基于“結構與功能”的小學科學教學

科學課程標準從科學觀念、科學思維、探究實踐和態度責任四個方面提出了科學課程核心素養，并設置了13個學科核心概念和4個跨學科概念。跨學科概念“結構與功能”作為科學課程的發展性目標，橫跨了物質科學領域、生命科學領域、地球與宇宙科學領域、技術與工程領域。我們只有厘清教材中所包含的跨學科概念，才能將其落實在教學中。《身體的運動》一課的內容屬于核心概念“生命系統的構成層次”，又涉及“系統與模型”“結構與功能”兩個跨學科概念，本文主要聚焦“結構與功能”。

一、教學分析

結構與功能相統一，結構決定功能，功能反映結構的狀態。如果人體某個部位的功能減弱了，就說明該部位可能出現了問題，反之亦然。學生形成跨學科概念“結構與功能”后，就可以用科學的眼光看問題，從結構和特征分析、猜測系統的功能，也可以從物質功能分析、推測可能的結構和特征。這種科學思維方式有利于學生高階思維的發展，并在之后的工程設計課程中得到遷移及應用。

《身體的運動》是五年級“我們的身體”單元的第二課，該單元包括《身體的運動》《心臟和血液》《身體的“總指揮”》《身體的“聯絡員”》四課。繼四年級“呼吸與消化”單元之后，本課又一次站在人體器官、系統的角度認識人體，帶領學生深入了解人體的工作機制，從而更好地維護身心健康。本課重在培養學生用系統的、聯系的思維方式認識人體運動系統，為學生逐步建構“人體由多個系統組成，各系統分工配合，共同維持生命活動”的概念搭建階梯。教學中，教師讓學生以看、摸、捏等方式重新認識身體的外部形態，在建模中經歷“猜測—推理—驗證”過程，充分感知骨、關節、肌肉等結構的特征，從而能分析其對應的功能；在“比較—分析—歸納”的析模過程中認識到人體的運動是骨、關節和肌肉三者協同完成的，提升學生對人體運動系統的認識，感嘆人體的奇妙之處；類比自然界的物體，讓學生體會科學與生活的密切聯系。至于骨、關節、肌肉的具體名稱及概念，則無須讓學生記憶。

基于課程標準的要求和教材分析，本課從“外部形態—內部結構—結構與功能”三個角度進行遞進式教學，以“問題串”的形式幫助學生認識人體運動系統的結構與功能（如圖1），讓學生從科學的視角看自然界中運動的結構與功能，意識到知識間存在關聯，促進知識的整合與結構化。教學中，教師通過猜測、分析、驗證、歸納、演繹等思維活動，提升學生的科學核心素養。

二、教學過程

1.聚焦問題

一個能調起學生學習興趣的情境，不僅要以學生為學習主體，也要能將他們的注意力聚焦到待研究的問題上。在《身體的運動》課前活動中，教師播放“幸福拍手歌”，讓學生跟著音樂動動手腳，迅速將注意力聚焦到本節課的核心問題上：身體的哪些部位參與了運動？它們是如何完成這一系列運動的？

2.建模：形態與結構

（1）觀察感受——重識外部形態

小學生的認知順序基本是先直接感知表象，再形成科學概念。在反復舉啞鈴的動作中，教師引導學生關注右上臂的屈伸運動，他們通過看、摸、捏等觀察方法充分體驗并收集相關信息。以此為基準，學生的關注點從外部形態運動轉移到右上臂內部結構，并對此做出有依據的猜測。

（2）概念修正——組建內部結構

身體的內部結構是學生的認知盲點。如果學生說手臂里面的相關結構，教師應及時介紹科學專用的名詞，描述它們的具體位置，并解釋其功能。課堂不僅需要提取本課內容的知識，還要點明其他碎片化知識，讓學生找到相關聯之處，為人體各系統之間的聯系搭建橋梁。

活動：感受屈肘運動

體驗。學生代表演示舉啞鈴動作，全班學生一起進行兩次肘關節運動（1次屈臂，1次伸臂）。

觀察。通過摸一摸、捏一捏、動一動等觀察方法感受骨、關節、肌肉的部分特征。

問題。在舉啞鈴的過程中，身體的哪個部位參與了運動？右上臂內部哪些主要的部位幫助它運動？（反復演示動作，引導學生關注屈臂、伸臂動作）

猜測。血液、神經、骨、關節、肌肉、筋等。

分析。血液（一直不停地在流動，為運動提供營養和氧氣）、青筋（血液的流通管道）、神經（身體的聯絡員，為大腦傳遞信號）、肌腱（肌肉的組成部分附在骨上）、手臂內的骨（前臂和上臂都是硬硬的）、關節（骨與骨連接的部位）、肌肉（摸起來有彈性）。

3.析模：結構與功能

（1）演示模型——結構決定功能

人體的器官都是由結構決定功能：骨骼的組織非常堅硬，可以支撐人體的運動；關節把相鄰的兩塊骨連接起來，且軟骨表面光滑，讓轉動更加自如；肌肉柔韌且有彈性并黏附在骨骼上，提供動力的同時帶動骨轉動。五年級學生的認知方式已從具體形象過渡到抽象概括，他們通過摸一摸、捏一捏、動一動等觀察活動充分感受后，不難分析出骨、關節、肌肉的部分特征，猜測它們在屈、伸運動中相應的功能。同時，教師可以利用演示模型（如圖2）來創設不同情境，如骨的材料選擇繩子會怎么樣？像什么動物（章魚，無脊椎動物，身體軟趴趴的）？沒有關節又會怎么樣？……學生在分析和對比不同材料的過程中，感知物體的結構決定了其功能。

活動：分析演示模型

呈現。出示松垮垮的電線和圓規的木桿，供學生選擇；圓規交接處不擰和擰上螺絲的對比；圓規依次綁上2個氣球（先肱二頭肌，后肱三頭肌），感受兩塊肌肉的不同效果。

追問。依次組裝模型（骨—關節—肌肉），木桿相當于什么？為什么要選擇硬的木桿，選擇繩子會怎么樣？螺絲、螺母相當于什么？有了它們會怎么樣？氣球相當于什么？如何讓它動起來？為什么這個模型只能做屈臂運動，不能做伸臂運動（綁肱二頭肌時）？現在呢（綁肱三頭肌時）？

分析。圓規的木桿是堅硬的，更適合起到支撐的作用。擰上螺絲，讓轉動更加自如。只有安裝內側和外側兩個氣球后才能實現手臂的屈伸運動，肌肉的收縮和舒張為手臂的運動提供動力。

小結。原來，我們手臂的運動是骨、關節、肌肉三者協同完成的，其中，肌肉附在骨上，為骨的運動提供了動力，從而將負重的前臂抬起。

（2）自制模型——功能反映結構

教師出示自制肘關節運動模型的材料，學生通過觀察并分析材料的作用特征，指出材料所對應的肘關節運動模型中的部分。在匯報環節，學生要類比不同小組的自制運動模型（如圖3），分析其中的差異。例如，3個模型都可以做屈臂運動，不同的地方是外側皮筋的綁法，3-a拉動外側皮筋無法做伸臂運動，3-b外側皮筋可以做伸臂運動，但相對于3-c比較費力，并且肌肉太松垮，在形態上與我們的手臂模型不相符。模型對應的功能減弱了，這側面地反映對應的結構上出了問題。科學理論并非一成不變，而是不斷演變的，理論修改是科學理論演變的一種方式。學生對科學概念的認識也需要一個逐步漸進的過程，需要在探究過程中不斷完善對科學概念的認識和理解。

活動：制作運動模型

實驗材料。2根打上工字釘的筷子、1節吸管（伸縮轉折點）、2組皮筋、膠帶和剪刀（備注輔助材料）、操作說明書、記錄單等。

問題。筷子、吸管、皮筋分別有什么特征？起到了什么作用？又相當于什么？

分析。筷子比較堅硬，可以支撐身體的運動，相當于骨；吸管兩邊的洞口可以連接物體，還可以通過彎曲讓轉動更加靈活，相當于關節；皮筋有彈性，通過拉伸提供動力，相當于肌肉。

對比。三個小組的模型有什么差異？嘗試拉動皮筋測試模型，出現了什么問題？如何調整？

診斷。3-a實現不了伸臂運動，3-b模型在結構上（肱三頭肌）出現了問題，應該把皮筋附在兩根筷子上。

小結。手臂的運動是骨、關節、肌肉三者協同完成的，其中，肌肉附在兩節骨上，為骨的運動提供了動力，從而將負重的前臂抬起。

4.拓展應用

（1）歸納概括——從肘關節運動回歸身體運動

從局部到整體不是一個單向的過程，而是一個反復的過程。從肘關節運動的特征出發，尋找身體其他部位運動的共性，通過檢驗不難發現，只要找準關節這個支點，就能找到連接關節的兩節骨和附在骨上面的肌肉。再從個別到一般，歸納概括身體所有的肢體運動都由三者協同完成，讓學生不由感嘆身體的奇妙之處，從而意識到要更好地保護身體。經歷科學概念的發現、遷移、檢驗、歸納等過程，學生更好地發展了科學思維。

活動：歸納身體運動

問題。身體的其他部位運動是否和肘關節運動一樣呢？看一看、動一動、摸一摸，找出其中骨、關節、肌肉的位置。（肩關節運動、下頜關節運動、課前幸福拍手歌等。）

分析。關鍵是先找關節這個支點，這樣順勢就能找到連接關節的兩節骨并摸到附在骨上面的肌肉。

閱讀。通過課本中的資料了解更多的知識。

學生小結。我們的身體居然有200多塊骨頭和600多塊肌肉，人體真的好奇妙！所有的肢體動作都是骨、關節、肌肉協同完成的，它們共同組成了人體的運動系統。

引導。它們如此奇妙，我們更應該好好地保護它們。為了促進骨骼和肌肉的良好發育，我們應該做什么？

教師小結。正確的坐姿、經常參加運動等，這些能讓我們的身體變得更加強壯，柔韌性也會更好，還能增強免疫力。

（2）演繹推理——從全身運動回歸自然界運動

科學源于生活，生活蘊含科學，想要學好科學，就要有一雙善于觀察的眼睛。每個學生都具有強烈的好奇心和探究欲，教師要善于引導他們挖掘生活中的科學元素，并利用所學的科學知識，分析生活中類似身體運動結構的物體或現象。看似簡單常見的事情，其實暗藏著科學奧秘。如教室里最常見的開關門動作，人就是提供動力的肌肉，合頁就是轉動靈活的關節，門就是支撐運動的骨。從一般到個別，科學需要回歸現實生活，這不僅提高學生應用科學知識的能力，更有利于他們建構跨學科概念。

三、教學反思

教育心理學家布魯納認為，教學應該授予學生對學科基本知識結構的一般理解，僅教導某些具體知識與技能是低效的。結合跨學科概念的教學，不僅讓課堂的學習有了深度，也讓板書的呈現有了靈魂，還讓學生能夠理性看待自然界事物。

1.有效的階梯式學習

學習的實質是人把同類事物串聯起來，并把它們組織成有意義的結構，讓知識在頭腦中形成系統化結構，從而掌握學科基本結構的重組途徑。在《身體的運動》這節課中，學生通過“外部形態—內部結構—結構與功能”三個層次遞進地學習，從外部形態觀察到內部結構猜測，接著在活動中不斷檢驗自己的所思所想，了解人體運動系統是三者協同工作的事實性知識，然后歸納概括，從個別到一般，形成了概念性知識和方法性知識。以科學概念的層級結構為基礎（如圖4），課中不斷地滲透人體運動系統結構與功能的相互聯系，最后引導學生關注自然界的運動，演繹推理，從一般到個別，建構學科本質性知識。

2.別樣的結構化板書

有效的結構化板書能條理清晰地反映教學核心內容和知識脈絡體系，能幫助學生從整體上明晰核心要點，厘清學習思路，構建系統化的認知體系（如圖5）。從對比圖中我們可以發現，左圖的板書分3塊內容“模型—名稱—作用”，右圖的板書也分3塊內容“形態—結構—功能”，但更有靈性。有時小小的符號可以起到畫龍點睛的作用，虛線框住的不是事實性知識，而是把科學關鍵性的知識進行串聯與整合。這樣的板書設計符合本課的教學思路，呈現出融入跨學科概念的優勢。

3.長久的發展性價值

一節課的學習目標到底是什么？一節課的教育價值在哪里？我們希望學生學習完一節課的內容后，長久不忘記的東西又是什么？從學科本質的角度來看，跨學科概念是經得起學生持續利用和發展的內容，能幫助他們應對學習與生活中遇到復雜的問題。本課教學根據學生認知發展規律，從三個方面對教材進行重新建構，通過恰當的教學策略，提高學生對學科基本知識的理解，促進他們學習正確的科學思維方式，留給他們具有持久價值的跨學科概念。學生一旦掌握這種概念，就能容納諸多與該學科相關的內容，在實際生活中自主獲取更多知識，提高遷移思維和綜合思維能力。

小結

跨學科概念“結構與功能”的建構是循序漸進的過程，不可能通過一節課的學習達成。在同系列的課程中不斷融入跨學科概念教學，持續不斷地滲透才能推動學生“結構與功能”跨學科概念的建構，最終應用于生活，讓他們可以分析和解決實際的現象與問題。

科學教師實施基于跨學科概念的教學，需要認識跨學科概念的教學價值，關注其在不同課型中的表達方式，設計相應的教學思路，將其與學科內容、課堂教學建立聯系。

參考文獻

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