初中生物七年级下册《肺内气体的交换过程》深度探究导学案

初中生物七年级下册《肺内气体的交换过程》深度探究导学案

一、教学内容与课标要求解析

（一）教材版本与章节定位

本导学案基于人教版义务教育教科书《生物学》七年级下册第四单元“生物圈中的人”第三章“人体的呼吸”第二节内容进行深度开发与设计。本节内容“发生在肺内的气体交换”是呼吸系统生理功能的核心，它上承呼吸系统的组成与功能，下启人体内能量的供给与废物的排出，在构建“人体是一个统一整体”及“结构与功能相适应”的生命观念中起着至关重要的枢纽作用。

（二）课程标准对应要求

根据《义务教育生物学课程标准（2022年版）》，本部分内容隶属于“人体生理与健康”学习主题。具体学业要求为：描述呼吸系统的组成和功能，初步掌握人工呼吸的基本方法；说明能量来自细胞中有机物的氧化分解。聚焦本节，课标核心指向是引导学生理解肺这一结构是如何通过其精巧的设计，高效地实现与外界环境及与血液之间的气体交换，从而维持人体内环境的稳定。这不仅是知识的习得，更是对“生命系统物质、能量与信息统一性”这一大概念的深化理解。

二、学情精准分析与教学起点

（一）知识储备【基础】

学生通过上一节“呼吸道对空气的处理”的学习，已经了解了呼吸道的组成和作用，知道空气是通过呼吸道进入肺的。他们对肺是呼吸系统的主要器官有初步印象，但对于肺内部是如何工作的，气体进入肺后发生了什么变化，尚处于模糊的认知阶段。学生在小学科学课程中也接触过一些关于呼吸的简单知识，但缺乏系统性和深度的生理学解释。

（二）能力水平

七年级学生正处于形象思维向抽象逻辑思维过渡的关键期。他们具备一定的观察、分析和归纳能力，但对于微观的、动态的生理过程（如气体扩散、气压变化）的理解存在困难。学生已经初步掌握了绘制概念图和进行简单实验探究的方法，但跨学科知识的整合能力（如将物理学的气压原理应用于生物学）尚显不足，需要教师的引导和搭建脚手架。

（三）心理特征与认知冲突【热点】

学生对自身的呼吸现象充满好奇，容易产生“为什么吸入空气和呼出气体成分不同？”“我们是怎么‘吸’进空气的？”等疑问。这正是激发学习动机的良好契机。教学中应充分利用这种好奇心，设置悬念，引发认知冲突，例如通过憋气体验、测量胸围差等活动，将学生的感性认识上升为理性思考。

三、教学目标深度叙写（指向核心素养）

（一）生命观念

通过观察肺的结构模型和显微图像，认同肺由大量肺泡构成，肺泡壁薄且外包被毛细血管的结构特点，与其进行气体交换的功能相适应，初步形成结构与功能观。理解呼吸运动与肺内气压变化的关系，建立动态平衡的生理学观点。

（二）科学思维【非常重要】

1.能够运用模型构建的方法，通过制作膈肌运动模型，模拟呼吸过程，解释肺通气的原理，发展模型与建模的科学思维能力。

2.能够基于数据分析（如吸入气和呼出气成分对比表），运用比较、归纳、推理的方法，得出肺泡与血液进行气体交换的结论。

3.能够运用气体扩散作用的原理，解释肺泡内和组织内的气体交换过程，初步形成跨学科的分析视角。

（三）科学探究

1.通过“测量胸围差”的探究活动，亲历提出问题、作出假设、制定计划、实施计划、收集数据、得出结论的完整探究过程，体验合作学习的乐趣。

2.在探究过程中，学会控制变量，如实记录数据，并能够对实验结果的可靠性和准确性进行初步的反思与评价。

（四）社会责任【高频考点/热点】

1.通过对吸烟有害健康资料的分析，认识到空气质量对人体健康的重要性，自觉形成拒绝吸烟、远离二手烟的意识，并向家人和社会宣传吸烟的危害。

2.关注大气污染等环境问题，认同环境保护需要从自身做起，积极参与绿化、低碳生活等环保行动。

四、教学重难点与突破策略

（一）教学重点【基础】

1.肺与外界气体交换的过程（即肺通气）。

2.肺泡与血液的气体交换过程。

（二）教学难点【难点】

1.通过呼吸运动实现肺通气的原理，特别是胸腔容积变化与气压变化之间的反向关系。

2.气体交换的微观动态过程及其原理（气体扩散）。

（三）突破策略

1.直观化与模型化：利用多媒体动画（如3D模拟呼吸运动、气体扩散过程）、自制教具（如用气球、塑料瓶模拟胸廓和膈肌）化抽象为具体，降低理解难度。

2.体验式学习：组织学生进行自身体验（如手按胸部深呼吸感受胸廓变化、憋气感受呼吸需求），将知识与自身感受紧密联系，加深理解。

3.探究式学习：通过“测量胸围差”等探究活动，让学生在动手实践中发现规律，验证假设，主动建构知识。

4.图示与概念图：引导学生绘制肺泡结构示意图和气体交换示意图，并用概念图梳理肺通气、肺泡气体交换、组织气体交换三者之间的关系，形成系统化的知识网络。

五、教学方法与准备

（一）教法学法

1.教法：情境创设法、问题驱动法、直观演示法、模型建构指导法、探究引导法。

2.学法：自主观察法、合作探究法（小组讨论、实验操作）、体验感悟法、比较归纳法、概念图构建法。

（二）教学准备

1.教师准备：多媒体课件（内含呼吸运动3D动画、气体交换过程动画、吸烟危害肺的视频资料）、人体呼吸系统模型、膈肌运动模型制作材料（塑料瓶、Y型管、气球、橡皮泥）、胸围差测量用软尺、澄清石灰水、烧杯、玻璃管（用于演示呼出气体使石灰水变浑浊的演示实验）。

2.学生准备：预习教材，回顾呼吸系统组成；分组准备制作膈肌模型的材料（可提前布置为开放性作业）；软尺。

六、教学实施过程【核心环节，详细展开】

（一）创设情境，导入新课——感受呼吸，唤醒经验

【教师活动】教师首先请全班同学安静下来，然后发出一个轻柔的指令：“请同学们闭上眼睛，将一只手轻轻放在自己的胸部。现在，我们一起来做三次深呼吸。吸气——呼气——吸气——呼气——吸气——呼气。好，请慢慢睁开眼睛。”

【教师提问】同学们，在刚才的深呼吸过程中，你的手感觉到了什么？（学生回答：胸部在起伏，感觉在变大变小）对，我们每时每刻都在进行着这样自然而神奇的呼吸。那么，空气被我们吸入后，最终去往了哪里？它在那里发生了什么变化？而这些变化又是如何发生的呢？今天，就让我们一起走进人体的内部，探究发生在肺内的气体交换。

【设计意图】通过沉浸式的体验活动，迅速将学生的注意力从课外拉回课堂，激活他们对呼吸过程的感性认识。连续的发问旨在制造悬念，激发学生的好奇心和探究欲，自然而然地引出本节课的研究主题。

（二）探究新知之一：肺与外界的气体交换——肺通气【重中之重】

1.体验与观察：认识胸廓的组成与变化

【教师活动】教师展示人体胸廓的骨骼模型或高清图片，引导学生观察胸廓的组成（脊柱、肋骨、胸骨）以及肋间肌的位置。随后，再次引导学生将手放在胸部两侧（肋骨处）和胸部中央（胸骨处），进行深吸气和深呼气，感受不同部位的变化。

【学生活动】学生按教师的引导进行体验，并尝试用语言描述感受：深吸气时，肋骨向上向外运动，胸骨前移，整个胸部似乎在扩张；深呼气时，肋骨向下向内运动，胸部回缩。

【教师归纳【基础】】同学们体验到的胸廓这种有节律的扩大和缩小，是实现肺与外界气体交换的第一步。我们把这个过程称为呼吸运动。而胸廓的构成，特别是骨骼和肌肉的配合，为这种运动提供了结构基础。

2.深度探究：呼吸运动的原理——“泵”的工作原理

【核心问题】胸廓为什么会发生这种有节律的运动？是什么力量在推动它？

【模型建构与演示【非常重要】】

（1）【教师演示】教师出示预先制作好的膈肌运动模型（塑料瓶模拟胸廓，Y型管和气球模拟气管、支气管和肺，底部的橡皮膜模拟膈肌）。教师引导学生认识模型各部分代表的器官。

（2）【模拟操作】教师缓慢向下拉橡皮膜（模拟膈肌收缩），请学生观察气球（肺）的变化（胀大）以及瓶内空间（胸廓容积）的变化。接着，教师向上推橡皮膜（模拟膈肌舒张），请学生观察气球（肺）的变化（缩小）以及瓶内空间的变化。

（3）【问题链驱动思考】：

①当“膈肌”收缩（下拉）时，“胸廓”下部的容积如何变化？（增大）“肺”的容积随之如何变化？（被动扩张）

②根据物理学知识，一定容器内，气体体积增大，其内部的压力会怎样变化？（减小）

③当肺内压力减小，并与外界大气压形成压力差时，气体将如何流动？（从高压处流向低压处，即外界空气进入肺）这就是吸气的过程。

④反之，当“膈肌”舒张（上推）时，“胸廓”容积缩小，压迫“肺”回缩，肺内压力增大，气体又将如何流动？（肺内气体被排出）这就是呼气的过程。

【补充说明】教师进一步补充，平静吸气时，膈肌收缩只是原因之一，肋间肌也同时收缩，使肋骨上提并向外扩展，共同增大了胸廓的前后、左右和上下径，从而保证肺充分扩张。

【学生活动】学生分组利用课前准备的材料，动手操作自己制作的简易模型，相互配合，边操作边解释吸气和呼气的原理。部分小组可以尝试用手感受瓶内气压的变化（通过堵住Y型管口，拉橡皮膜感受吸力）。

【设计意图】利用模型将不可见的体内过程和抽象的气压原理变得直观可见、可操作。【难点】在此得到有效突破。通过动手操作和问题驱动的思考，学生不再是死记硬背结论，而是真正理解了呼吸运动的本质是“通过改变胸腔容积来改变肺内气压，从而驱动气体进出”的物理学过程。

3.定量探究：胸围差与呼吸肌的力量

【过渡】我们的呼吸运动是需要肌肉收缩来完成的，那么肋间肌和膈肌的力量如何体现呢？我们可以通过测量“胸围差”来感受一下。

【探究活动【热点】】

（1）【教师示范】教师邀请一名学生作为志愿者，暴露其胸廓（穿校服即可），在胸前和背后找准位置，用软尺水平围绕胸廓一周。分别测量其在尽力深吸气末和尽力深呼气末的胸围长度。两者之差即为胸围差。

（2）【小组合作】学生以4-6人为一组，相互合作，测量每位成员的胸围差，并记录数据。测量时注意软尺的松紧适度，位置固定。

（3）【数据分析与交流】各小组汇报本组最大胸围差、最小胸围差以及平均值。教师引导学生思考：①为什么同一小组不同成员的胸围差可能不同？（可能与身高、胖瘦、锻炼程度有关）②胸围差的大小能说明什么？（可以间接反映呼吸肌的功能强弱，经常锻炼的人，呼吸肌发达，胸围差一般较大）

【设计意图】将知识学习与健康生活相联系。通过定量测量，让学生亲身体验科学探究的过程，培养严谨求实的科学态度。同时，也潜移默化地渗透了体育锻炼对呼吸系统健康的积极意义。

（三）探究新知之二：肺泡与血液的气体交换【重中之重】【高频考点】

1.问题过渡与结构观察

【过渡】空气通过肺通气进入了肺，但肺是一个器官，它是由许许多多微观结构组成的。气体究竟是在肺的什么地方与血液进行交换的呢？这需要我们深入到微观世界去观察。

【观察与思考】

（1）【教师展示】展示肺泡结构模式图或电子显微照片。引导学生重点观察：肺泡的数量、肺泡壁的厚度、肺泡外面缠绕着什么东西？

（2）【学生发现与归纳】学生通过观察，会发现肺泡数量非常多，肺泡壁非常薄（仅由一层上皮细胞构成），肺泡外面缠绕着丰富的毛细血管（毛细血管壁也仅由一层上皮细胞构成）。

（3）【教师追问【非常重要】】这种“薄”和“多”的特点，对气体交换有什么好处？（学生思考后回答：有利于气体快速通过，增加了气体交换的面积。）

（4）【教师升华】这就是生物学中一条颠扑不破的真理——“结构与功能相适应”。肺泡精巧的结构，正是为了实现其高效气体交换的功能。

2.原理分析与过程建构

【核心问题】气体是如何进入血液的？氧气和二氧化碳为什么要“走”？

（1）【原理铺垫】教师引入物理学概念——气体的扩散作用。解释：就像一滴墨水滴入清水中会慢慢散开一样，任何气体都是由高浓度（或高分压）的地方向低浓度（或低分压）的地方运动的，直到平衡为止。

（2）【动态演示与讲解】播放肺泡与血液气体交换的3D动画。

①教师配合动画讲解：当外界新鲜空气被吸入肺泡后，肺泡内的氧气浓度（或分压）很高，而流经肺泡的血液是刚刚从身体组织回来的，血液中氧气浓度很低，二氧化碳浓度很高。于是，在浓度差的驱动下，氧气就像“迫不及待”一样，穿过肺泡壁和毛细血管壁这两层薄薄的细胞，扩散到血液中，与红细胞中的血红蛋白结合。

②与此同时，血液中的二氧化碳也感受到了肺泡内较低的浓度，同样迅速扩散出来，进入肺泡，等待着下一次呼气被排出体外。

（3）【师生互动建构图示】教师在黑板或通过屏幕，与学生一起动态绘制“肺泡与血液气体交换示意图”。用红色箭头表示氧气扩散方向，用蓝色箭头表示二氧化碳扩散方向，并标注出扩散后血液成分的变化（由含氧少、颜色暗红的静脉血，变成了含氧丰富、颜色鲜红的动脉血）。

【设计意图】将物理学原理与生物学过程有机结合，体现了跨学科的教学理念。动态图示的建构，帮助学生将零散的知识点串联成一个完整的动态过程，使微观抽象的交换过程变得清晰、生动。

（四）拓展与整合：气体在血液中的运输与组织里的交换

【过渡】氧气进入血液后，是不是就到达目的地了呢？它最终要去哪里发挥作用？我们的组织细胞每时每刻都在进行呼吸作用，消耗氧气，产生二氧化碳，这个过程又该如何维持？

【知识整合【重要】】

（1）【教师精讲】氧气进入血液后，主要以氧合血红蛋白的形式被运输到全身各处的组织细胞。这如同血液中的“快递员”，将氧气精准送达。

（2）【类比推理】教师引导学生，根据肺泡气体交换的原理，推理组织细胞处的气体交换过程。

①问题：当血液（动脉血）流经组织处的毛细血管时，血液中和组织细胞中，氧气和二氧化碳的浓度分布又是怎样的？（组织细胞不断消耗氧气，所以氧气浓度低；不断产生二氧化碳，所以二氧化碳浓度高；而血液刚好相反。）

②结论：因此，血液中的氧气迅速扩散进入组织细胞，而组织细胞产生的二氧化碳则扩散进入血液。血液又从含氧丰富的动脉血，变成了含氧少的静脉血。

（3）【构建完整概念图】教师引导学生将肺通气、肺泡气体交换、气体在血液中的运输、组织气体交换这四个环节联系起来，绘制出完整的呼吸全过程概念图。明确呼吸的最终目的是为组织细胞提供氧气，同时带走其产生的二氧化碳。

【设计意图】打通知识之间的内在联系，构建“人体是一个整体”的生命观念。通过类比推理，锻炼学生的知识迁移能力，使其触类旁通。绘制概念图则是将碎片化的知识系统化、结构化，利于长久记忆和深层理解。

（五）联系生活，情感升华——关注呼吸健康，担当社会责任

【案例研讨】播放一段关于“吸烟者肺部与健康者肺部对比”的短视频，或展示相关数据资料。介绍吸烟对呼吸道黏膜、肺泡结构、纤毛功能的损害，以及由此引发的慢性支气管炎、肺气肿、肺癌等疾病。【高频考点/热点】

【小组讨论】请同学们结合所学知识，分组讨论以下问题：

（1）为什么吸烟会让人感到呼吸困难？

（2）作为青少年，我们应该如何保护自己的呼吸系统？

（3）对于身边吸烟的家人或朋友，我们可以做些什么？

【小组汇报与交流】各小组派代表分享讨论成果。

【教师总结与升华】同学们，肺是气体交换的场所，它精密而脆弱。今天我们不仅学习了发生在肺内的气体交换的科学原理，更深刻理解了保护这扇“生命之窗”的重要性。清新的空气是我们健康的保障，让我们从今天做起，拒绝第一支烟，并向周围的人传递健康呼吸的理念，为共建无烟环境、保护我们共同的地球家园贡献自己的一份力量。

七、板书设计（逻辑框架示意）

（一）肺与外界的气体交换（肺通气）——实现内、外气体沟通

1.动力：呼吸运动（肋间肌、膈肌的收缩和舒张）

2.原理：呼吸运动→胸廓容积变化→肺内气压变化→气体进出（与大气压的压力差）

（吸气：肌缩→胸扩→肺张→内压小→气入肺）

（呼气：肌舒→胸缩→肺缩→内压大→气出肺）

（二）肺泡与血液的气体交换——实现气体成分转变

1.结构基础：肺泡数量多、壁薄；外包丰富毛细血管（壁薄）；面积大

2.原理：气体的扩散作用（从高浓度→低浓度）

3.过程：

肺泡O₂（高）————→血液（低）【静脉血→动脉血】

血液CO₂（高）————→肺泡（低）

（三）呼吸的意义

为组织细胞提供氧气，同时排出其产生的二氧化碳，维持细胞正常生命活动。

八、教学评价与反思设计

（一）课堂形成性评价

1.过程性评价：在学生动手制作模型、进