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优秀STEAM案例 | 呼吸运动模型的设计与制作

2022-09-07 15:16

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

本案例以呼吸运动模型设计与制作为例，依据STEM教育的特点，通过设计开发与创新制作呼吸运动模型，探索STEM项目式学习的全过程，对完善学习效果评价、创生STEM项目学习良性环境进行思考。

项目情境

选取社会热点问题“呼吸机的工作原理”作为项目背景，把制作呼吸运动的模型作为STEM教育的产品，期待学生在研发产品的过程中，提升STEM素养，了解科学在社会生活中的重要性。

项目内容设计

教材中“人体与外界气体交换”的重点是呼吸运动的原理。结合新冠疫情，让学生了解呼吸机是通过施加压力，将氧气压入“新冠”患者的肺部，帮助患者完成呼吸，进而通过制作的呼吸运动模型理解人体正常呼吸时，是如何形成高压或低压的肺环境。呼吸运动模型制作项目融合应用了多种学科的知识，特别是工程设计思想和数学思维，力求使学生在模型制作、组装的过程中，了解设计、执行、反思与修正的工程设计程序，锻炼同他人交流与合作的基本技能，感受如何通过不断的尝试、改进更好地达成目标，学会像工程师一样的思考。基于STEM理念，根据教学内容设计呼吸运动模型的相关项目活动。

表1 制作呼吸运动模型项目的活动内容与目标

项目实施操作

项目准备: 创设情境，明确任务

①自主学习

学生观察人体骨骼模型和人体胸腔内器官的模型，了解胸廓的组成，胸廓、胸腔以及与肺的位置关系，建构知识的立体体系。然后，学生以第一人称的形式，用自己的语言准确叙述呼吸运动的过程。

②分析思考

教师出示同一患者吸气完成的瞬间和呼气完成的瞬间的CT 影片。学生测量胸骨与脊柱、两侧肋骨之间的距离变化以及膈顶的位置变化并记录数据，通过分析数据，了解呼吸运动的过程与骨的位置、骨与骨之间的距离变化以及膈肌顶部的上、下变化有关。

③明确目标

准备模型制作的有关材料，确定模型制作的尺寸，绘制模型设计图。然后依据呼吸运动的原理，本着操作方便、演示明了的要求，小组内合作制作呼吸运动的模型。

项目实施: 制作模型，亲历探究

团队建设

4—6 人为一小组，成立模型制作的研发团队。学生沉浸在工程师的角色中，进行模型制作的探讨与研发，撰写本小组模型制作的设计方案，绘制模型制作的图纸(图1、图 2) 。

图1 胸廓模型设计图

图2 胸腔与膈肌位置模型设计图

材料准备

基于模型制作的设计方案以及设计图，分工准备材料。可根据各小组成员及家庭条件进行分工，便于材料的准备。准备材料的过程中遇到的问题及时商讨解决的方案，注重团队的协作意识。

制作模型

①初步制作

小组成员根据绘制的图纸，利用收集到的材料，制作人体的胸廓模型和胸腔与膈肌的位置关系模型。人体胸廓模型是利用两块长度不同的窄木棍(分别代表胸骨和脊柱)、长度不等的12段绝缘电线(代表肋骨) 、尼龙拉线1根按照人体胸廓的基本结构进行制作，制作完成后，修整、保持胸廓的立体结构，通过拉线的拉伸演示呼吸运动过程胸骨、肋骨的位置变化(图3)。

图3 改进前的胸廓模型

胸腔与膈肌模型是由一个大可乐瓶(代表胸腔)、Y型玻璃管(代表气管、支气管)、两个红色小气球(代表肺)、一个大气球(代表膈肌)进行制作。具体先由Y型玻璃管、两个红色小气球依据呼吸系统各组成器官的位置关系完成气管、支气管、肺的组装。然后将大可乐瓶的底部用剪刀剪掉，用橡皮塞将代表呼吸系统器官的模型整合到大可乐瓶中。最后用剪刀剪掉大气球的细颈处并套在剪掉底部的大可乐瓶上，使其形成一个密闭的空间代表胸腔。通过拉伸大气球中央(代表膈肌)观察小气球(代表肺)的扩大和缩小，以此了解膈肌的变化与吸气、呼气的关系(图4) 。

图4 改进前的胸腔与膈肌位置模型

②二次改进

模型初步完成后，为提升模型的可操作性及方便组装，对两个模型分别进行了二次改进。

胸廓模型的改进是: 对模型制作的材料进行了重新选择，由两块长度不同的硬塑料扣板代替了两块窄木板，用细铁丝代替了绝缘电线，这样更容易将两者围成胸廓模型的立体结构，原模型中左右两侧的浮肋也去掉，这样改变后更易与胸腔和膈肌模型完成组装。改进后，模型更轻便、操作也更加简单明了，演示效果更好(图5)。

图5 改进后的胸廓模型

胸腔与膈肌模型的二次改进：主要是用硬壳的广口瓶代替了大可乐瓶，用橡胶手套代替了大气球(学生也推荐专用的橡皮膜)。这样制作更加简单，广口瓶也更容易与胸廓模型组装到一块。橡胶手套套在广口瓶上更紧密，更有利于演示膈肌的收缩和舒张，以此更好的演示肺的变化(图6)。

图6 改进后的胸腔与膈肌位置模型

③模型创新

呼吸运动是一个连续的过程，胸廓和膈肌的位置变化也是同时进行的。为便于模型更好展示呼吸运动的过程，各小组将两个模型整合组装在一起，并创造性地利用滑轮能改变力的方向的原理，用两组滑轮让两个模型演示过程中用力的方向保持一致(电子资源)，这样能更形象、直观的演示呼吸运动的过程，进一步提升学生工程设计的思维能力。

用水胶将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，并保证塑料瓶能在铁丝围成的轮廓中。在铁架台竖杆胸廓模型的上方，架一横杆，固定一滑轮，用尼龙线依次缠绕在相当于肋骨的铁丝上(代表肋间肌)，再绕过上端的滑轮，向下拉伸。然后，用另一根尼龙线把胸腔和膈肌模型上橡皮手套中央拴好，绕过铁架台底板上固定的滑轮，向上再绕过横杆上的滑轮与牵拉胸廓的细绳编织在一起能一块向下拉伸。通过拉伸能同时展示呼吸运动过程中胸廓和膈肌的变化过程。

宣传推广: 分享收获，提升自我

①同场竞技

各小组完成任务后，都要在学校搭建的展示平台上进行展示和介绍。各小组派代表在展示平台上进行汇报，内容包括设计的思路、问题解决的方案、制作的分工、制作过程中遇到的问题、如何寻求帮助、演示的效果等。通过交流，发现自己小组在制作模型过程中的不足，学习其他小组在模型制作过程中解决问题的方法，发现他们的创新点，并进一步思考能否应用到自己制作的模型当中去。

②宣传推广

小组成员充分讨论，为自己的模型设计专属的标识，选择合适的宣传形式，如微视频、PPT、美篇等，同时还要为自己小组的产品推广设计一句广告词，并在班级微信群、QQ 群等推送进行宣传推广。

项目评价: 制定标准，评价产品

师生围绕项目主题共同建立评价标准(表2) 。

表2 呼吸运动模型制作评价量规