STEAM理念下模型建模在初中生物教学中的运用

《义务教育生物学课程标准（2022版）》中关于人体血液循环有具体的教学策略建议和学习活动建议，并要求学生可以说明体循环和肺循环的相互联系，本案例进行了内容及资源上的整合，设计并实施了创新实验《探究人体的血液循环》，其中包含两个分组实验“观察猪心脏结构”“组建人体血液循环路径”和一个演示实验“探究血液循环完整过程及物质交换”。
  一、实验器材的选择
  1.模型的构建及演变。项目式学习小组的同学自建简易模型，并客观分析他人模型的优点，确定了模型套盒。充分发挥项目式学习优势，通过头脑风暴，不断发现问题，解决问题，不断去想“我们还能怎能做”，不断尝试，实现了模型迭代升级。
图1 项目式学习初代模型成果
图2 项目式学习二代模型成果
 2.模型的确定与运用。持续制作一整套模型，将血液循环过程通过液体流动、点亮电路、组装等不同形式呈现，不仅形象，而且每个模型都可以服务于实验教学和学生学习过程。
  （1）实验一：分组实验《观察猪心脏结构》，所需器材：猪心脏1个；解剖刀、解剖剪、解剖剪各1；烧杯2个、注射器1个、玻璃棒1支、一次性手套、清水等。
图3 实验一器材
  （2）实验二：分组实验《尝试组建血液循环路径》，所需器材：血液循环模型套盒（内含红色洗耳球2个、蓝色洗耳球2个，硅胶软管，输液管，标签，箭头标识等）
图4 血液循环模型套盒
  （3）实验三：演示实验《探究人体血液循环（体循环、肺循环）过程及气体交换》，所需器材：人体血液循环动态模型、动静脉血转化互动模型各1。
图5 人体血液循环模型（液体流动演示）
图6 人体血液循环模型（双色光路演示）
  二、实验基本原理
  1.分组实验套盒为学生提供血液循环主要部件模型，学生识别、选择，然后组建成模型。
  2.“人体血液循环模型”利用单向阀模拟瓣膜控制血液流动方向，利用红蓝墨水模拟动脉血、静脉血，利用管路的巧妙连接形成视觉上动静脉血转化的效果，利用电源和泵为液体流动提供持续动力，整体呈现血液循环连续、动态的完整过程。
  3.“动静脉血转化互动模型”利用可遥控的变色LED灯带模拟相应血管中不同的血液，学生分析动静脉血转化点亮灯带，保证参与性、互动感，提供试错机会。
  三、实验创新要点
  1.优化步骤：优化教材中“观察心脏的结构”实验步骤指导，按照从外形到结构，从外部到内部，从整体到细节的过程进行观察，增加了注水实验，从而感知瓣膜的作用及血液流动方向。
  2.体验感强：引入分组实验“尝试组建血液循环路径”，学生可利用实验套盒中提供的器材通过连接、组装过程理解心脏四腔的位置关系，四腔与血管的连接关系以及血管之间的连接关系。
  3.模型形象：引入演示实验“探究人体血液循环（体循环、肺循环）过程及气体交换”，利用动态模型中液体的持续流动直观、立体地模拟血液循环路径，利用动静脉血转化互动模型灯带的颜色变化深入分析体循环中动脉血转变为静脉血，肺循环中静脉血转变为动脉血。
  4.融合实验：三个实验是步步推进的，并且有步骤上的融合，比如在实验三观察了血液循环过程，再标注实验二自建模型血液循环方向；分析了气体交换，通过互动模型点亮代表相应血管的正确颜色；最后通过思考问题对重要概念进行整合。
  四、实验操作步骤
  1.实验一：观察猪心脏的结构。一、观察其外形、颜色；二、找到心尖，确定心脏的左右；三、辨别心房、心室；感受它们的位置关系与大小差异；四、观察与心脏四腔相连的血管；五、进行注水实验；观察动脉瓣；初步感知血液在心脏中的流向；六、解剖：剪开心室、心房壁，观察心脏四个腔是否相通，看它们的腔室内部大小及壁厚度的差异，观察心脏壁的肌肉组织，并且能够识别心脏图示中的各结构。
  2.实验二：尝试组建血液循环路径。一、用实验盒中的各模型组装/连接血液循环路径；二、在各部件上贴标签，说明各部分代表的结构；三组间相互指出问题，修正。
  3.实验三：（1）给模型通电，观察整体血液循环；（2）在自建模型中用箭头标出血流方向；（3）分析肺循环和体循环过程中的气体交换。
  五、实验教学过程
  1.五大环节：自主学习、观察实验、模型建模、思维提升、拓展延伸。
  2.具体实施：
  （1）情景导入激发兴趣，触发思考：利用输液贴，创设了输液真实情景，直接击准核心问题：血液运输路径及功能；点燃了学生的探究欲望。
  （2）自主学习任务明了，难易适中：围绕重要概念精心编制预习引导问题，既保证覆盖面，又考虑难度，有易有难。
  （3）实验过程层层推进，环环相扣：实验一是观察猪心脏结构，学生分组按照从整体到部分、从外形到结构对猪心脏进行解剖观察，弄清了心脏四腔位置关系，连通关系及四腔的大小、壁厚度差异，并通过注水实验初步感知了血液流动。实验二是组建血液循环路径，在对心脏四腔位置关系和四腔所连血管有了直观、立体认识的基础上，每组利用这个模型套盒中提供的器材，包括洗耳球代表的心脏腔室、硅胶管代表的血管等合作组建血液循环路径，初步构建血液循环过程，并在展示过程中交流、纠错、完善。
  （4）交流讨论知识融通，思维建模：学生进一步体会血液循环的意义，阐述体循环中的其他物质交换过程，不仅与消化和吸收建立联系，也为人体废物的排出奠定基础，在思维提升环节还融合了深度辨析、传统优秀文化等，充分调动了学生思维，使其碰撞、升华，科学思维能力得以培塑。
  六、实验改进方向
  项目式学习的进一步拓展：加装摄像头模块儿，模型演示与多媒体演示同步，扩大观察角度和视野；加装自制流水灯（跑马灯）作为血液循环方向标识，观察时参照更明显；加装智能语音控制功能；加健康科普功能，模拟探究心肌梗塞；融合模型，减掉不必要的实验步骤。