小学四年级科学《肺的主动通气：结构与功能的协同》素养型教学设计

小学四年级科学《肺的主动通气：结构与功能的协同》素养型教学设计

一、教学背景与设计原点

（一）【核心概念·课标锚点】单元定位与学段坐标

本课隶属于大象版科学教材四年级上册第四单元《人体的呼吸器官》第3课。依据《义务教育科学课程标准（2022年版）》，本单元承载“生命系统的构成层次”这一核心概念，具体落实“5.5人体由多个系统组成：描述人体呼吸系统的结构和气体交换过程，知道呼吸作用为人体内能量利用提供必要条件”的学习内容-7。四年级处于由具体认知向初步逻辑思维过渡的关键期，本课在单元中处于“原理揭示”的枢纽位置——前承《我们需要呼吸》《我们的呼吸器官》的事实性知识，后启《呼吸与运动》《保护呼吸器官》的应用迁移，是从“知道是什么”走向“解释为什么”进而“懂得怎么做”的认知跃迁点。

（二）【学情深描·认知边界】前概念诊断与发展区间

1.前概念优势：通过前两课学习，学生已能列举鼻、咽、喉、气管、支气管、肺等呼吸器官名称，90%以上的学生能指出“肺是重要呼吸器官”，85%的学生知道呼吸是为身体提供氧气-9。生活化经验如“跑步后大口喘气”“憋气时脸通红”为理解呼吸意义提供了具身基础。

2.迷思概念集中区：【难点·高频错念】①约70%的学生认为“肺自己会鼓气缩气，像气球主动充放”；②超过60%的学生将“吸气”理解为“肺主动把空气拉进来”，缺乏膈肌、胸腔压力差的概念；③绝大多数学生无法将“气体交换”与“肺泡结构”建立关联，认为肺只是一个“风箱”而非“交换站”。

3.思维与技能起点：四年级学生已具备初步的比较、归纳能力，对模型制作有浓厚兴趣，但在“用模型解释真实原理”时容易出现“做得很热闹、原理说不清”的知行脱节-7。小组合作中倾听与反驳的理性思维尚在建构中。

（三）【设计哲学·突破路径】从“被动充气”到“主动通气”的概念重构

本课设计的核心突破点在于：帮助学生完成从“肺主动呼吸”到“膈肌驱动胸廓—气压变化导致肺被动通气”的科学概念转变。这一转变依赖三重支架——具身体验建立现象证据、模型显化揭示黑箱机制、微观图示打通结构与功能。全程贯穿“结构与功能相适应”“系统协同工作”的跨学科大概念。

二、教学目标与评价指标

（一）【素养导向·四维整合】

1.科学观念：【非常重要·核心达成】理解肺自身没有肌肉，其通气依赖于胸廓扩大/缩小导致的气压差；认同肺是气体交换的场所，肺泡数量多、壁薄的结构特点与其高效交换功能相适应。

2.科学思维：【重要·思维进阶】运用类比推理（活塞与针筒）理解气压差原理；通过模型建构与修正，发展基于证据的解释能力；能辨析“主动充气”与“被动通气”的本质差异。

3.探究实践：【高频考点·关键能力】规范制作简易肺模型（塑料瓶+气球+吸管），准确操作并观察膈肌位置变化与“肺”气球胀缩的因果关系；能绘制呼吸过程膈肌、胸廓、肺三者的状态连环画。

4.态度责任：形成“用模型揭示机制”的科学认知方式；建立体育锻炼增强呼吸肌功能的健康信念；萌发珍爱生命、关注呼吸健康的积极情感。

（二）【学习目标·可测可评】

1.通过“模拟膈肌运动”的分层实验，95%的学生能说出吸气时膈肌收缩（下降）、胸廓扩大、肺内气压减小、气体进入肺的完整因果链。

2.通过拆解肺泡结构图与表面积计算类比活动，90%的学生能说出“肺泡多、壁薄”与“气体交换快”的结构功能关系。

3.小组合作完成呼吸模型的迭代制作，能运用模型向他人清晰解释肺的呼吸过程，并识别模型与真实人体的异同（如模型气球无气体交换功能）。

4.在课堂末尾的“呼吸健康承诺卡”上，每人写出2条基于呼吸原理的护肺措施（如：挺胸抬头使胸廓充分扩张、每天锻炼增强膈肌力量）。

三、教学准备与资源开发

（一）【实验材料·结构性供给】

小组标配（4人/组）：

1.核心模型材料：透明矿泉水瓶（去底）1个、Y形玻璃管/塑料三通管1支、大号气球1个（模拟膈肌）、小号气球2个（模拟左右肺）、橡皮筋2根、密封橡皮泥/热熔胶若干。

2.对比观察材料：哺乳动物鲜肺标本（猪/羊肺，置于托盘）、手持式放大镜、一次性手套。

3.数字化资源：平板电脑内置“3D呼吸系统”交互软件（可隐藏/显示器官、动态显示气流与膈肌运动）、肺泡气体交换VR微视频（30秒循环）。

教师精备：

4.胸腔骨骼模型（示肋骨、胸骨、脊柱）、膈肌升降动态挂图、肺活量测试仪。

5.学习单：“呼吸因果链拼图卡”“模型评价量规”“肺泡面积估算纸”。

四、【重中之重】教学实施过程——基于长时探究的三阶六步范式

本课采用“现象悬疑—模型解暗箱—微观探结构—迁移评理解”的四阶递进路径，总用时40分钟。将70%以上时间交还给学生进行具身体验、模型操作与研讨论证。

（一）【认知冲突·悬疑导入】（3分钟）

环节目标：暴露前概念，聚焦“肺会不会自己动”这一核心争议。

1.深呼吸体验与焦点访谈：教师带领学生双手轻抚肋骨下端，做一次极慢速深呼吸。提问：“吸气时，你的胸廓发生了什么变化？你觉得是肺自己把气吸进去，还是别的东西把肺撑开了？”【一般·全员卷入】

2.观点采集与认知公示：利用举牌选择（红牌：肺自己吸；绿牌：外力撑开；黄牌：不确定）。数据即时录入黑板统计。【难点·迷思外显】通常红牌占比60%以上。教师不纠错，设问：“肺到底是个‘大力士’还是‘被动的布袋’？今天我们化身呼吸侦探，用模型来破案。”

（二）【事实锚定·活体观察】（5分钟）

环节目标：通过真实肺标本的触觉观察，建立“肺柔软、无肌肉”的实证印象。

1.观察与触摸：每组发放托盘盛放的鲜肺标本（已做卫生处理）。任务指令：①用放大镜看肺表面是否有肌肉纤维样的纹理；②轻轻按压，感受它是紧实还是松软；③试着吹气使肺鼓起，观察它是整体均匀胀大还是局部突起。

2.发现汇总：学生报告核心发现——【非常重要·实证突破】“肺很软，像海绵”“按压会回弹”“没有看到肌肉”“吹气就鼓，不放气就瘪”。教师追问：“一个没有肌肉的器官，是怎么做到每分钟呼吸十几次、持续一辈子的？动力从哪来？”自然引出膈肌。

（三）【模型建构·机制显化】（18分钟）

环节目标：通过“劣质模型→优质模型→身体映射”的迭代，完整建构膈肌—胸廓—肺—气压的因果链。

【第一步：初代模型制作与失败体验】（4分钟）

1.教师下发简易材料包（仅提供去底瓶、单根吸管、1个小气球）。要求：制作一个能表示“肺在瓶子里呼吸”的装置。

2.典型问题：气球塞在瓶口，吸管穿过气球扎口处漏气；拉动瓶底膜时气球不动或乱动。【重要·认知冲突】学生发现“光把肺放进去，它并不会自己呼吸”，由此产生对“驱动装置”的渴求。

【第二步：膈肌模块嵌入与因果观测】（8分钟）

1.【高频考点·模型精进】教师示范“给瓶子装膈肌”：将大号气球膜绷紧扎在瓶底开口处，形成可推拉的弹性底膜；Y形管两端接小气球，单端接吸管伸出瓶口；密封所有接口。

2.结构化操作任务单：

1.3.任务A：向下轻拉瓶底气球膜（模拟膈肌收缩），记录瓶内小气球变化→发现小气球鼓起。

2.4.任务B：松开或向上顶瓶底膜（模拟膈肌舒张），记录变化→小气球变瘪。

3.5.任务C：手伸入胸腔位置，不碰瓶体，只捏放瓶底膜，观察瓶身（胸廓）有无变化？→发现瓶身不变，与实际吸气时肋骨向外扩展不符。

6.【难点·类比修正】教师及时介入：“这是模型与真实人体的重大区别——我们的胸廓是‘可变硬壳’，塑料瓶是‘固定硬壳’。”随即提供弹性胸带（宽橡皮筋绕瓶身），学生在模拟吸气时同步拉松橡皮筋，实现“膈肌降+胸廓扩”双重模拟。此为本课独创性设计，精准突破“胸廓运动”的模拟盲区。

【第三步：因果链拼图与表达建模】（6分钟）

1.小组拼图游戏：发放印有“膈肌收缩/舒张”“膈肌下降/上升”“胸廓扩大/缩小”“肺内气压变小/变大”“气体进入/排出”“肺鼓起/变瘪”的卡片。要求按“原因→过程→结果”逻辑顺序排列。

2.【非常重要·思维外显】小组轮流用模型边演示边讲解。评价标准聚焦因果关系的完整性（是否讲清了“动力源—胸廓变化—气压差—肺被动运动”的连锁反应）。教师提炼板书核心词链：膈肌收缩→膈顶下降→胸廓上下径扩大+肋骨向外扩展→胸腔容积↑→肺内气压↓→外界气体进入→吸气。呼气反向。

（四）【微观探秘·结构功能】（7分钟）

环节目标：从“肺怎么动”深入到“肺里发生什么”，建立宏观通气与微观交换的联结。

1.【热点·跨学科融合】出示肺泡3D打印模型或VR虚拟漫游视频。语言引导：“刚才我们看到了肺像风箱一样鼓动，但肺不是空口袋——切开它，里面是一座超级迷宫。”

2.类比估算活动：将一片肺泡组织结构图与一张揉皱又展开的报纸并列。提问：平铺的报纸和揉皱的报纸，哪个表面积大？肺泡的球形结构有什么好处？【难点·数理建模】引导学生理解：肺内约有3亿~4亿个肺泡，总展开面积约70~100平方米（相当于一个教室地面）。这就是“结构适应功能”的铁证。

3.气体交换微观动画：10秒短动画展示氧气穿过肺泡壁进入毛细血管、二氧化碳反向扩散。教师不展开生化细节，仅聚焦“肺泡壁极薄（仅一层细胞）”“外贴毛细血管网”两个关键适应特征。

（五）【整合迁移·系统观启蒙】（4分钟）

环节目标：将肺呼吸置于人体整体系统中，认识器官协同。

1.呼吸与循环的首次握手：出示人体半透图，叠加呼吸系统与血液循环系统。提问：肺拼命吸进来的氧气，最终要去哪里？心脏跳动与呼吸节奏有没有关系？学生通过触摸脉搏与呼吸节奏对比（安静时约1∶4），直观感受“系统协同”。

2.【重要·价值升华】引用运动员心脏更强壮、膈肌更有力的实例，揭示“用进废退”的生命法则。引出：呼吸不是理所当然，而是肌肉与器官协同工作的奇迹；保护呼吸器官不是空洞口号，而是基于原理的科学行动。

（六）【即时反馈·概念侦测】（3分钟）

嵌入式评价：发放半结构化学习单，核心题项仅2道，直指概念转变核心。

1.【高频考点·必会诊断】画图题：用简笔画表示吸气时膈肌位置（画横线）、胸廓轮廓（画肋骨）、肺的大小（画轮廓）。要求三要素位置关系正确。

2.【难点·深度侦测】判断题：“肺的呼吸主要靠肺自己收缩和扩张，膈肌只是帮忙。（）”95%以上学生应能判“×”并写出正确表述。教师课后统计错误率，作为后续“呼吸与运动”课时的干预依据。

五、【应列尽罗】全课时核心知识谱系

（一）呼吸系统的组成与空间结构

1.呼吸道序列：鼻（毛、黏膜）→咽（呼吸与进食交叉）→喉（声门）→气管（C形软骨环）→支气管（树状分支）→细支气管【一般·背景知识】。

2.肺的宏观位置：左肺二叶、右肺三叶，位于胸腔、心脏两侧，膈肌上方【重要·空间定位】。

3.【高频考点·结构关系】肺不是中空囊袋，而是由大量肺泡构成的实质器官；支气管进入肺后反复分支，终末为肺泡囊。

（二）肺通气的物理机制（核心认知负荷）

1.动力源：呼吸肌（膈肌、肋间肌）的节律性舒缩。【非常重要·根本动力】

2.中间变量：胸廓容积变化→胸腔内压变化（与大气压形成压差）。

3.直接结果：肺被动扩张/回弹→气体顺压力差进出。【难点·因果锁定】

4.呼气与吸气的非对称性：吸气是主动（肌肉收缩做功），呼气在安静时被动（肌肉舒张、组织回弹）。

（三）气体交换的结构基础与功能实现

1.【核心概念·微观结构】肺泡：①数量多（表面积大）；②壁薄（单层扁平上皮）；③外密布毛细血管网；④表面活性物质防止塌陷。

2.交换内容：氧气（进入血液，与血红蛋白结合）、二氧化碳（从血液进入肺泡）。

3.【重要·功能理解】肺是“交换站”而非“储存箱”，每一次呼吸更新肺泡气体成分，维持氧气分压梯度。

（四）呼吸节律的调节与适应性

1.神经调节：延髓呼吸中枢自动发放节律信号。【一般·了解层次】

2.化学调节：血液中二氧化碳浓度升高→呼吸中枢兴奋→呼吸加深加快。

3.【热点·生活链接】运动时呼吸加深加快的机理：肌肉代谢产生更多CO₂→血液酸度微增→呼吸中枢指令增强→膈肌肋间肌收缩更强劲。

（五）呼吸健康与系统保护

1.【态度责任·行为转化】①增强呼吸肌功能的有效方式：有氧运动、深呼吸练习、唱歌吹奏乐器；②减少损害因素：避免吸入粉尘烟雾（二手烟、霾）、预防呼吸道感染；③体姿影响：驼背压迫胸廓，挺胸抬头利于肺扩张。

2.肺功能简易指标：肺活量（反映一次最大通气能力），不是衡量健康的唯一标准但具有参考价值【一般·拓展】。

六、板书设计：思维可视化图谱

主板书（左侧，贯穿始终）

第3课肺是怎样呼吸的——膈肌指挥的“风箱协奏曲”

【吸气进行曲】【呼气间奏曲】

膈肌收缩↓膈肌舒张↑

（肌肉变短、穹顶下降）（肌肉拉长、穹顶上升）

↓↓

肋骨上提、胸骨前移肋骨下降、胸骨后移

胸廓左右/前后/上下径↑胸廓三径↓

↓↓

胸腔容积↑胸腔容积↓

↓↓

肺内气压↓（＜大气压）肺内气压↑（＞大气压）

↓↓

气体流入肺气体流出肺

↓↓

肺泡鼓胀肺泡回缩

副板书（右侧，生成性记录）

1.学生迷思词：“肺主动吸”“肺就是两个袋子”

2.模型迭代关键词：加膈肌→加弹性胸廓→加三通管分左右肺

3.类比库：活塞针筒、手风琴风箱、教室开门（内外压差）

4.肺泡特征：多如葡萄、薄如蝉翼、密如蛛网

七、作业设计：素养导向的分层任务

（一）【基础性作业·全员完成】

家庭呼吸观察员：与父母合作，测量平静时、轻微活动后、较剧烈活动后三分钟的呼吸次数，填入学习单表格。要求：不刻意控制呼吸，连续测量1分钟。思考：为什么活动强度越大呼吸越快？尝试用本课所学“二氧化碳增多刺激呼吸中枢”原理解释。【重要·生活实证】

（二）【拓展性作业·弹性选择】

模型迭代工程师（二选一）：

1.功能增强版：在课堂模型基础上，增加“肋骨”结构（可用可弯折吸管环绕瓶身），使下拉底膜时“肋骨”同步外展，更精准模拟吸气过程。

2.病理模拟版：改造模型以模拟某种呼吸系统疾病（如：用保鲜膜部分堵塞气管模拟哮喘；用橡皮泥压陷部分“肺”气球模拟肺纤维化）。拍摄短视频或绘制示意图+原理说明。

评价标准：①疾病表现与模型改动点对应清晰；②能运用气压差原理解释该疾病为何导致呼吸困难。【难点·创新迁移】

（三）【跨学科实践·长周期】

呼吸博物馆策展（单元结束前完成）：以小组为单位，从“呼吸的历史（古代对呼吸的认识）”“呼吸的物理学”“呼吸的化学（气体）”“呼吸与艺术（管乐器、歌唱）”“呼吸与健康”等子主题中任选，制作1张A3大小的科普手抄报或简易立体展板。本课所学肺通气原理须作为核心展陈内容。【热点·跨学科】

八、教学评价量规：基于证据的素养评估

维度

水平Ⅰ（待达标）

水平Ⅱ（达标）

水平Ⅲ（优秀）

概念理解（个体检测）

仍认为肺主动呼吸；混淆吸气和呼气的膈肌运动方向

能正确说出吸气时膈肌收缩下降、呼气时舒张上升；能画出正确的位置关系图

能结合气压差原理解释“为什么用吸管向瓶里吹气也能让膈肌膜鼓起来”等逆向问题

模型建构（小组作品）

模型严重漏气；无法演示膈肌与肺鼓缩的同步关系

模型气密性良好；膈肌下拉时肺气球明显鼓起；能对照模型讲述呼吸过程

模型包含左右肺、可动肋骨或胸骨；能主动指出“模型里气球无气体交换功能”的局限性

科学解释（课堂表现）

表达碎片化；因果链颠倒（如说“肺鼓起来导致膈肌下降”）

能使用“因为……所以……”完整描述至少3个环节的因果关系

运用类比（如针筒、打气筒）向他人清晰讲解；能反驳“肺主动呼吸”错误观点

合作沟通（组内观察）

独自操作不交流；不听取同伴建议

轮流操作并记录；用“我同意/补充……”句式参与讨论

主动协调组员分工；能用提问引发同伴思考（如“你觉得如果把瓶底膜粘住还能吸气吗”）

注：此量规不用于量化打分，而是作为教师课堂巡视时定点观察、个别指导的依据，以及课后反思教学有效性的证据参照。

九、教学特色与创新追求

（一）认知逻辑的精密进阶

本课严格遵循“现象（肺软无肌肉）→模型（膈肌驱动气压）→本质（气体交换）→价值（协同与健康）”的认知链条。没有停留于“热闘制作”，而是将模型作为思维外显化的认知工具。每一次材料添加（膈肌膜、弹性胸带）都对应一个迷思概念的破除，使“做”与“思”高度统一。

（二）跨学科概念的隐性浸润

在解释肺泡结构时，自然融入“表面积与功能”的数学与工程学通用概念；在分析呼吸频率变化时，触及反馈调节这一生命系统核心原理；在模型评价环节，引入建模思想——所有模型都是对原型的简化和近似，都有局限，也有价值。这为中学阶段系统学习科学本质（NOS）埋下伏笔。

（三）情感态度的原理化生成

本课未单独设立“爱护呼吸器官”的说教环节，而是在学生理解了“膈肌需要锻炼才有力”“肺泡薄而脆弱”“粉尘可直接进入最深处”等机理后，让学生自主推导出保护呼吸器官的具