基于STEM理念的初中生物学“呼吸运动”教学设计与实践
摘要STEM理念强调真实情境中不同学科知识的整合，生物学具有跨学科的特点，以呼吸运动模型的构建为纽带，链接生物学大概念、重要概念和次位概念，促进学生从碎片化学习向系统化学习的转变，提升跨学科实践和模型思维能力。
关键词STEM理念跨学科实践呼吸运动模型
中圖分类号G633.91????????????文献标志码B
1背景分析
《义务教育生物学课程标准（2022年版）》的课程内容设置了生物与社会·跨学科实践，以促进学生对科学、技术、工程、数学等学科之间关系的理解[1]。STEM是科学、技术、工程和数学英文单词的缩写。其基本思想是强调基于真实情境的不同学科知识的相互融合，反映学科知识之间的相关性，构建学习内容的知识体系。
虽然初中生物知识与日常生活中的常见现象联系紧密，但是学生在运用所学知识解决实际问题时，总是困难重重。一方面，生物学知识零散，学生不能使之系统化，另一方面，学生在科学、技术、工程和数学等方面缺乏相关概念，还不能通过设计并实施相应的跨学科实践来寻求生物学问题的答案。因此，课堂教学必须从原来的局部视野转向整体视野，使教师的课堂教学从碎片化教学转向系统化指导，最终促进学生从碎片化学习向系统化学习的转变[2]。
2教学内容的分析
“呼吸运动”是江苏凤凰教育出版社《生物学》七年级下册“人体和外界环境的气体交换”第二课时的内容，其中包含大概念“人体的结构与功能相适应，各系统协调统一，共同完成复杂的生命活动”，重要概念“人体通过呼吸系统与外界进行气体交换”，次位概念“呼吸运动可以实现肺与外界的气体交换”。呼吸系统的结构和功能是呼吸运动的基础，而胸廓的结构和功能是保障，胸部容积和气压变化是能否进行呼吸运动的关键。通过运用科学、技术、工程和数学领域的知识原理，分析探究实践过程，发展学生的学科核心素养。基于STEM理念的教学设计与实践，有助于学生形成人体结构与功能相适应、各系统协调统一的生命观念。本节教学内容在不同学科领域分析如表1所示。
3教学对象的分析
根据儿童心理学家皮亚杰的认知发展理论，七年级学生的思维发展过程是从视觉思维到抽象思维，从简单的比较分类到分析、综合、概括的发展，在心理和认知上都处于过渡时期，其个性是完成教学目标的重要条件。他们在课堂上勤于提问，乐于动手，敢于探索，但很难集中注意力进行系统的概念学习，表现出获取知识的碎片化。STEM理念强调多学科知识的融合，创设真实情境解决实际问题。基于STEM理念的教学活动设计，使学生充分展示专注于思维过程的动手操作，从而实现对生物学概念全面系统的掌握，是生物概念教学的有效支架。
4教学实践
通过设计基于STEM理念的建模活动，综合运用科学、技术、工程、数学等领域的知识，进行重要概念“呼吸运动”的深度学习，使学生由低阶思维向高阶思维发展。
4.1活动导入
教师播放呼吸系统的呼吸过程动画并提问：你看到了什么？学生描述吸气导致胸廓扩大的现象。教师追问：是胸廓扩大导致吸气呢，还是吸气后导致胸廓扩大？这些变化与呼吸有什么关系呢？
4.2新课学习
4.2.1教学环节一：胸廓变化与吸气、呼气的关系
教师提问：怎样验证胸廓扩大缩小与呼吸的关系呢？学生用一个手指堵住注射器针管口，另一只手则向内推或者向外拉注射器活塞柄，感受手指压力的变化。学生根据数据变化判断注射器内气体的流动方向（表2），并得出结论：当呼吸系统参与呼吸运动时，肺内气压大于外界大气压则吸气，反之则呼气，说明吸气和呼气是由于具有压力差而导致的，所以是胸廓扩大导致的吸气。
教学反思：学生对气体的流向原理不易理解，通过设计简单易操作的实践活动和数据的直观对比，运用物理原理解释生物学现象产生的原因，培养学生跨学科知识的应用能力。
4.2.2教学环节二：胸廓与肺的变化关系
教师应用学生生活中常见的现象举例：体育课上，当听到老师的口令“立正”时，大家马上站得笔直，而当老师说“下课”时，你们立刻就全身放松，说明了这些行为是受大脑控制的。大脑通过控制肌肉收缩，带动着骨产生运动，于是就有了上述现象。呼吸运动除了肺的变化外，胸廓的扩大和缩小也需要包括肌肉在内的结构参加。据此，教师提问：这些结构有哪些呢？为了解决这个问题，学生需要弄明白胸廓的组成。教师带领学生在仿真静态模型中认识并掌握脊柱、胸骨、肋骨、肋间肌、膈的对应位置关系，注意观察多媒体动态模型中肋间肌、膈肌在胸廓扩大和缩小时的状态变化。
教学反思：教师联系生活，帮助学生理解胸廓的扩大和缩小与肺的变化关系，引导学生关注身边的生物学。
4.2.3教学环节三：构建模型，解决跨学科知识的应用
教师提问：胸廓与肺的变化存在什么样的关系从而导致呼吸运动的发生呢？为了便于理解，教师引导学生通过构建模型来模拟呼吸运