優(yōu)秀STEAM案例 | 呼吸運(yùn)動(dòng)模型的設(shè)計(jì)與制作

本案例以呼吸運(yùn)動(dòng)模型設(shè)計(jì)與制作為例，依據(jù)STEM教育的特點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)開發(fā)與創(chuàng)新制作呼吸運(yùn)動(dòng)模型，探索STEM項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的全過程，對完善學(xué)習(xí)效果評價(jià)、創(chuàng)生STEM項(xiàng)目學(xué)習(xí)良性環(huán)境進(jìn)行思考。

項(xiàng)目情境選取社會(huì)熱點(diǎn)問題“呼吸機(jī)的工作原理”作為項(xiàng)目背景，把制作呼吸運(yùn)動(dòng)的模型作為STEM教育的產(chǎn)品，期待學(xué)生在研發(fā)產(chǎn)品的過程中，提升STEM素養(yǎng)，了解科學(xué)在社會(huì)生活中的重要性。

項(xiàng)目內(nèi)容設(shè)計(jì)教材中“人體與外界氣體交換”的重點(diǎn)是呼吸運(yùn)動(dòng)的原理。結(jié)合新冠疫情，讓學(xué)生了解呼吸機(jī)是通過施加壓力，將氧氣壓入“新冠”患者的肺部，幫助患者完成呼吸，進(jìn)而通過制作的呼吸運(yùn)動(dòng)模型理解人體正常呼吸時(shí)，是如何形成高壓或低壓的肺環(huán)境。呼吸運(yùn)動(dòng)模型制作項(xiàng)目融合應(yīng)用了多種學(xué)科的知識(shí)，特別是工程設(shè)計(jì)思想和數(shù)學(xué)思維，力求使學(xué)生在模型制作、組裝的過程中，了解設(shè)計(jì)、執(zhí)行、反思與修正的工程設(shè)計(jì)程序，鍛煉同他人交流與合作的基本技能，感受如何通過不斷的嘗試、改進(jìn)更好地達(dá)成目標(biāo)，學(xué)會(huì)像工程師一樣的思考。基于STEM理念，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)呼吸運(yùn)動(dòng)模型的相關(guān)項(xiàng)目活動(dòng) 。

表1 制作呼吸運(yùn)動(dòng)模型項(xiàng)目的活動(dòng)內(nèi)容與目標(biāo)

項(xiàng)目實(shí)施操作項(xiàng)目準(zhǔn)備: 創(chuàng)設(shè)情境，明確任務(wù)

①自主學(xué)習(xí)

學(xué)生觀察人體骨骼模型和人體胸腔內(nèi)器官的模型，了解胸廓的組成，胸廓、胸腔以及與肺的位置關(guān)系，建構(gòu)知識(shí)的立體體系。然后，學(xué)生以第一人稱的形式，用自己的語言準(zhǔn)確敘述呼吸運(yùn)動(dòng)的過程。

②分析思考

教師出示同一患者吸氣完成的瞬間和呼氣完成的瞬間的CT 影片。學(xué)生測量胸骨與脊柱、兩側(cè)肋骨之間的距離變化以及膈頂?shù)奈恢米兓⒂涗洈?shù)據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)，了解呼吸運(yùn)動(dòng)的過程與骨的位置、骨與骨之間的距離變化以及膈肌頂部的上、下變化有關(guān)。

③明確目標(biāo)

準(zhǔn)備模型制作的有關(guān)材料，確定模型制作的尺寸，繪制模型設(shè)計(jì)圖。然后依據(jù)呼吸運(yùn)動(dòng)的原理，本著操作方便、演示明了的要求，小組內(nèi)合作制作呼吸運(yùn)動(dòng)的模型。

項(xiàng)目實(shí)施: 制作模型，親歷探究

團(tuán)隊(duì)建設(shè)

4—6 人為一小組，成立模型制作的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。學(xué)生沉浸在工程師的角色中，進(jìn)行模型制作的探討與研發(fā)，撰寫本小組模型制作的設(shè)計(jì)方案，繪制模型制作的圖紙(圖1、圖 2) 。

材料準(zhǔn)備

基于模型制作的設(shè)計(jì)方案以及設(shè)計(jì)圖，分工準(zhǔn)備材料?？筛鶕?jù)各小組成員及家庭條件進(jìn)行分工，便于材料的準(zhǔn)備。準(zhǔn)備材料的過程中遇到的問題及時(shí)商討解決的方案，注重團(tuán)隊(duì)的協(xié)作意識(shí)。

制作模型

①初步制作

小組成員根據(jù)繪制的圖紙，利用收集到的材料，制作人體的胸廓模型和胸腔與膈肌的位置關(guān)系模型。人體胸廓模型是利用兩塊長度不同的窄木棍(分別代表胸骨和脊柱)、長度不等的12段絕緣電線(代表肋骨) 、尼龍拉線1根按照人體胸廓的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行制作，制作完成后，修整、保持胸廓的立體結(jié)構(gòu)，通過拉線的拉伸演示呼吸運(yùn)動(dòng)過程胸骨、肋骨的位置變化(圖3)。

胸腔與膈肌模型是由一個(gè)大可樂瓶(代表胸腔)、Y型玻璃管(代表氣管、支氣管)、兩個(gè)紅色小氣球(代表肺)、一個(gè)大氣球(代表膈肌)進(jìn)行制作。具體先由Y型玻璃管、兩個(gè)紅色小氣球依據(jù)呼吸系統(tǒng)各組成器官的位置關(guān)系完成氣管、支氣管、肺的組裝。然后將大可樂瓶的底部用剪刀剪掉，用橡皮塞將代表呼吸系統(tǒng)器官的模型整合到大可樂瓶中。最后用剪刀剪掉大氣球的細(xì)頸處并套在剪掉底部的大可樂瓶上，使其形成一個(gè)密閉的空間代表胸腔。通過拉伸大氣球中央(代表膈肌)觀察小氣球(代表肺)的擴(kuò)大和縮小，以此了解膈肌的變化與吸氣、呼氣的關(guān)系(圖4) 。

②二次改進(jìn)

模型初步完成后，為提升模型的可操作性及方便組裝，對兩個(gè)模型分別進(jìn)行了二次改進(jìn)。

胸廓模型的改進(jìn)是: 對模型制作的材料進(jìn)行了重新選擇，由兩塊長度不同的硬塑料扣板代替了兩塊窄木板，用細(xì)鐵絲代替了絕緣電線，這樣更容易將兩者圍成胸廓模型的立體結(jié)構(gòu)，原模型中左右兩側(cè)的浮肋也去掉，這樣改變后更易與胸腔和膈肌模型完成組裝。改進(jìn)后，模型更輕便、操作也更加簡單明了，演示效果更好(圖5)。

胸腔與膈肌模型的二次改進(jìn)：主要是用硬殼的廣口瓶代替了大可樂瓶，用橡膠手套代替了大氣球(學(xué)生也推薦專用的橡皮膜)。這樣制作更加簡單，廣口瓶也更容易與胸廓模型組裝到一塊。橡膠手套套在廣口瓶上更緊密，更有利于演示膈肌的收縮和舒張，以此更好的演示肺的變化(圖6)。

③模型創(chuàng)新

呼吸運(yùn)動(dòng)是一個(gè)連續(xù)的過程，胸廓和膈肌的位置變化也是同時(shí)進(jìn)行的。為便于模型更好展示呼吸運(yùn)動(dòng)的過程，各小組將兩個(gè)模型整合組裝在一起，并創(chuàng)造性地利用滑輪能改變力的方向的原理，用兩組滑輪讓兩個(gè)模型演示過程中用力的方向保持一致(電子資源)，這樣能更形象、直觀的演示呼吸運(yùn)動(dòng)的過程，進(jìn)一步提升學(xué)生工程設(shè)計(jì)的思維能力。
用水膠將制成的胸腔和膈肌模型粘在胸廓模型中代表脊柱的扣板上，并保證塑料瓶能在鐵絲圍成的輪廓中。在鐵架臺(tái)豎桿胸廓模型的上方，架一橫桿，固定一滑輪，用尼龍線依次纏繞在相當(dāng)于肋骨的鐵絲上(代表肋間肌)，再繞過上端的滑輪，向下拉伸。然后，用另一根尼龍線把胸腔和膈肌模型上橡皮手套中央拴好，繞過鐵架臺(tái)底板上固定的滑輪，向上再繞過橫桿上的滑輪與牽拉胸廓的細(xì)繩編織在一起能一塊向下拉伸。通過拉伸能同時(shí)展示呼吸運(yùn)動(dòng)過程中胸廓和膈肌的變化過程。

宣傳推廣: 分享收獲，提升自我

①同場競技

各小組完成任務(wù)后，都要在學(xué)校搭建的展示平臺(tái)上進(jìn)行展示和介紹。各小組派代表在展示平臺(tái)上進(jìn)行匯報(bào)，內(nèi)容包括設(shè)計(jì)的思路、問題解決的方案、制作的分工、制作過程中遇到的問題、如何尋求幫助、演示的效果等。通過交流，發(fā)現(xiàn)自己小組在制作模型過程中的不足，學(xué)習(xí)其他小組在模型制作過程中解決問題的方法，發(fā)現(xiàn)他們的創(chuàng)新點(diǎn)，并進(jìn)一步思考能否應(yīng)用到自己制作的模型當(dāng)中去。

②宣傳推廣

小組成員充分討論，為自己的模型設(shè)計(jì)專屬的標(biāo)識(shí)，選擇合適的宣傳形式，如微視頻、PPT、美篇等，同時(shí)還要為自己小組的產(chǎn)品推廣設(shè)計(jì)一句廣告詞，并在班級微信群、QQ 群等推送進(jìn)行宣傳推廣。

項(xiàng)目評價(jià): 制定標(biāo)準(zhǔn)，評價(jià)產(chǎn)品

師生圍繞項(xiàng)目主題共同建立評價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 。

對各小組設(shè)計(jì)制作的呼吸運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行總體評價(jià)，讓學(xué)生意識(shí)到項(xiàng)目設(shè)計(jì)制作對成品的試用與評價(jià)必不可少，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)現(xiàn)其他小組作品中的閃光點(diǎn)。并努力使學(xué)生的項(xiàng)目學(xué)習(xí)從課內(nèi)延伸到課外，融合到學(xué)生的日常生活中。

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