七年级生物下册·人体代谢废物稳态调控与排泄机制·基于学科核心素养的跨学科项目式教学设计（北师大版2024）

七年级生物下册·人体代谢废物稳态调控与排泄机制·基于学科核心素养的跨学科项目式教学设计（北师大版2024）

一、教学背景与设计立意

（一）课标分析及教材解构【非常重要·课标依据】

本设计对应《义务教育生物学课程标准（2022年版）》第五学习主题“人体生理与健康”及第七学习主题“生物学与社会·跨学科实践”。课程内容聚焦大概念“人体通过循环、呼吸、泌尿以及皮肤系统协同作用，实现内环境的稳定”，并以此为上位统领。北师大版（2024）七年级下册第四单元第9章《人体代谢废物的排出》位于“人体物质与能量代谢”链条终端，前承“人体的能量供应”（第8章）与“人体的物质运输”（第7章），后启“人体的自我调节”（第10章）。本章承担着将“代谢终产物处理”与“内环境稳态”观念具象化的枢纽功能。教学重心需从孤立的知识点识记转向系统模型建构与因果推理，尤其要揭示“呼吸系统释放废气、泌尿系统生成尿液、皮肤分泌汗液”三条途径如何在神经—体液调节下协同工作，以维持水盐平衡与酸碱平衡。

（二）学情深度研判【重要·教学起点】

七年级学生平均年龄12-13岁，处于形式运算思维发展关键期。他们具备生活化经验（出汗、排尿、闻到尿味），但存在三大迷思概念：其一，混淆“排泄”与“排遗”，常将粪便归为代谢废物；其二，误认为尿液是“装”在膀胱里由肾脏滴入的“脏水”，缺乏对肾单位滤过与重吸收动态过程的理解；其三，无法从系统论视角理解“代谢废物产生—运输—处理”的连续性，将呼吸、循环、泌尿视为孤立章节。此外，学生对“尿毒症”“透析”等社会性科学议题有模糊认知，具备通过模型探究微观机理的心理准备。

（三）跨学科视角与顶层设计逻辑【最高水平·前瞻性】

本设计打破传统按教材顺序“先讲废物种类、再讲泌尿系统、后讲皮肤”的线性模式，重构为“总—分—总”的稳态调控叙事链。引入工程学“输入—处理—输出”系统模型与化学“物质分离”原理，通过“肾单位动态物理模型”的制作与迭代，实现生物学概念与物理（流体压强、伯努利原理）、化学（氧化还原显色反应）的深度融合。将实验探究、模型建构、临床案例推理融为一体，指向“生命观念”“科学思维”“探究实践”“态度责任”四大核心素养的协同发展。

二、教学目标体系（指向可观测、可测评）

（一）生命观念【基础·观念奠基】

1.能够从细胞代谢角度解释代谢废物（尿素、尿酸、二氧化碳、多余水无机盐）的来源，认同“废物是细胞呼吸作用分解有机物的必然产物”。

2.建立“结构与功能相适应”的观念：说出肾单位（肾小球、肾小囊、肾小管）的精细结构如何精准执行滤过与重吸收功能；说明汗腺分泌部与导管部的分化与体温调节的关系。

3.初步形成“内环境稳态”概念，理解排泄并非单纯的“排废”，而是水盐平衡与pH稳态的主动调控过程。

（二）科学思维【非常重要·核心能力】

1.比较与分析：运用表格比较血浆、原尿、尿液成分差异，通过数据推理归纳肾小球滤过作用与肾小管重吸收作用的物质选择性。

2.批判性思维：辨析“排泄”与“排遗”的本质区别，修正“出汗就是排毒”等非科学表述。

3.模型与建模：基于伯努利原理设计并制作能演示滤过与重吸收过程的肾单位动态模型，并能通过模型变异（肾小球穿孔、肾小管重吸收障碍）模拟蛋白尿、糖尿、血尿的病理机制。

（三）探究实践【难点突破·素养落地】

1.规范完成“尿液成分测定”演示实验，学会酒精灯加热载玻片的安全操作，通过气味与白色残余物推断尿素与无机盐的存在。

2.通过小组合作解剖（或观察永久装片）哺乳动物肾脏，识别皮质、髓质、肾盂，并用显微镜观察肾单位切片，在真实标本与模式图之间建立映射。

3.项目式学习：历时2课时，完成“肾单位动态模型2.0版”的设计、制作、展示与答辩，经历“问题—设计—制作—测试—优化”的工程循环。

（四）态度责任【高频考点·社会担当】

1.健康生活：基于排泄原理，科学解释“适量饮水、适时排尿、运动补淡盐水”的生理依据，拒绝憋尿等不良习惯。

2.社会关怀：通过尿毒症透析案例及肾移植现状分析，认同自愿无偿献血与器官捐献的社会价值，培养珍爱生命的责任感。

三、教学重点与难点精准定位

（一）核心重点【必考·基石】

1.人体代谢废物的主要种类、来源及三条排泄途径（呼吸、汗液、尿液）的具体排出成分。

2.肾单位的结构与尿液形成过程（滤过作用、重吸收作用）【非常重要·高频考点】。

3.排泄对人体生命活动的意义：排出废物、调节水盐平衡、维持内环境稳定。

（二）教学难点【难点·失分点】

1.肾单位中血液、原尿、尿液的成分演变关系及量化分析（如：为何原尿150L而尿液仅1.5L）。

2.区分“排泄”与“排遗”的概念本质（产生部位不同、途径不同、物质来源不同）。

3.理解皮肤在调节体温与排泄废物中的双重功能，及其在水盐平衡中的协同作用。

四、教学准备与资源矩阵（仅列实质工具）

1.实验材料：新鲜猪肾（带输尿管）、解剖盘、放大镜、显微镜、肾单位永久装片；尿液样本（模拟）、酒精灯、载玻片、镊子、一次性手套。

2.模型材料（跨学科项目用）：内径3-12mm硅胶软管、矿泉水瓶、止水阀、注射器（50mL及100mL）、电动抽水泵、高锰酸钾、维生素C片、各色粉笔粉末（模拟葡萄糖、蛋白质）、奇亚籽（模拟血细胞）、色素。

3.数字资源：肾单位血流动态3D交互课件、血液透析机工作原理微视频、尿常规化验单真实样本（匿名化处理）。

五、教学实施过程【核心篇幅·约5000字】

本单元共计3课时，实施“系统感知→微观探秘→模型表达→迁移拓展”的进阶路径，其中教学实施过程占全设计80%以上篇幅。

（一）第一课时：代谢废物的“前世今生”——从细胞代谢到排泄途径

1.情境锚定【基础·激趣】

教师出示一组对比数据：一个成年人一昼夜通过呼吸排出水分约400mL，通过皮肤排出汗液约500-700mL，通过尿液排出水分约1500mL。设问：“我们每天喝的水差不多2000mL，为什么尿液最多？为什么天热时尿量减少、汗量增加？这是巧合还是身体的精准调控？”此问题贯穿三课时，形成大情境锚点。

2.溯源代谢废物——呼吸作用的“尾气”【重要】

学生回顾旧知：细胞通过呼吸作用分解葡萄糖（C₆H₁₂O₆+6O₂→6CO₂+6H₂O+能量）。教师引导：“能量被利用，产物哪里去？”学生明确CO₂和水既是代谢产物，也是必须排出的废物。进一步追问：“除了这两种，细胞分解蛋白质、核酸会产生什么？”通过阅读教材，学生锁定尿素（肝脏将氨转化为尿素）、尿酸等含氮废物。此处同步标注【高频考点·代谢废物种类】。

3.实证探究：尿液里有什么？

本环节采用“观察—推理—实证”链条。分发模拟尿液样本（实际为稀释尿素溶液及无机盐溶液）。学生分组进行感官观察：淡黄色、特殊气味。教师演示规范操作：用滴管取尿液1滴于载玻片，酒精灯外焰间歇式加热（强调安全）。学生观察现象：烘干过程中有刺激性气味（尿素受热分解释放氨味），载玻片留白色粉末（无机盐）。结论：尿液主要成分——水、尿素、无机盐。此实验虽简单，但却是学生首次将抽象的“代谢废物”具象化为可视、可嗅的物质，【非常重要·实证意识】。

4.概念思辨：排遗≠排泄【难点·必辨】

展示食物残渣形成路径：口腔→食道→胃→小肠（消化吸收）→大肠→肛门。教师追问：“粪便进入过血液吗？它是在细胞内产生的吗？”学生顿悟：粪便主要是未消化的食物残渣及细菌，并非细胞代谢的直接产物，因此“排便”属于排遗而非排泄。此处立即跟进典型判断题，强化区分度。

5.系统建模：三条途径的“分工与合奏”

学生在学案上绘制人体轮廓图，以箭头形式标注：

呼吸系统（肺）：排出CO₂、少量水蒸气；

泌尿系统（肾脏→膀胱→尿道）：排出绝大部分水、尿素、无机盐；

皮肤（汗腺）：排出水、少量无机盐、少量尿素。

教师提炼：排泄系统并非单一器官，而是“多部门联动”的功能性系统。预留悬念：为何汗液和尿液成分相似，肾脏却成为主角？引出第二课时。

（二）第二课时：尿液生成的微观工程——肾单位结构与滤过/重吸收机制【重中之重】

1.宏观微观桥梁：肾脏的实物观察【热点·直观教学】

每小组分发一个新鲜猪肾及解剖工具。任务驱动：（1）观察外形——蚕豆形、红褐色、光滑；（2）寻找“三根管道”——肾动脉（壁厚）、肾静脉（壁薄）、输尿管（乳白色、管腔规则）；（3）纵剖肾脏，辨认皮质（暗红、颗粒感）、髓质（淡红、条纹状）、肾盂（空腔）。学生触摸皮质感到实质致密，教师点拨：“这里面藏着100多万个微小的‘过滤器’——肾单位。”显微镜下观察肾小球装片，学生惊呼：“原来是一团盘曲的毛细血管！”至此，结构认知从宏观自然沉降到微观。

2.跨学科难点突破：肾单位动态模型演示【非常重要·创新设计】

此处采用项目式嵌入式演示。教师不直接讲解文字，而是展示由前届学生制作并优化的“肾单位动态模型2.0版”运行视频（基于搜索结果-3的原理优化）。模型关键设计：

物理原理应用：入球小动脉软管内径（6mm）→肾小球软管内径（4mm）→出球小动脉软管内径（5mm）。根据伯努利原理，管径变窄处流速增大、压强降低，利于血浆成分滤出。

化学显色模拟：动脉血以高锰酸钾溶液（紫色）+奇亚籽（大分子蛋白质/血细胞）+橙色粉笔末（葡萄糖）模拟；原尿以维生素C溶液（遇高锰酸钾褪色）模拟。当“血液”流经肾小球，滤入肾小囊的液体因Vc还原高锰酸钾而褪为淡黄色，且无奇亚籽，直观演示“血细胞、大分子蛋白不能滤过”。

重吸收模拟：肾小管段设置连通器与毛细血管相连，通过二次注射产生负压，将橙色粉末（葡萄糖）及大部分水“吸回”血液。最终流出尿液的液体清澈且量大为减少。

3.数据推演：血浆、原尿、尿液的“物质变化图”【高频考点·必考】

学生手持三组真实数据表（克/100毫升）：

成分血浆原尿尿液

蛋白质8.000.030.00

葡萄糖0.100.100.00

尿素0.030.031.80

无机盐0.720.721.50

教师以问题链推进：（1）比较血浆与原尿，哪种物质锐减？蛋白质。说明肾小球和肾小囊壁作用特点——滤过小分子，阻挡大分子。【结论1：滤过作用】（2）原尿有葡萄糖，尿液无葡萄糖，葡萄糖去哪儿了？被肾小管“拿回”血液。【结论2：重吸收作用】（3）为什么尿素浓度在尿液中暴增？水被大量重吸收，尿素浓缩。【难点：浓缩机制】。此处学生容易出现认知冲突，必须结合模型强化：重吸收是“选择性回收有用物质（水、葡萄糖、氨基酸、部分无机盐）”，而非将所有小分子不分青红皂白留下。

4.动态生成：尿液形成的完整流程图解

学生闭眼口述，教师板书画出肾单位，以红蓝箭头分别表示血路与尿路。强调：肾动脉（鲜红动脉血）→入球小动脉→肾小球毛细血管（滤过）→出球小动脉→肾小管周围毛细血管（重吸收）→肾静脉（暗红静脉血，含氧低、废物少）。尿路：肾小囊→肾小管→集合管→肾盂。此时植入【生命观念】：血液流经肾脏一次，并非“洗干净”，而是精准卸载代谢废物并回收有用物质，维持内环境稳定。

（三）第三课时：稳态调控与临床应用——从生理学到健康社会学

1.排尿的“自动控制”与卫生保健【基础·生活链接】

展示膀胱充盈及排尿反射弧示意图。明确：尿液生成是连续的，但膀胱具有贮尿功能，当内压达到阈值，神经反射启动，尿道括约肌舒张。讨论“憋尿”危害：膀胱壁过度伸展导致收缩无力；细菌易在残余尿中滋生上行感染。引导学生养成课间及时如厕习惯。

2.皮肤：被忽视的排泄器官【高频考点·小分值】

对比汗液与尿液成分（均含水、无机盐、尿素），汗液中尿素浓度远低于尿液。分析图表：环境温度30℃为转折点，高于30℃汗液分泌陡增、尿液分泌锐减。推导：高温时，皮肤血流增加，汗腺大量排汗散热；同时抗利尿激素分泌增加，肾小管重吸收水增强，尿量减少。此环节指向【稳态调节：水平衡与体温调节的协同】。情境应用：剧烈运动后为何喝淡盐水而非纯净水？——汗液丢失水分同时丢失无机盐，单纯补水会加剧电解质失衡。

3.病理反证：当滤过膜或重吸收“罢工”时【难点·高阶思维】

基于第二课时的动态模型，学生分组进行“故障模拟”：

第一组：将肾小球软管钻孔（模拟炎症导致滤过膜孔径增大），结果原尿中出现奇亚籽（蛋白质/红细胞）——蛋白尿/血尿。

第二组：撤掉肾小管周围连通器或缩小连通管径（模拟重吸收功能障碍），结果流出的尿液量极大且含有橙色粉末（葡萄糖）——糖尿。

学生结合模型反推：临床上尿常规报告单中“蛋白质+”提示肾小球病变；“葡萄糖+”且血糖正常提示肾小管病变。此处嵌入真实案例——某患者尿常规报告单（匿名），学生化身“小医生”进行初步病灶定位。素养达成：从正常结构功能推导异常临床表现，科学思维与态度责任共生。

4.社会视野：人工肾与肾移植【态度责任·情感升华】

播放3分钟科普短片：血液透析机工作原理——半透膜模拟肾小球滤过，透析液流动带走废物。学生发现，透析只能替代滤过，无法替代重吸收、内分泌功能，因此透析患者需限制饮水、补充促红细胞生成素。进而讨论肾移植面临的供体短缺及配型难题。教师以真实数据（我国每年约30万尿毒症患者，仅1万余人获得肾移植）引发学生共情。不刻意煽情，而是理性引导：珍视健康器官，积极参与无偿献血（为肾移植患者提供充足血源），18岁后表达器官捐献意愿。这是生物学科德育的最高境界——基于科学事实的社会责任内化。

六、跨学科项目实践：肾单位动态模型的迭代工程【特色板块·能力巅峰】

本单元教学实施全程贯穿项目化学习主线，以“制作一个能演示尿形成过程及常见肾病机理的可视化模型”为终极任务。历时三课时（课下制作，课中展示），分为四个阶段：

1.原型启发阶段（第一课时末）：教师展示1.0版静态模型（橡皮泥捏制），学生指出不足——不能动、看不见液体流动。引出改进需求：必须动态化、透明化。

2.工程设计阶段（第二课时前半段）：学生小组绘制设计图纸，标注材料清单。物理学原理顾问：组内有擅长物理的学生负责计算压强与管径关系；化学顾问：负责选择显色反应明显的试剂（高锰酸钾+Vc已验证为高效方案）。

3.制作与测试阶段（课外及第三课时前半段）：小组协作连接软管、调试水流、封装漏液点。失败案例极具价值：某组发现注射器推注速度太快导致“原尿”喷溅，无法模拟连续流动。解决方案：改用电动抽水泵+高位储液瓶，实现匀速灌流。

4.展示答辩与评价（第三课时后半段）：各小组展示2.0版模型，并随机抽取“病理卡”（如“糖尿病”“蛋白尿”“尿崩症”），现场调整模型参数演示相应症状。评价量表涵盖科学准确性（50%）、创新性（20%）、美观度（10%）、团队协作（20%）。此项目完全对标新课标“工程设计与物化”学业质量要求，是核心素养的综合展演。

七、要点完整罗列与层级标记（应列尽列）

【基础】代谢废物的定义：细胞代谢产生的二氧化碳、水、无机盐、尿素、尿酸等。

【基础】呼吸作用产生废物的化学反应式。

【基础】排泄的三条途径及各自排出的具体成分。

【基础】泌尿系统的组成：肾脏、输尿管、膀胱、尿道。

【基础】肾脏的结构：皮质、髓质、肾盂。

【基础】肾单位是肾脏结构和功能的基本单位。

【重要】入球小动脉与出球小动脉的比较（口径、血流阻力）。

【非常重要】肾小球的滤过作用：血细胞、大分子蛋白质不能滤过；水、无机盐、葡萄糖、尿素可滤过——形成原尿。

【非常重要】肾小管的重吸收作用：全部葡萄糖、大部分水、部分无机盐被重吸收；尿素、部分水无机盐形成尿液。

【难点·高频考点】比较血浆、原尿、尿液成分表，并能据此推断病变部位。

【难点】肾小囊内液体（原尿）与血浆成分差异的归因分析。

【热点·必考】排泄的意义：①排出代谢废物；②调节水盐平衡；③维持内环境稳定。

【高频考点】汗液的成分（水、无机盐、少量尿素）与功能（排泄、调节体温）。

【重要】排尿反射与脊髓、大脑皮层的关系（意识控制排尿）。

【基础】尿毒症的成因与血液透析原理。

【态度责任】良好生活习惯：适量饮水、及时排尿、运动补淡盐水、不憋尿。

八、板书结构化叙事（纯文本呈现）

主标题：第9章人体代谢废物的排出——从细胞代谢到稳态社会

左侧区域（核心概念树）：

代谢废物（CO₂、尿素、尿酸、多余水无机盐）

↓排泄（三大门户）

肺（CO₂、水汽）

皮肤汗腺（水、盐、少量尿素）

肾脏（尿：水、尿素、盐）→肾单位（滤过+重吸收）→尿液浓缩

右侧区域（推理场