模拟呼吸运动模型的构建与探究

模拟呼吸运动模型的构建与探究

——初中生物八年级（苏科版）教案

一、教材与学情分析

（一）教材地位与作用

【非常重要】本节课《模拟人体呼吸运动》是苏科版八年级上册第6单元“生命活动的调节”中第15章“人体内平衡的维持”第1节“人体与外界环境的气体交换”的核心内容-4。它上承消化、循环系统对营养物质的吸收与运输，下启气体在血液中的运输及组织细胞处的气体交换，是构建“人体是一个统一的整体”这一生命观念的关键环节。本节课的核心知识——“呼吸运动的原理”揭示了肺通气是如何实现的，是理解呼吸频率、肺活量等生理指标的基础，也是解释体育锻炼、急救（如人工呼吸）原理的理论支撑，在整章中起到承上启下的枢纽作用。

（二）学情认知分析

1.知识基础：学生通过七年级的学习，已初步了解呼吸系统的组成（鼻、咽、喉、气管、支气管、肺）-1。但对于“肺是如何吸入和呼出气体”的动力学机制，即呼吸运动的过程，仅有感性认识，缺乏科学的、本质的理解。

2.能力水平：八年级学生具备了一定的观察、思考和动手能力，逻辑思维开始占优势，但抽象思维能力仍有待发展。他们对模型建构和探究实验抱有浓厚兴趣，【基础】能够根据教师引导进行小组合作和初步的分析讨论，但对于如何通过模型理解微观、动态的生理过程，以及如何将模型各部分与人体结构进行精准对应，还需要教师的深度引导。

3.认知障碍：【难点】【非常重要】学生普遍存在的认知难点在于：一是容易将“肺主动运动”误解为吸气的动力，无法建立“肋间肌和膈肌收缩导致胸廓容积变化，进而引起肺内气压变化，最终实现气体进出”的因果逻辑链；二是难以同时理解肋骨间的肌肉（肋间肌）运动导致胸廓前后、左右径的变化，以及膈肌运动导致胸廓上下径的变化，即对胸廓是一个立体、三维的结构缺乏直观感受。

二、教学目标与核心素养

基于课程标准并指向学科核心素养的培育，制定如下教学目标：

（一）生命观念

通过探究呼吸运动的原理，理解呼吸肌的节律性收缩与舒张是生命维持的基本特征，形成结构与功能相适应的生命观念，并能认同体育锻炼对呼吸肌力量的强化作用。

（二）科学思维

【重要】通过对模拟装置的观察、分析与评价，能够运用归纳、演绎的方法，推理胸廓容积变化与气压变化、气体进出之间的逻辑关系；能够批判性地审视模型的优点与不足，发展模型建构的思维。

（三）科学探究

通过小组合作设计并改进呼吸运动模型，体验“问题—假设—制作—检验—改进”的探究过程，提升动手实践能力、团队协作能力及解决实际问题的能力。

（四）社会责任

能够运用所学的呼吸运动原理，科学解释人工呼吸的操作要领、疫情防控中佩戴口罩对呼吸阻力的影响等生活及社会议题，形成关注自身健康、关爱生命的意识。

三、教学重难点

（一）教学重点

1.【高频考点】膈肌和肋间肌的运动与胸廓容积变化之间的关系。

2.【高频考点】呼吸运动（吸气和呼气）的实现过程及原理。

（二）教学难点

3.【难点】【非常重要】理解胸廓立体三维（前后径、左右径、上下径）的变化。

4.【难点】理解气压差是气体进出于肺的直接动力。

5.【难点】对模型的评价、改进及跨学科知识的融合应用。

四、教学方法与准备

（一）教学方法

本节课将采用“5E”教学模式（吸引-探究-解释-迁移-评价），融合探究式学习、小组合作学习及项目式学习（PBL）理念。通过创设真实情境引发认知冲突，引导学生在动手操作和思辨讨论中自主建构知识。

（二）教学准备

1.教师准备：传统膈肌运动模型（无底玻璃瓶、Y型管、气球、橡皮膜）-6；创新可演示肋骨运动的呼吸运动模型（参考温州十九中学李惠苹老师及东营市团队的设计，可展示肋间肌运动）-5-7；人体胸腔骨骼模型；教学PPT；气压传感器（选配，用于数字化探究）。

2.学生准备（分组）：每组一套自制简易模型材料（透明饮料瓶、Y型或T型玻璃管/吸管、小气球2个、大气球/橡胶手套、橡皮筋、剪刀、胶带）。学有余力的兴趣小组可提前准备硬纸板、细铁丝、滑轮等材料用于构建立体胸廓模型-7。

五、教学实施过程

（一）吸引——情境导入，聚焦问题

【课堂实录】

上课伊始，教师并未直接板书课题，而是邀请两位学生进行互动体验。请第一位学生深吸气后屏住呼吸，同时用手按住自己的胸部两侧和腹部。请第二位学生用手轻触第一位学生的胸廓。教师提问：“大家观察到了什么？吸气时，他的身体哪些部位发生了运动？”

学生观察后回答：“胸部鼓起来了”、“腹部也鼓起来了”……

教师继续追问：“那么，是肺自己在用力扩张，把胸廓撑开的吗？还是有什么力量在帮助它？肺自己没有肌肉，它究竟是如何被‘充气’的？”

【设计意图】通过触觉体验，将学生模糊的感性认识聚焦于“胸廓运动”这一核心现象。通过“肺自己是主动还是被动”的设问，引发学生的认知冲突，【非常重要】直击本节课的核心探究问题，激发学生深入探究的欲望，自然导入课题。

（二）探究——模型解构，初建概念（传统模型）

环节1：认识模型，明确对应关系

教师展示传统的膈肌运动模型（瓶身代表胸廓，Y型管代表气管和支气管，小气球代表肺，底部橡皮膜代表膈肌）。【基础】引导学生以小组为单位，对照人体胸腔骨骼模型，讨论并明确模型中各部分结构分别模拟了人体的哪个部分。

学生通过讨论达成共识：玻璃管模拟气管和支气管；瓶内的气球模拟肺（左、右肺）；玻璃瓶模拟胸廓（主要是胸腔）；底部的橡皮膜模拟膈肌。

环节2：操作模型，探究膈肌与肺的关系

【重要】教师指导学生以小组为单位，亲自动手操作模型。指令清晰明确：“请同学们一手握住瓶身，另一手轻轻向下拉动橡皮膜，然后向上推挤橡皮膜，反复几次。仔细观察在这个过程中，瓶内小气球（肺）的体积发生了怎样的变化？”

学生操作，并观察到明确现象：向下拉橡皮膜→小气球变大（模拟吸气）；向上推橡皮膜→小气球变小（模拟呼气）。

教师引导学生即时记录观察结果，并追问关键问题：【高频考点】“向下拉橡皮膜时，模拟的膈肌处于什么状态（收缩还是舒张）？胸廓的上下径发生了怎样的变化？气球为什么会变大？是它自己主动变大，还是有气体被‘压’进去了？气球内的气压和外界大气压相比，此时谁大谁小？”

通过层层递进的追问，引导学生初步构建起逻辑链：膈肌收缩→膈顶下降→胸廓上下径增大→胸廓容积扩大→肺被动扩张→肺内气压减小（低于外界大气压）→气体吸入。

【设计意图】通过亲手操作和问题串引导，将抽象的原理转化为可视、可感的具体过程，让学生直观理解膈肌运动对肺容积的影响，初步攻克“气压差”这一难点。

（三）解释——认知冲突，模型批判（模型局限）

教师对学生的初步结论表示肯定，随即话锋一转，提出新的问题：“刚才的模型很好地解释了膈肌（上下径）的作用。但是，我们刚刚体验吸气时，手放在胸部两侧，明明也感觉到肋骨在向外向上扩张。这个模型能解释肋骨的运动吗？”

学生观察手中的简易瓶状模型，很快发现其局限性：瓶身（胸廓）是硬质的、不能动，无法模拟肋骨间肌肉（肋间肌）收缩引起的胸廓前后径和左右径的变化。

【难点】【非常重要】教师顺势引出肋间肌的概念，并结合人体胸腔骨骼模型，讲解肋骨、胸骨和肋间肌的解剖位置。此时，学生认识到，一个完整的呼吸运动模型，必须能够同时模拟“膈肌的升降”和“肋骨的提降”。

（四）迁移——创新设计，深度建模（项目式学习）

环节1：项目发布与头脑风暴

教师发布核心驱动任务：“刚才的模型虽然经典，但有缺陷。现在请你们以‘工程师’的身份，组建研发团队，目标是设计并制作一个‘2.0版本的呼吸运动模型’，要求它能同时演示：1.膈肌运动导致的上下径变化；2.肋间肌运动导致的前后、左右径变化。”

【跨学科视野】教师提示学生可以借鉴物理学中的杠杆、滑轮原理，以及工程学中的材料选择与结构设计思想-2-7。各小组领取进阶材料包（包含硬纸板、细铁丝、滑轮、绳子、大号饮料瓶、橡胶手套、气球等）。

环节2：模型建构与迭代优化

各小组进入紧张的模型建构阶段。教师巡视，扮演“技术顾问”角色，引导学生思考并解决以下关键工程问题：

1.如何模拟肋骨？有小组用可弯折的细铁丝或硬纸条围成笼状，代表胸廓；有小组借鉴已有创新案例，用硬塑料扣板和细铁丝构建-7。

2.如何模拟肋间肌的收缩？有小组发现，在代表肋骨的铁丝上栓线，向后或向上牵拉（模拟肋间肌收缩），可以导致代表胸骨的部件向前向上移动，从而使胸廓前后、左右径扩大-4-7。

3.如何实现膈肌运动和肋骨运动的同步？【热点】这成为学生遇到的最高挑战。教师引导小组讨论，并展示滑轮组的原理。部分小组尝试用两个滑轮改变力的方向，将向下拉动膈肌的力和向后拉动肋骨（模拟肋间肌）的力整合到同一个拉手上，实现同步操作，形象地展示了吸气时膈肌和肋间肌的协同收缩-7。

【课堂实录精彩片段】

（第一小组用硬纸板构建了肋骨，但拉动时纸板变形严重，无法回弹。）

师：“你们的材料在受力时发生了不可逆的形变，这在工程上叫做‘弹性形变’和‘塑性形变’。我们的肋骨需要的是既能运动，又能恢复原位，应该选什么材料？”

生：“有弹性的！比如弹簧片？或者像铁丝一样能弯但也能自己回来的？”

师：“很好，可以尝试将细铁丝弯成弓形，来模拟具有弹性的肋骨。”

（学生恍然大悟，立刻改进方案。）

环节3：成果展示与互评

各小组完成后，选派“产品经理”上台展示并介绍本组模型的【创新点】。例如：

组A：“我们组最大的创新是使用了橡胶手套作为膈肌，气密性更好，肺的扩张也更明显。”

组B：“我们借鉴了网上看到的方案，用两个小滑轮改变了力的方向，用一个绳子就能同时控制肋骨的提拉和膈肌的下降，非常直观地表现了吸气时肌肉的协同作用-5。”

其他小组和教师根据模型是否满足设计需求（同时模拟膈肌和肋间肌功能）、结构稳定性、创新性、美观度等进行评价和提问。教师适时引导学生总结肋间肌运动对呼吸的影响：【高频考点】肋间肌收缩→肋骨和胸骨向上向外移动→胸廓前后、左右径增大→胸廓容积扩大→辅助吸气。

【设计意图】此环节是本课的高潮和灵魂，【非常重要】将单纯的验证性实验升华为探究性、创造性的项目式学习。学生在“做中学”，在遇到真实问题、解决问题的过程中，不仅深刻理解了复杂的生理过程，更锻炼了工程思维、团队协作和创新能力，充分体现了STEAM教育理念-7。

（五）评价与升华——应用迁移，素养达成

环节1：数字化赋能（选做）

若条件允许，教师可引入数字化实验设备：将气压传感器探头放入肺模型（气球）内，通过数据采集器在电脑屏幕上实时显示吸气、呼气过程中气压的变化曲线。将学生直观感受与精确数据相结合，深刻理解“肺内气压低于外界大气压时吸气，高于时呼气”的本质，与物理学知识实现跨学科融合-3。

环节2：回归生活，解释应用

【热点】教师展示三个生活情境，引导学生用本节课所学原理进行解释：

1.溺水急救：为什么对溺水者进行人工呼吸前，首先要清理呼吸道，然后捏住其鼻子，再口对口吹气？人工呼吸的原理，究竟是“给肺充气”，还是模拟了人体的呼吸运动？（引导学生讨论得出：人工呼吸是通过外力将气体吹入，属于正压通气，不同于人体自主呼吸的负压通气，但都能实现气体交换。）

2.呼吸困难：为什么严重肺炎患者会感到呼吸困难？这和他们肋间肌、膈肌的力量有无关系？（引导学生讨论得出：炎症导致肺泡气体交换膜增厚，需要更大的力量才能完成气体交换，呼吸肌长期超负荷工作会导致疲劳甚至衰竭，因此需要用呼吸机辅助-2。）

3.运动锻炼：经常进行扩胸运动和深呼吸运动，对我们有什么好处？（引导学生讨论得出：可以增强肋间肌和膈肌的力量，增大胸廓活动范围，从而提高肺活量。）

环节3：课堂总结与情感升华

教师引导学生回顾本节课的探究历程：从一个简单的瓶状模型发现问题，再到利用工程学知识创造性地构建更完美的模型，最后用模型去解释生活和医学中的现象。强调科学就是一个不断质疑、不断修正、不断完善的过程。鼓励学生在生活中要继续保持这种探究的热情和批判性思维。

最后，【重要】再次呼应生命观念：人体的每一次平静呼吸，都是呼吸肌精妙配合的结果，是生命律动的体现，我们应当珍爱身体，科学锻炼。

六、板书设计

模拟呼吸运动模型的构建与探究

一、呼吸运动原理

1.动力：呼吸肌（肋间肌、膈肌）的收缩与舒张

2.过程：

吸气：肌肉收缩→胸廓扩大→肺扩张→肺内压↓→气体入肺

呼气：肌肉舒张→胸廓缩小→肺回缩→肺内压↑→气体出肺

3.本质：【难点】气压差（气体从高压流向低压）

二、模型构建与评价

1.经典模型（膈肌模型）：上下径

2.创新模型（立体胸廓）：上下径+前后/左右径

对应结构：气管/支气管、肺、胸廓（肋骨、胸骨）、膈肌、肋间肌

七、教学反思与评价

本节课的设计突破了传统教学中教师演示、学生记忆的窠臼。通过“体验-操作-质疑-创造-应用”的递进式环节，将知识传授、能力培养和素养提升融为一体。

从教学效果看，学生在亲手改进模型的过程中，对“膈肌运动