基于核心素养的初中生物学探究：人体代谢废物的排出路径与调节（七年级下册）

基于核心素养的初中生物学探究：人体代谢废物的排出路径与调节（七年级下册）

  一、设计总览：基于深度学习的跨学科单元教学设计

（一）核心理念与设计思路

本教学设计以发展学生生物学核心素养为根本宗旨，超越传统知识点罗列模式，构建一个以“生命系统的稳态与平衡”为大概念的深度学习单元。教学以“人体如何在与环境的物质交换中维持内部环境的清洁与稳定”为核心驱动问题，将“排泄”这一生理过程，置于人体作为一个开放系统的宏观背景下进行审视。设计思路遵循“现象-结构-功能-调节-系统观”的认知逻辑链条，整合生物学、物理学（扩散、滤过原理）、化学（物质转化、尿素合成）及环境科学等多学科视角，并引入医学健康（如肾功能检测、透析原理）和社会伦理（如水资源保护、器官捐献）的讨论，旨在培养学生系统思维、科学探究能力及社会责任感。本设计采用项目式学习与探究式教学相结合的混合模式，以建构学生自身的概念体系与模型认知。

（二）学习者分析与课标对标

本教学对象为七年级下学期学生。其认知特点是：已初步学习人体消化、呼吸、循环系统知识，具备了“营养物质吸收”、“气体交换”、“血液循环运输”等前概念，但对各系统间的协同整合认识薄弱；抽象逻辑思维开始发展，但对微观结构与宏观功能之间的联系理解存在困难；探究兴趣浓厚，乐于动手操作和模型建构，但设计对照实验、分析复杂数据的能力有待提升。依据《义务教育生物学课程标准（2022年版）》，本单元紧扣“人体生理与健康”主题，具体对应“概念4人体通过循环系统、泌尿系统等完成物质运输和废物排出”、“4.3人体通过泌尿系统排出代谢废物”等内容要求，并着力达成“探究实践”与“态度责任”层面的学业要求，如“说明尿液的形成和排出过程”、“形成健康生活的态度”、“关注相关的社会议题”等。

（三）单元学习目标

1.生命观念：形成“结构与功能相适应”、“稳态与平衡”的生物学观点。能够阐释肾单位各组成部分的结构特点与其在滤过、重吸收、分泌功能上的对应关系；能够从系统视角，解释排泄系统与循环、呼吸、皮肤等系统协同维持内环境成分相对稳定的机制。

2.科学思维：发展模型建构与推理能力。能够利用物理、化学原理，分析和解释尿液形成过程中物质跨膜移动的动力与机制；能够基于实验数据或图表（如尿液成分表、血浆、原尿成分对比图），运用比较、归纳、演绎等逻辑方法，推断肾小球或肾小管的功能状态。

3.探究实践：提升科学探究与跨学科实践能力。能够独立或小组合作完成“模拟肾小球的滤过作用”等探究实验，并尝试改进实验装置；能够规范使用显微镜观察肾组织切片，识别主要结构；能够设计简单的调查方案，了解社区中慢性肾病防治知识的普及情况。

4.态度责任：树立健康意识与社会责任感。养成主动饮水、及时排尿的健康生活习惯，并能解释其生物学原理；关注肾脏健康，了解常规尿检的意义；认识到人体排泄与环境保护（如污水处理）的内在联系，形成节约用水、保护水资源的自觉意识；理性看待器官移植等现代医学技术。

（四）教学重点与难点

教学重点：肾单位的结构与尿液形成过程（滤过与重吸收）的机理；排泄对于维持内环境稳态的意义。

教学难点：从微观层面（细胞、分子水平）和物理化学原理层面，理解肾小球滤过的动力来源及选择性滤过的本质；理解肾小管重吸收的选择性、主动性与限度；建立排泄系统与其他系统（尤其是循环系统）协同作用的整体动态模型。

（五）课时安排与资源准备

本单元规划为4个连贯课时。

第一课时：情境锚定与系统初探——人体废物知多少？

第二课时：核心结构与功能探秘——神奇的“过滤器”：肾单位。

第三课时：过程建模与调节深化——动态平衡：尿液的形成与排出。

第四课时：整合应用与议题拓展——健康·科技·责任：排泄系统的今天与明天。

资源准备：人体泌尿系统模型、肾单位放大模型或3D虚拟解剖软件；猪肾或羊肾实物解剖材料；显微镜及肾组织永久切片；滤纸、漏斗、烧杯、不同分子量（大小）的彩色塑料微球（模拟血细胞、蛋白质、葡萄糖、尿素等）、纱布、清水、淀粉液、葡萄糖试剂等实验材料；血浆、原尿、尿液成分对比数据表；肾透析原理动画或视频资料；相关健康调查问卷模板。

  二、教学实施过程：一个完整的科学探究循环

（一）第一课时：情境锚定与系统初探——人体废物知多少？

核心任务：从生活经验出发，识别代谢废物，界定排泄概念，并初步构建人体废物排出途径的整体图景。

1.情境导入与驱动性问题提出（预计时间：15分钟）

  活动设计：呈现两组对比强烈的图片/短视频。一组：清澈的溪流与受污染的浊水；另一组：精神饱满的运动员与因尿毒症接受透析的患者。随后，展示一句哲理性提问：“生命如同一团燃烧的火焰，在摄取能量与物质创造有序的同时，也必然产生‘灰烬’。我们身体的‘灰烬’是什么？它们去了哪里？如果‘灰烬’堆积，将会发生什么？”

  学生活动：观察、思考并自由发表初步看法。教师引导学生聚焦到人体自身：我们每天摄入食物、水和氧气，那么产生的“灰烬”（废物）有哪些？它们是如何被清理出身体，以保持我们内部“环境”清洁的？

  设计意图：通过隐喻和视觉冲击，将“排泄”这一生理过程与“环境保护”、“生命健康”等宏大主题关联，激发学生的探究欲望和内在学习动机，自然引出本单元的核心驱动问题。

2.概念辨析与废物分类探究（预计时间：20分钟）

  活动设计：首先进行“头脑风暴”，请学生尽可能多地列举人体可能产生的废物（如二氧化碳、汗、尿、粪便、死细胞等）。随后，教师提供关键信息支架：①细胞呼吸作用公式（葡萄糖+氧气→二氧化碳+水+能量）；②蛋白质等含氮物质代谢的终产物。引导学生基于废物来源（细胞代谢产生vs.未被吸收的食物残渣）和化学成分进行分类。

  关键讲解与辨析：明确“排泄”的生物学定义——将细胞代谢产生的终产物（如二氧化碳、尿素、多余的水分和无机盐）排出体外的过程。重点辨析：粪便（食物残渣）的主要排出过程不属于排泄，而是排遗。二氧化碳、尿素、多余水盐是本节课聚焦的三大类代谢废物。

  设计意图：通过辨析，帮助学生建立科学的“排泄”概念，厘清常见误区，为后续学习奠定准确的概念基础。

3.多途径排出系统的初步建模（预计时间：15分钟）

  活动设计：提出问题：“三类主要的代谢废物，分别通过身体的哪些途径排出？”引导学生利用已有知识（呼吸系统、皮肤知识）进行推理和小组讨论。随后，教师提供人体轮廓图，各小组合作，用不同颜色的箭头和标签，在图上标注出二氧化碳、尿素、水盐的推测排出路径及主要器官。

  小组展示与教师精讲：选择典型小组展示其模型。教师在此基础上，系统总结并精讲：①二氧化碳由呼吸系统（主要经肺）排出；②部分水、少量无机盐、微量尿素由皮肤以汗液形式排出；③绝大部分尿素、多余的水和无机盐，由泌尿系统（以尿液形式）排出。强调泌尿系统是排出代谢废物种类最多、调节水盐平衡能力最强的“主力军”。

  设计意图：引导学生主动构建知识网络，将新学习的“排泄”概念与已有知识（呼吸系统、皮肤）相联系，初步形成“多系统协同”的雏形观念，并明确本单元的研究重点是承担核心任务的泌尿系统。布置课后探究任务：记录自己24小时的饮水种类与量、排尿次数与大概量，并收集一份关于“人们对肾脏健康认知”的微型访谈提纲。

（二）第二课时：核心结构与功能探秘——神奇的“过滤器”：肾单位

核心任务：通过观察、建模与推理，深入理解泌尿系统核心器官——肾脏及基本功能单位——肾单位的精细结构与功能预适应。

1.从宏观到微观：肾脏的定位与结构（预计时间：20分钟）

  活动设计：回顾上节课结论，提问：“泌尿系统的核心器官是什么？它位于我们身体的何处？”利用人体模型或解剖图，明确肾脏的成对性、腹膜后位置及大致形态（似蚕豆）。接着，进行实物观察（猪/羊肾）或高质量3D模型拆解观察。学生小组合作，识别肾脏表层（皮质）、内部（髓质）和肾盂，并追踪输尿管连接。

  关键讲解：结合实物与剖面图，讲解肾脏的基本功能分区：外周颜色较深的皮质是“过滤车间”主要所在地；内部颜色较浅的髓质是“尿液浓缩通道”所在；中央的肾盂是“尿液集合站”，连接输尿管。指出肾脏实质由数百万个微小的功能单元构成，从而引出肾单位。

  设计意图：实物观察提供直观经验，打破神秘感，建立宏观解剖结构的空间认知，为理解微观功能单位奠定基础。

2.肾单位模型的建构与解构（预计时间：25分钟）

  本环节是突破重难点的关键步骤之一。

  活动设计第一步（模型初建）：提供肾单位的结构示意图和文字描述（包括肾小球、肾小囊、近曲小管、髓袢、远曲小管、集合管），但不直接告知名称对应关系。学生小组利用橡皮泥、彩色电线、不同直径的吸管等材料，尝试合作构建一个立体肾单位模型，并为自己模型的各部分命名。

  活动设计第二步（认知冲突与科学命名）：小组展示模型并解释命名理由。教师不急于评判对错，而是播放一段肾单位3D动画，展示血液流动路径及相应结构。引导学生对照科学动画，修正自己的模型和命名。教师随后系统精讲：①肾小球：毛细血管球，滤过发生地；②肾小囊：双层杯状囊，包裹肾小球，内层细胞有足突，形成滤过屏障；③肾小管：长而弯曲的管道，分为近曲小管、髓袢、远曲小管，是重吸收和分泌的主要场所；④集合管：汇集多个肾单位尿液。

  活动设计第三步（结构与功能关联推理）：提出问题链，引导学生推理：“为什么肾小球是一团毛细血管球？（增大滤过面积）”“肾小囊内层细胞为何有足突？（形成缝隙，允许小分子通过，阻挡大分子）”“肾小管为什么那么长且弯曲？（增加重吸收面积，延长物质交换时间）”。完成从结构到功能的初步推理。

  设计意图：通过“建模-冲突-修正-推理”的探究过程，让学生主动建构对肾单位复杂结构的理解，并深刻体会“结构与功能相适应”这一生物学核心观念。

3.显微观察与绘图（预计时间：15分钟）

  活动设计：学生两人一组，使用显微镜观察肾脏皮质切片（永久装片）。在实验报告册上，尝试绘制1-2个在视野中能辨认的肾小球及其周围的肾小管断面图，并标注已知结构。

  教师巡回指导，帮助学生识别视野中的结构。展示典型视野的投影，总结显微镜下肾脏皮质的结构特点。

  设计意图：将宏观模型与微观实物联系起来，训练学生的显微观察能力和生物绘图技能，进一步巩固对肾单位空间结构的认识。布置课后任务：进一步完善肾单位模型，并思考“血液流经这个精巧的单元时，会发生怎样的变化？”

（三）第三课时：过程建模与调节深化——动态平衡：尿液的形成与排出

核心任务：通过模拟实验、数据分析与模型迭代，深入理解尿液形成的两个关键生理过程——滤过与重吸收，并了解排尿的调节机制。

1.探究活动：模拟肾小球的滤过作用（预计时间：25分钟）

  这是突破滤过原理这一难点的核心探究活动。

  活动设计：教师提出探究问题：“肾小球如何像筛子一样工作？哪些物质能滤过，哪些不能？”学生小组利用提供的材料（漏斗模拟肾小囊腔，多层纱布模拟滤过膜，烧杯盛放混合液模拟血液成分——含红色大塑料球模拟血细胞、黄色中等大小球模拟蛋白质、绿色小颗粒模拟葡萄糖、尿素等小分子，溶于水的蓝色染料模拟无机盐离子），自行设计实验装置，探究“滤液”中的成分变化。

  关键步骤与引导：①学生搭建装置并进行过滤。②观察并比较“滤液”与“原血液混合液”在颜色、颗粒成分上的差异。③小组讨论：纱布（滤过膜）起到了什么作用？滤液中的成分有什么特点？为什么血细胞和大分子蛋白质没有出现？④教师引导学生从物理学角度分析：滤过的动力来自哪里？（肾小球毛细血管血压）滤过的选择性与什么有关？（物质分子的大小和滤过膜的孔径）

  数据分析与结论：展示真实的人体血浆、原尿成分对比数据表。引导学生发现：原尿中除大分子蛋白质外，其他成分浓度与血浆基本一致，验证了肾小球的滤过作用是一种基于大小的物理滤过，生成的是基本不含血细胞和蛋白质的原尿（约180升/天）。

  设计意图：通过具身化的模拟实验，将抽象的滤过原理转化为可视、可操作的过程，帮助学生理解滤过的物理本质和选择性。

2.概念建模：肾小管的重吸收与分泌（预计时间：20分钟）

  活动设计：承接上文，提出问题：“每天产生180升原尿，但我们最终只排出约1.5升尿液。那178.5升原尿去哪了？其中的有用物质（如葡萄糖）为何没有全部流失？”展示原尿与终尿成分对比数据表，突出葡萄糖在终尿中含量为0，尿素、尿酸浓度大幅升高，水盐比例变化。

  引导学生分析数据，得出结论：肾小管将原尿中绝大部分水、全部葡萄糖、大部分无机盐等有用物质重新吸收回血液（重吸收），同时将血液中一些多余的离子、药物等转运到尿液中（分泌）。

  难点突破讲解：教师利用动画和示意图，深入讲解：①重吸收的选择性：葡萄糖、氨基酸等是主动运输（耗能），水是渗透作用（被动）。②重吸收的有限性：以葡萄糖为例，讲解“肾糖阈”概念，解释血糖过高时尿糖出现的原理。③分泌的意义：如排泄氢离子、钾离子等，参与调节血液pH和离子平衡。最终，形成尿液。

  设计意图：通过数据分析和动画演示，将肾小管复杂的选择性重吸收和分泌功能具体化、逻辑化，帮助学生建立动态的、物质平衡的观念。

3.动态流程图构建与排尿调节（预计时间：15分钟）

  活动设计：学生小组合作，在一张人体血液循环简图上，用不同颜色箭头和文字标签，动态标注出：血液流经肾单位时，滤过（红色箭头出）、重吸收（蓝色箭头回）、分泌（绿色箭头出）以及最终尿液流向膀胱、排出的全过程。形成完整的“尿液形成与排出”概念图。

  教师精讲排尿反射：简要介绍膀胱储尿、神经感知、脊髓低级中枢与大脑皮层高级中枢共同调控的排尿反射过程，强调其受意识控制的意义。联系生活，解释“憋尿”的危害（膀胱过度充盈影响其功能，甚至导致尿液返流损伤肾脏）。

  设计意图：通过构建流程图，整合前两个课时的知识，形成对尿液形成与排出全过程的系统性、动态性认识。将生理过程与健康生活习惯有机结合。布置课后拓展任务：分析一份虚拟的“尿常规化验单”，判断其中几项异常指标（如蛋白+、葡萄糖+）可能对应肾单位的哪个环节出现了问题。

（四）第四课时：整合应用与议题拓展——健康·科技·责任：排泄系统的今天与明天

核心任务：综合应用所学知识，解决真实情境中的健康问题，探讨科技应用与社会责任，完成单元概念的系统整合与升华。

1.案例分析：守护肾脏健康（预计时间：20分钟）

  活动设计：呈现两个案例。案例一：一名青少年因长期大量饮用高糖饮料、少喝水，体检发现尿液中结晶增多。案例二：一位糖尿病患者，需定期监测血糖和尿糖。学生小组选择其中一个案例，应用本单元知识进行讨论：①案例中行为或疾病如何影响肾脏功能或尿液成分？②给出具体的健康指导或解释医学监测原理。

  小组汇报与教师总结：各小组分享分析结果。教师总结保护肾脏健康的关键：足量饮水（降低废物浓度）、合理膳食（减轻负担）、不滥用药物（避免肾毒性）、预防感染（如扁桃体炎可能引发肾炎）、控制慢性病（如高血压、糖尿病）。并解读尿常规检查中关键指标（蛋白、糖、红细胞、白细胞）的临床意义。

  设计意图：将知识应用于真实健康情境，提升学生解决实际问题的能力，强化健康生活的态度与行为。

2.科技前沿探秘：人工肾与血液透析（预计时间：15分钟）

  活动设计：播放肾衰竭患者进行血液透析的简短纪录片片段。提出问题：“当肾脏功能严重衰竭时，现代医学如何替代其部分功能？”引导学生类比本单元所学原理，小组讨论推测血液透析机可能的工作机制。

  教师讲解与演示：利用原理图或动画，讲解透析机中“半透膜”的作用，以及透析液成分如何模拟肾脏的滤过和调节功能（清除尿素、调节电解质平衡）。指出其与肾脏自然功能的差异（非连续工作、无重吸收调节等）。简要介绍肾移植技术。

  设计意图：展示现代生物医学工程如何运用生物学原理解决健康难题，激发学生对生命科学和工程技术的兴趣，感受科技的人文关怀。

3.跨学科议题讨论：排泄、环境与伦理（预计时间：15分钟）

  活动设计：提出两个议题供小组选择讨论。议题一（环境科学）：人体排出的废物经城市污水处理系统净化后回归自然。这如何体现了人体与地球生态系统在“排泄”层面的相似性与循环？我们应承担怎样的责任？议题二（生命伦理）：面对器官短缺，如何理性看待器官捐献？鼓励自愿捐献与保障公平分配的伦理原则是什么？

  小组讨论与观点分享：各小组准备简短的发言。教师引导讨论走向深入，强调系统思维（人体小系统与生态大系统）、生命关怀与社会公平。

  设计意图：将生物学学习引向更广阔的环境与伦理视野，培养学生批判性思维、社会参与意识和高层次的责任感，实现学科育人的价值升华。

4.单元总结与核心概念网络构建（预计时间：10分钟）

  活动设计：学生个人或小组，使用思维导图或概念图工具，在A3纸上绘制本单元的核心概念网络图。中心主题为“人体代谢废物的排出与内环境稳态”。必须包含的关键概念节点有：代谢废物、排泄、泌尿系统、肾脏、肾单位、滤过、重吸收、分泌、尿液、稳态、循环系统、呼吸系统、皮肤等，并用连线标明概念间的关系。

  展示与互评：选取优秀作品展示，并让学生互相评价概念图的结构性、准确性与创造性。

  设计意图：通过自主构建概念网络，促进学生对本单元知识的深度加工、整合与结构化存储，形成稳固的认知体系，标志着单元学习的完成。

  三、学习评估与反馈设计

  本单元采用“贯穿过程、多元主体、形式多样”的形成性评价与总结性评价相结合的方式。

  （一）过程性表现评估（占比60%）

  1.探究活动参与度与协作性：观察记录学生在小组建模、模拟实验、案例分析、议题讨论中的主动参与、合作贡献、沟通交流情况。

  2.模型与作品质量：评估学生建构的肾单位立体模型、尿液形成动态流程图、单元概念网络图等的科学性、创新性与美观性。

  3.探究日志/实验报告：检查学生对“模拟滤过实验”的记录、分析与结论，以及