本案例以呼吸運動模型設計與制作為例，依據(jù)STEM教育的特點，通過設計開發(fā)與創(chuàng)新制作呼吸運動模型，探索STEM項目式學習的全過程，對完善學習效果評價、創(chuàng)生STEM項目學習良性環(huán)境進行思考。

項目情境選取社會熱點問題“呼吸機的工作原理”作為項目背景，把制作呼吸運動的模型作為STEM教育的產(chǎn)品，期待學生在研發(fā)產(chǎn)品的過程中，提升STEM素養(yǎng)，了解科學在社會生活中的重要性。

項目內容設計教材中“人體與外界氣體交換”的重點是呼吸運動的原理。結合新冠疫情，讓學生了解呼吸機是通過施加壓力，將氧氣壓入“新冠”患者的肺部，幫助患者完成呼吸，進而通過制作的呼吸運動模型理解人體正常呼吸時，是如何形成高壓或低壓的肺環(huán)境。呼吸運動模型制作項目融合應用了多種學科的知識，特別是工程設計思想和數(shù)學思維，力求使學生在模型制作、組裝的過程中，了解設計、執(zhí)行、反思與修正的工程設計程序，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、改進更好地達成目標，學會像工程師一樣的思考?；赟TEM理念，根據(jù)教學內容設計呼吸運動模型的相關項目活動 。

表1 制作呼吸運動模型項目的活動內容與目標

項目實施操作項目準備: 創(chuàng)設情境，明確任務

①自主學習

學生觀察人體骨骼模型和人體胸腔內器官的模型，了解胸廓的組成，胸廓、胸腔以及與肺的位置關系，建構知識的立體體系。然后，學生以第一人稱的形式，用自己的語言準確敘述呼吸運動的過程。

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。學生測量胸骨與脊柱、兩側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)，了解呼吸運動的過程與骨的位置、骨與骨之間的距離變化以及膈肌頂部的上、下變化有關。

③明確目標

準備模型制作的有關材料，確定模型制作的尺寸，繪制模型設計圖。然后依據(jù)呼吸運動的原理，本著操作方便、演示明了的要求，小組內合作制作呼吸運動的模型。

項目實施: 制作模型，親歷探究

團隊建設

4—6 人為一小組，成立模型制作的研發(fā)團隊。學生沉浸在工程師的角色中，進行模型制作的探討與研發(fā)，撰寫本小組模型制作的設計方案，繪制模型制作的圖紙(圖1、圖 2) 。

材料準備

基于模型制作的設計方案以及設計圖，分工準備材料。可根據(jù)各小組成員及家庭條件進行分工，便于材料的準備。準備材料的過程中遇到的問題及時商討解決的方案，注重團隊的協(xié)作意識。

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構進行制作，制作完成后，修整、保持胸廓的立體結構，通過拉線的拉伸演示呼吸運動過程胸骨、肋骨的位置變化(圖3)。

胸腔與膈肌模型是由一個大可樂瓶(代表胸腔)、Y型玻璃管(代表氣管、支氣管)、兩個紅色小氣球(代表肺)、一個大氣球(代表膈肌)進行制作。具體先由Y型玻璃管、兩個紅色小氣球依據(jù)呼吸系統(tǒng)各組成器官的位置關系完成氣管、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頸處并套在剪掉底部的大可樂瓶上，使其形成一個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)的擴大和縮小，以此了解膈肌的變化與吸氣、呼氣的關系(圖4) 。

②二次改進

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

胸廓模型的改進是: 對模型制作的材料進行了重新選擇，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構，原模型中左右兩側的浮肋也去掉，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：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

呼吸運動是一個連續(xù)的過程，胸廓和膈肌的位置變化也是同時進行的。為便于模型更好展示呼吸運動的過程，各小組將兩個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、直觀的演示呼吸運動的過程，進一步提升學生工程設計的思維能力。
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繩編織在一起能一塊向下拉伸。通過拉伸能同時展示呼吸運動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

各小組完成任務后，都要在學校搭建的展示平臺上進行展示和介紹。各小組派代表在展示平臺上進行匯報，內容包括設計的思路、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，學習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，并進一步思考能否應用到自己制作的模型當中去。

②宣傳推廣

小組成員充分討論，為自己的模型設計專屬的標識，選擇合適的宣傳形式，如微視頻、PPT、美篇等，同時還要為自己小組的產(chǎn)品推廣設計一句廣告詞，并在班級微信群、QQ 群等推送進行宣傳推廣。

項目評價: 制定標準，評價產(chǎn)品

師生圍繞項目主題共同建立評價標準 。

對各小組設計制作的呼吸運動模型進行總體評價，讓學生意識到項目設計制作對成品的試用與評價必不可少，鼓勵學生發(fā)現(xiàn)其他小組作品中的閃光點。并努力使學生的項目學習從課內延伸到課外，融合到學生的日常生活中。

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