基于“結(jié)構(gòu)與功能”的小學科學教學

科學課程標準從科學觀念、科學思維、探究實踐和態(tài)度責任四個方面提出了科學課程核心素養(yǎng)，并設置了13個學科核心概念和4個跨學科概念?？鐚W科概念“結(jié)構(gòu)與功能”作為科學課程的發(fā)展性目標，橫跨了物質(zhì)科學領域、生命科學領域、地球與宇宙科學領域、技術與工程領域。我們只有厘清教材中所包含的跨學科概念，才能將其落實在教學中。《身體的運動》一課的內(nèi)容屬于核心概念“生命系統(tǒng)的構(gòu)成層次”，又涉及“系統(tǒng)與模型”“結(jié)構(gòu)與功能”兩個跨學科概念，本文主要聚焦“結(jié)構(gòu)與功能”。

一、教學分析

結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一，結(jié)構(gòu)決定功能，功能反映結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。如果人體某個部位的功能減弱了，就說明該部位可能出現(xiàn)了問題，反之亦然。學生形成跨學科概念“結(jié)構(gòu)與功能”后，就可以用科學的眼光看問題，從結(jié)構(gòu)和特征分析、猜測系統(tǒng)的功能，也可以從物質(zhì)功能分析、推測可能的結(jié)構(gòu)和特征。這種科學思維方式有利于學生高階思維的發(fā)展，并在之后的工程設計課程中得到遷移及應用。

《身體的運動》是五年級“我們的身體”單元的第二課，該單元包括《身體的運動》《心臟和血液》《身體的“總指揮”》《身體的“聯(lián)絡員”》四課。繼四年級“呼吸與消化”單元之后，本課又一次站在人體器官、系統(tǒng)的角度認識人體，帶領學生深入了解人體的工作機制，從而更好地維護身心健康。本課重在培養(yǎng)學生用系統(tǒng)的、聯(lián)系的思維方式認識人體運動系統(tǒng)，為學生逐步建構(gòu)“人體由多個系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)分工配合，共同維持生命活動”的概念搭建階梯。教學中，教師讓學生以看、摸、捏等方式重新認識身體的外部形態(tài)，在建模中經(jīng)歷“猜測—推理—驗證”過程，充分感知骨、關節(jié)、肌肉等結(jié)構(gòu)的特征，從而能分析其對應的功能；在“比較—分析—歸納”的析模過程中認識到人體的運動是骨、關節(jié)和肌肉三者協(xié)同完成的，提升學生對人體運動系統(tǒng)的認識，感嘆人體的奇妙之處；類比自然界的物體，讓學生體會科學與生活的密切聯(lián)系。至于骨、關節(jié)、肌肉的具體名稱及概念，則無須讓學生記憶。

基于課程標準的要求和教材分析，本課從“外部形態(tài)—內(nèi)部結(jié)構(gòu)—結(jié)構(gòu)與功能”三個角度進行遞進式教學，以“問題串”的形式幫助學生認識人體運動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能（如圖1），讓學生從科學的視角看自然界中運動的結(jié)構(gòu)與功能，意識到知識間存在關聯(lián)，促進知識的整合與結(jié)構(gòu)化。教學中，教師通過猜測、分析、驗證、歸納、演繹等思維活動，提升學生的科學核心素養(yǎng)。

二、教學過程

1.聚焦問題

一個能調(diào)起學生學習興趣的情境，不僅要以學生為學習主體，也要能將他們的注意力聚焦到待研究的問題上。在《身體的運動》課前活動中，教師播放“幸福拍手歌”，讓學生跟著音樂動動手腳，迅速將注意力聚焦到本節(jié)課的核心問題上：身體的哪些部位參與了運動？它們是如何完成這一系列運動的？

2.建模：形態(tài)與結(jié)構(gòu)

（1）觀察感受——重識外部形態(tài)

小學生的認知順序基本是先直接感知表象，再形成科學概念。在反復舉啞鈴的動作中，教師引導學生關注右上臂的屈伸運動，他們通過看、摸、捏等觀察方法充分體驗并收集相關信息。以此為基準，學生的關注點從外部形態(tài)運動轉(zhuǎn)移到右上臂內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并對此做出有依據(jù)的猜測。

（2）概念修正——組建內(nèi)部結(jié)構(gòu)

身體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是學生的認知盲點。如果學生說手臂里面的相關結(jié)構(gòu)，教師應及時介紹科學專用的名詞，描述它們的具體位置，并解釋其功能。課堂不僅需要提取本課內(nèi)容的知識，還要點明其他碎片化知識，讓學生找到相關聯(lián)之處，為人體各系統(tǒng)之間的聯(lián)系搭建橋梁。

活動：感受屈肘運動

體驗。學生代表演示舉啞鈴動作，全班學生一起進行兩次肘關節(jié)運動（1次屈臂，1次伸臂）。

觀察。通過摸一摸、捏一捏、動一動等觀察方法感受骨、關節(jié)、肌肉的部分特征。

問題。在舉啞鈴的過程中，身體的哪個部位參與了運動？右上臂內(nèi)部哪些主要的部位幫助它運動？（反復演示動作，引導學生關注屈臂、伸臂動作）

猜測。血液、神經(jīng)、骨、關節(jié)、肌肉、筋等。

分析。血液（一直不停地在流動，為運動提供營養(yǎng)和氧氣）、青筋（血液的流通管道）、神經(jīng)（身體的聯(lián)絡員，為大腦傳遞信號）、肌腱（肌肉的組成部分附在骨上）、手臂內(nèi)的骨（前臂和上臂都是硬硬的）、關節(jié)（骨與骨連接的部位）、肌肉（摸起來有彈性）。

3.析模：結(jié)構(gòu)與功能

（1）演示模型——結(jié)構(gòu)決定功能

人體的器官都是由結(jié)構(gòu)決定功能：骨骼的組織非常堅硬，可以支撐人體的運動；關節(jié)把相鄰的兩塊骨連接起來，且軟骨表面光滑，讓轉(zhuǎn)動更加自如；肌肉柔韌且有彈性并黏附在骨骼上，提供動力的同時帶動骨轉(zhuǎn)動。五年級學生的認知方式已從具體形象過渡到抽象概括，他們通過摸一摸、捏一捏、動一動等觀察活動充分感受后，不難分析出骨、關節(jié)、肌肉的部分特征，猜測它們在屈、伸運動中相應的功能。同時，教師可以利用演示模型（如圖2）來創(chuàng)設不同情境，如骨的材料選擇繩子會怎么樣？像什么動物（章魚，無脊椎動物，身體軟趴趴的）？沒有關節(jié)又會怎么樣？……學生在分析和對比不同材料的過程中，感知物體的結(jié)構(gòu)決定了其功能。

活動：分析演示模型

呈現(xiàn)。出示松垮垮的電線和圓規(guī)的木桿，供學生選擇；圓規(guī)交接處不擰和擰上螺絲的對比；圓規(guī)依次綁上2個氣球（先肱二頭肌，后肱三頭?。惺軆蓧K肌肉的不同效果。

追問。依次組裝模型（骨—關節(jié)—肌肉），木桿相當于什么？為什么要選擇硬的木桿，選擇繩子會怎么樣？螺絲、螺母相當于什么？有了它們會怎么樣？氣球相當于什么？如何讓它動起來？為什么這個模型只能做屈臂運動，不能做伸臂運動（綁肱二頭肌時）？現(xiàn)在呢（綁肱三頭肌時）？

分析。圓規(guī)的木桿是堅硬的，更適合起到支撐的作用。擰上螺絲，讓轉(zhuǎn)動更加自如。只有安裝內(nèi)側(cè)和外側(cè)兩個氣球后才能實現(xiàn)手臂的屈伸運動，肌肉的收縮和舒張為手臂的運動提供動力。

小結(jié)。原來，我們手臂的運動是骨、關節(jié)、肌肉三者協(xié)同完成的，其中，肌肉附在骨上，為骨的運動提供了動力，從而將負重的前臂抬起。

（2）自制模型——功能反映結(jié)構(gòu)

教師出示自制肘關節(jié)運動模型的材料，學生通過觀察并分析材料的作用特征，指出材料所對應的肘關節(jié)運動模型中的部分。在匯報環(huán)節(jié)，學生要類比不同小組的自制運動模型（如圖3），分析其中的差異。例如，3個模型都可以做屈臂運動，不同的地方是外側(cè)皮筋的綁法，3-a拉動外側(cè)皮筋無法做伸臂運動，3-b外側(cè)皮筋可以做伸臂運動，但相對于3-c比較費力，并且肌肉太松垮，在形態(tài)上與我們的手臂模型不相符。模型對應的功能減弱了，這側(cè)面地反映對應的結(jié)構(gòu)上出了問題?？茖W理論并非一成不變，而是不斷演變的，理論修改是科學理論演變的一種方式。學生對科學概念的認識也需要一個逐步漸進的過程，需要在探究過程中不斷完善對科學概念的認識和理解。

活動：制作運動模型

實驗材料。2根打上工字釘?shù)目曜印?節(jié)吸管（伸縮轉(zhuǎn)折點）、2組皮筋、膠帶和剪刀（備注輔助材料）、操作說明書、記錄單等。

問題?？曜?、吸管、皮筋分別有什么特征？起到了什么作用？又相當于什么？

分析?？曜颖容^堅硬，可以支撐身體的運動，相當于骨；吸管兩邊的洞口可以連接物體，還可以通過彎曲讓轉(zhuǎn)動更加靈活，相當于關節(jié)；皮筋有彈性，通過拉伸提供動力，相當于肌肉。

對比。三個小組的模型有什么差異？嘗試拉動皮筋測試模型，出現(xiàn)了什么問題？如何調(diào)整？

診斷。3-a實現(xiàn)不了伸臂運動，3-b模型在結(jié)構(gòu)上（肱三頭?。┏霈F(xiàn)了問題，應該把皮筋附在兩根筷子上。

小結(jié)。手臂的運動是骨、關節(jié)、肌肉三者協(xié)同完成的，其中，肌肉附在兩節(jié)骨上，為骨的運動提供了動力，從而將負重的前臂抬起。

4.拓展應用

（1）歸納概括——從肘關節(jié)運動回歸身體運動

從局部到整體不是一個單向的過程，而是一個反復的過程。從肘關節(jié)運動的特征出發(fā)，尋找身體其他部位運動的共性，通過檢驗不難發(fā)現(xiàn)，只要找準關節(jié)這個支點，就能找到連接關節(jié)的兩節(jié)骨和附在骨上面的肌肉。再從個別到一般，歸納概括身體所有的肢體運動都由三者協(xié)同完成，讓學生不由感嘆身體的奇妙之處，從而意識到要更好地保護身體。經(jīng)歷科學概念的發(fā)現(xiàn)、遷移、檢驗、歸納等過程，學生更好地發(fā)展了科學思維。

活動：歸納身體運動

問題。身體的其他部位運動是否和肘關節(jié)運動一樣呢？看一看、動一動、摸一摸，找出其中骨、關節(jié)、肌肉的位置。（肩關節(jié)運動、下頜關節(jié)運動、課前幸福拍手歌等。）

分析。關鍵是先找關節(jié)這個支點，這樣順勢就能找到連接關節(jié)的兩節(jié)骨并摸到附在骨上面的肌肉。

閱讀。通過課本中的資料了解更多的知識。

學生小結(jié)。我們的身體居然有200多塊骨頭和600多塊肌肉，人體真的好奇妙！所有的肢體動作都是骨、關節(jié)、肌肉協(xié)同完成的，它們共同組成了人體的運動系統(tǒng)。

引導。它們?nèi)绱似婷?，我們更應該好好地保護它們。為了促進骨骼和肌肉的良好發(fā)育，我們應該做什么？

教師小結(jié)。正確的坐姿、經(jīng)常參加運動等，這些能讓我們的身體變得更加強壯，柔韌性也會更好，還能增強免疫力。

（2）演繹推理——從全身運動回歸自然界運動

科學源于生活，生活蘊含科學，想要學好科學，就要有一雙善于觀察的眼睛。每個學生都具有強烈的好奇心和探究欲，教師要善于引導他們挖掘生活中的科學元素，并利用所學的科學知識，分析生活中類似身體運動結(jié)構(gòu)的物體或現(xiàn)象?？此坪唵纬Ｒ姷氖虑?，其實暗藏著科學奧秘。如教室里最常見的開關門動作，人就是提供動力的肌肉，合頁就是轉(zhuǎn)動靈活的關節(jié)，門就是支撐運動的骨。從一般到個別，科學需要回歸現(xiàn)實生活，這不僅提高學生應用科學知識的能力，更有利于他們建構(gòu)跨學科概念。

三、教學反思

教育心理學家布魯納認為，教學應該授予學生對學科基本知識結(jié)構(gòu)的一般理解，僅教導某些具體知識與技能是低效的。結(jié)合跨學科概念的教學，不僅讓課堂的學習有了深度，也讓板書的呈現(xiàn)有了靈魂，還讓學生能夠理性看待自然界事物。

1.有效的階梯式學習

學習的實質(zhì)是人把同類事物串聯(lián)起來，并把它們組織成有意義的結(jié)構(gòu)，讓知識在頭腦中形成系統(tǒng)化結(jié)構(gòu)，從而掌握學科基本結(jié)構(gòu)的重組途徑。在《身體的運動》這節(jié)課中，學生通過“外部形態(tài)—內(nèi)部結(jié)構(gòu)—結(jié)構(gòu)與功能”三個層次遞進地學習，從外部形態(tài)觀察到內(nèi)部結(jié)構(gòu)猜測，接著在活動中不斷檢驗自己的所思所想，了解人體運動系統(tǒng)是三者協(xié)同工作的事實性知識，然后歸納概括，從個別到一般，形成了概念性知識和方法性知識。以科學概念的層級結(jié)構(gòu)為基礎（如圖4），課中不斷地滲透人體運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的相互聯(lián)系，最后引導學生關注自然界的運動，演繹推理，從一般到個別，建構(gòu)學科本質(zhì)性知識。

2.別樣的結(jié)構(gòu)化板書

有效的結(jié)構(gòu)化板書能條理清晰地反映教學核心內(nèi)容和知識脈絡體系，能幫助學生從整體上明晰核心要點，厘清學習思路，構(gòu)建系統(tǒng)化的認知體系（如圖5）。從對比圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，左圖的板書分3塊內(nèi)容“模型—名稱—作用”，右圖的板書也分3塊內(nèi)容“形態(tài)—結(jié)構(gòu)—功能”，但更有靈性。有時小小的符號可以起到畫龍點睛的作用，虛線框住的不是事實性知識，而是把科學關鍵性的知識進行串聯(lián)與整合。這樣的板書設計符合本課的教學思路，呈現(xiàn)出融入跨學科概念的優(yōu)勢。

3.長久的發(fā)展性價值

一節(jié)課的學習目標到底是什么？一節(jié)課的教育價值在哪里？我們希望學生學習完一節(jié)課的內(nèi)容后，長久不忘記的東西又是什么？從學科本質(zhì)的角度來看，跨學科概念是經(jīng)得起學生持續(xù)利用和發(fā)展的內(nèi)容，能幫助他們應對學習與生活中遇到復雜的問題。本課教學根據(jù)學生認知發(fā)展規(guī)律，從三個方面對教材進行重新建構(gòu)，通過恰當?shù)慕虒W策略，提高學生對學科基本知識的理解，促進他們學習正確的科學思維方式，留給他們具有持久價值的跨學科概念。學生一旦掌握這種概念，就能容納諸多與該學科相關的內(nèi)容，在實際生活中自主獲取更多知識，提高遷移思維和綜合思維能力。

小結(jié)

跨學科概念“結(jié)構(gòu)與功能”的建構(gòu)是循序漸進的過程，不可能通過一節(jié)課的學習達成。在同系列的課程中不斷融入跨學科概念教學，持續(xù)不斷地滲透才能推動學生“結(jié)構(gòu)與功能”跨學科概念的建構(gòu)，最終應用于生活，讓他們可以分析和解決實際的現(xiàn)象與問題。

科學教師實施基于跨學科概念的教學，需要認識跨學科概念的教學價值，關注其在不同課型中的表達方式，設計相應的教學思路，將其與學科內(nèi)容、課堂教學建立聯(lián)系。

參考文獻

[1]阮慶元.小學科學教學中的建模與析?！浴吧眢w的結(jié)構(gòu)”內(nèi)容為例[J].湖北教育（科學課）， 2023（04）.

[2]張會.生命科學領域“結(jié)構(gòu)與功能”觀念的培養(yǎng)——以《食物的消化》一課為例[J].科教導刊，2021（18）.

[3]高云峰.科學教育中的跨學科概念：結(jié)構(gòu)與功能[J].湖北教育（科學課），2022（09）.

[4]張璐，黃紫洋.落實跨學科概念“結(jié)構(gòu)與功能”的教學設計[J].中學課程資源，2022（03）.

[5]王晨光.新課標下小學科學課程的概念建構(gòu)及其教學價值[J].教育與教學研究，2019（01）.