組織語(yǔ)言從交換部位、交換方向、交換結(jié)果三個(gè)方面分別模擬肺泡處的氣體交換和組織細(xì)胞處的氣體交換。

（1）肺泡處的氣體交換

人體通過(guò)吸氣，使外界空氣進(jìn)入肺泡，此時(shí)肺泡內(nèi)含O2較多，含CO2較少（可以用7個(gè)黃色卡片表示O2、2個(gè)藍(lán)色卡片表示CO2），同時(shí)含O2較少的靜脈血（用4個(gè)藍(lán)色卡片表示CO2，1個(gè)黃色卡片表示O2）流經(jīng)肺部毛細(xì)血管時(shí)（交換部位），由于肺泡內(nèi)的氧濃度高于靜脈血中的氧濃度，因此氧由肺泡向血液擴(kuò)散，而二氧化碳由血液擴(kuò)散進(jìn)入肺泡（交換方向）。經(jīng)氣體交換后，靜脈血變?yōu)楹踟S富的動(dòng)脈血（交換結(jié)果）。最后肺泡里的CO2經(jīng)過(guò)呼氣排出體外。（見(jiàn)圖3）

（2）組織細(xì)胞處的氣體交換

當(dāng)動(dòng)脈血流經(jīng)組織細(xì)胞外的毛細(xì)血管時(shí)（交換部位），血液含O2較多，同時(shí)組織細(xì)胞進(jìn)行呼吸作用后產(chǎn)生較多CO2。根據(jù)氣體交換原理，學(xué)生描述出氧由血液向組織細(xì)胞擴(kuò)散，而CO2由組織細(xì)胞向血液擴(kuò)散（交換方向）。經(jīng)過(guò)組織細(xì)胞里的氣體交換，動(dòng)脈血變?yōu)殪o脈血（交換結(jié)果）。靜脈血經(jīng)過(guò)血液循環(huán)，流回肺泡處，再進(jìn)行氣體交換。（見(jiàn)圖4）

小組組員分別模擬并互評(píng)。模擬結(jié)束后，各小組代表上臺(tái)展示模擬成果（見(jiàn)圖3和圖4）。教師再引導(dǎo)學(xué)生觀察各組的模型，進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，找出共同點(diǎn)與差異，并提出修改建議，最后各小組調(diào)整和修正模型。

設(shè)計(jì)意圖：利用模型建構(gòu)活動(dòng)，學(xué)生用自制的學(xué)具分別模擬肺泡里的氣體交換過(guò)程和組織細(xì)胞里的氣體交換過(guò)程，并進(jìn)行展示交流，以此來(lái)突破學(xué)習(xí)難點(diǎn)。模型建構(gòu)活動(dòng)能大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而學(xué)生在有意義的學(xué)習(xí)活動(dòng)體驗(yàn)中進(jìn)行分析、類比、推理、解釋，邏輯思維能力得到了鍛煉，科學(xué)思維得到了發(fā)展。

4.繪制概念圖，建構(gòu)概念模型

教師設(shè)問(wèn)：“肺泡里的氣體交換與組織細(xì)胞里的氣體交換是同時(shí)進(jìn)行的嗎？”教師播放人體內(nèi)的氣體交換視頻，學(xué)生觀看并積極思考。教師繼續(xù)追問(wèn)：“我們吸入的氧氣如何到達(dá)組織細(xì)胞？呼出的二氧化碳來(lái)自哪里？”學(xué)生思考并嘗試描述氧氣到達(dá)組織細(xì)胞的路徑、二氧化碳的來(lái)源及排出路徑，梳理呼吸的全過(guò)程，完善概念建構(gòu)。

教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)文字、箭頭和圖形繪制“人體內(nèi)的氣體交換”概念圖，建構(gòu)“人體內(nèi)的氣體交換”概念模型（見(jiàn)圖5）。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)自制的物理模型模擬人體內(nèi)的氣體交換，學(xué)生對(duì)復(fù)雜的、抽象的氣體交換有了感性且直觀的認(rèn)識(shí)。教師引導(dǎo)學(xué)生整體把握“呼吸”“呼吸作用”“氣體交換”幾個(gè)概念之間的區(qū)別和聯(lián)系，并自主繪制概念圖，建構(gòu)人體內(nèi)的氣體交換概念模型。基于證據(jù)和邏輯而建構(gòu)概念的過(guò)程，能促進(jìn)學(xué)生深入理解概念，提升學(xué)生的思維能力。

（四）思維拓展，培養(yǎng)生命觀念

教師展示四張圖片（分別是肺的通氣、肺泡處的氣體交換、血液循環(huán)、組織細(xì)胞處的氣體交換），引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展角色扮演游戲：

（1）幫O2“上崗”——我是空氣中的O2，誰(shuí)能把我送到組織細(xì)胞中去透透氣！

（2）為O2找“工作——我終于進(jìn)到細(xì)胞里了！我太高興了！我要負(fù)責(zé)什么工作呢？

（3）請(qǐng)?jiān)凇叭梭w地圖上”畫(huà)出“O2”和“CO2”的行走路線。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)人體內(nèi)的氣體交換的原理及全過(guò)程已有所了解，通過(guò)設(shè)計(jì)角色扮演游戲（1）進(jìn)一步揭示了“呼吸”與“血液循環(huán)”的密切聯(lián)系；設(shè)計(jì)角色扮演游戲（2）說(shuō)明呼吸的實(shí)質(zhì)，為下一節(jié)“人體的能量供給”鋪路搭橋。角色扮演游戲（3）要求畫(huà)出“O2”和“CO2”的行走路線，可以讓學(xué)生有一個(gè)直觀的、整體化的概念，在不知不覺(jué)中完善重要概念的建構(gòu)，使學(xué)生的科學(xué)思維得到進(jìn)一步的發(fā)展。結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念目標(biāo)達(dá)成也就水到渠成［2］。

四、教學(xué)反思

本節(jié)課有較多的概念，又涉及血液循環(huán)的知識(shí)，既抽象又微觀。要使概念形象化、結(jié)構(gòu)化需要借助模型與建模，而模型與建模既是學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，又是發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的重要方法和必要手段。本節(jié)課中，教師通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)、模型建構(gòu)、活動(dòng)體驗(yàn)、角色扮演等多種形式豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，提升了學(xué)生學(xué)習(xí)生物的興趣。學(xué)生在經(jīng)歷分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造、判斷、概述、評(píng)論和設(shè)計(jì)等高階思維活動(dòng)后，不僅了解了人體內(nèi)氣體交換的過(guò)程，而且理解了人體內(nèi)氣體交換的意義，還形成了結(jié)構(gòu)與功能觀，提升了科學(xué)思維能力，培養(yǎng)了學(xué)科核心素養(yǎng)。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?］

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

［2］? 任丹丹，李曉杰，劉艷秋，等.基于學(xué)習(xí)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的“細(xì)胞的分化”課堂教學(xué)設(shè)計(jì)［J］.生物學(xué)教學(xué)，2022（1）：49-51.