陳艷
[摘 要]通過探究實(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、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)的氣體交換過程,初步形成科學(xué)思維。
(3)通過對(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)過程
(一)創(chuàng)設(shè)情境,激發(fā)前概念
上課伊始,教師提問:“人體通過呼吸運(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、吸氣的過程”,創(chuàng)設(shè)問題情境,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)生展開科學(xué)探究,提出問題并做出假設(shè):呼吸過程中,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:“該實(shí)驗(yàn)的變量是什么?兩種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)操作更簡單,也可以更好地控制單一變量。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的過程激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維,學(xué)生也在探究過程中學(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.探究呼吸過程中氧氣含量的變化
教師繼續(xù)設(shè)問:“呼吸過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)資源開展實(shí)驗(yàn)探究,測(cè)量呼吸過程中氧氣的含量,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)(人體呼吸過程中氣體含量變化表),引導(dǎo)學(xué)生思考:為什么呼吸過程中,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:“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:“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)生通過真實(shí)體驗(yàn)感受到香味分子運(yùn)動(dòng)的過程,并結(jié)合圖1所示的擴(kuò)散作用示意圖來說明氣體交換的原理,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)過肺循環(huán),血液成分發(fā)生什么變化?經(jīng)過體循環(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)過呼氣排出體外。(見圖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)過血液循環(huán),流回肺泡處,再進(jìn)行氣體交換。(見圖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程和組織細(xì)胞里的氣體交換過程,并進(jìn)行展示交流,以此來突破學(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:“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:“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、二氧化碳的來源及排出路徑,梳理呼吸的全過程,完善概念建構(gòu)。
教師引導(dǎo)學(xué)生通過文字、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(見圖5)。
設(shè)計(jì)意圖:通過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)生開展角色扮演游戲:
(1)幫O2“上崗”——我是空氣中的O2,誰能把我送到組織細(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”畫出“O2”和“CO2”的行走路線。
設(shè)計(jì)意圖:通過前面的學(xué)習(xí),學(xué)生對(duì)人體內(nèi)的氣體交換的原理及全過程已有所了解,通過設(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.