《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称《新课标》）指出，科学课程要培养学生的核心素养，包括科学观念、科学思维、探究实践和态度责任4个方面，且彼此相互关联
［1］。科学思维能力，主要包括模型建构能力、推理论证能力和创新思维能力。《新课标》要求：学生能基于经验事实抽象概括出理想模型，具备初步的模型理解和模型建构能力；能合理分析与综合判定各种信息、事实和证据，运用证据与推理手段对研究的问题进行描述、解释和预测，具有初步的推理与论证能力；能对不同观点、结论和方案进行质疑、批判、检验和修正，进而提出创造性的见解和方案，具有初步的创新思维能力。
传统生物学概念教学往往以概念讲授为主，学生处于被动接受知识的状态，缺少对生物学概念和规律的论证过程、科学模型的建构过程、创新思维的训练过程，导致学习兴趣不高、知识与生活脱节、思维能力浅层化，不利于学生科学思维的培养和生命观念的形成
［2］。POEC（Predict-Observe-Explain-Construct）是一种以学生为主体，引导学生进行模型建构、科学预测、实验求证、证据推理，从而实现从经验认知到科学概念的转化，是构建知识体系与建构核心概念的重要教学策略之一。笔者以“人体的呼吸”为例，在生物学概念教学中融入POEC教学模式，以期提升学生的模型建构、推理论证、创新思维和探究实践等能力。
1 POEC模式的内涵和教学策略
1.1 POEC模式的内涵
POEC教学策略，是POE（Predict-Observe-Explain）教学策略的进一步发展和完善。POE是基于概念转变理论和建构主义学习理论而提出的一种概念教学策略
［3］，即在教学中展示可能会造成学生认知冲突的事物，使学生不满于自己现有概念，从而将学生迷思概念有效转化为科学概念。在此基础上传统化学教学增加了“Comparison比较”环节，形成了POEC教学模式，倡议学生将所观察现象和之前的预测作比较，强调问题情境与观察现象之间的互动，针对争议处进行再思辨，以达成概念的一致。
1.2 POEC模式融入生物学概念教学的策略
区别于化学学科，生物学实验现象往往周期比较长，部分生物学实验还会对生物体造成危害，且生物体的内部结构往往无法通过肉眼直接观察到，需要建构模型来帮助学生更加直观地认识其内部结构。“模型与建模”作为一种高阶科学思维，是抽象、概括、批判性思维等多种思维方法的综合展现，能够有效帮助学生把握事物的本质规律，促进其对概念的理解。因此，POEC融入生物学概念教学的策略是在原有POE模式上增加“Construct建构模型”，凸显了模型建构在生物学概念形成过程中的作用，其具体教学策略如
图1所示。对于复杂的生物学问题情境，首先在头脑中搜索熟悉的认知模型，并建构模型（Construct），然后借助模型去预测（Predict），将观察到的实验现象（Observe）与预期现象相比较，进行证实或证伪，并依据现象强化或修正模型，最后基于证据进行科学解释（Explain），进而建构出生物学概念。
1.3 设计思路和理念
杜威说：教育不能脱离现实环境，不能孤立抽象地训练学习者的思维力，学生的学习行为应该在真实问题解决中发生。急救问题是生活中复杂真实的情境素材，往往包含多个相互关联的子问题，具有较高的综合性，需要学生深入了解人体的生理结构，建立合理的人体模型，经分析论证才能理解急救原理，这与POEC教学模式中的模型建构（Construct）和科学解释（Explain）高度契合。结合“人体的呼吸”这节课，笔者设计了“情境线—知识线—活动线—思维线”的结构化教案，如
图2所示。以异物卡喉咙的急救场景为媒介，创设真实复杂的任务，激发学生的求知欲和好奇心，并在认识急救原理的过程中掌握生物体的结构和功能，提升推理论证、模型建构能力，进而在急救实践中提升急救技能，形成科学态度和生命观念。
2 POEC融入生物学概念教学的实践
2.1 创设急救情境，引入新课
播放一则新闻视频：一名男子因食物卡喉咙而窒息，路人为其拍背而无效，最终由一位护士使用“海姆立克急救法”成功施救。该案例能让学生直观认识到，有效的急救必须建立在专业的知识基础上。在现实生活中，要想掌握“海姆立克急救法”技能，首先需要了解急救的原理，据此师生一起来学习呼吸系统的结构和功能。
2.2 剖析急救原理，深度建模与论证
（1） 剖析呼吸系统结构，表征模型。
【活动1】观察并阅读课本中的人体呼吸系统结构示意图和呼吸系统模型，说出呼吸系统各结构的名称和对应的功能。思考：①为什么在长跑（特别在冬天）时，教师会提醒我们尽量用鼻子吸气、嘴呼气？②为什么吃饭时，大人告诉我们吞咽时别说话，以免呛到？
【活动2】观察猪肺和气管。活动步骤：①戴好手套，拎起整个猪肺，观察整体结构；②摸一摸气管、肺，即用手触摸各部位的软硬程度和形状特点，寻找结构和功能相适应的证据；③用打气筒给猪肺打气，观察到肺泡壁变大；④解剖猪肺，并用放大镜观察。
【设计意图】通过课本阅读和模型观察，从宏观上认识呼吸系统的结构和功能，帮助学生认识到鼻腔对进入的气体具有湿润、加热以及阻挡细菌等作用，咽是空气和食物的共同通道，而喉只是空气的通道。实验观察猪肺，有利于学生深刻认识猪肺的结构具有表面积大、气管长等特点。实际触摸器官，有利于学生真切体会猪肺表面充满肌肉，具有弹性，且气管中有软骨，起到支撑的作用，另气管内壁有黏液，有利于吸附灰尘和细菌，初步建立结构与功能相适应的观念。利用打气筒给猪肺打气，可以观察到肺叶体积明显膨大。这一现象直观地展示了肺泡壁等肺组织结构具有良好的弹性。同时，可以引导学生思考，正是这种弹性以及肺泡壁极薄的结构特点，共同保证了气体能够高效地进行交换。解剖猪肺，既有利于学生观察到肺部充满了毛细血管，也有利于观察到肺部有大量肺泡，能大大增加表面积，利于气体交换。
（2） 问题驱动，选择模型。
【活动3】①可以用什么物品来模拟肺？②利用打气筒给气球打气，观察气球体积的变化，分析气体进出路径；③利用POEC策略分析——用打气筒和气球模拟人体呼气和吸气是否科学？
【预测】打气时，气体进入（模拟吸气）；抽气时，气体吸出（模拟呼气）。
【现象】打气时，气球变大；抽气时，气球变小。
【解释】打气时，气体进入内部使气压变大，则气球膨胀；抽气时，气体减少使气压减小，则气球收缩。
【证伪】人体的吸气和呼气并未借助外力（类似于打气筒），是自主进行的，因此无法利用打气筒和气球模拟人体呼气和吸气的过程。
【设计意图】在演示给猪肺打气实验时，希望学生充分认识到肺部具有弹性，类比迁移选择气球这一容易发生形变的模型来模拟肺。分析气体进出路径，为后续学生理解呼气和吸气的原理作好铺垫；而借助POEC模型，有利于学生辩证思考呼吸运动的原理，从而证伪模型，并修正模型。
（3） 实验探究，修正模型。
【活动4】播放解剖猪的视频，帮助学生认识到：肺位于胸腔这一密闭的空间中，从而启发学生修正模型，将气球放置于一个密闭的空间中；再让学生根据POEC理论进行现象的预测、实验探究和理论解释，进而论证所建构的模型是否合理。
【预测】挤压瓶子，气体流出（模拟呼气）；松开瓶子，气体进入（模拟吸气）。
【现象】挤压瓶子，气球变小；松开瓶子，气球变大。
【解释】挤压瓶子，瓶内气压增大且大于外界大气压，则气体流出、气球变小；松开瓶子，瓶内气压减小且小于外界大气压，则气体进入、气球变大。
【证实和证伪】证实吸气和呼气的原理是胸腔体积的变化，导致肺外气压变化，进而导致气压差的形成。但是，胸腔体积是如何实现变化的呢？
【活动5】体验呼气和吸气过程，并用皮尺测量吸气和呼气时的胸围。①将皮尺放于两腋下的位置；②测出吸气最末时的胸围读数a=__ cm；③测出呼气最末时的胸围读数b=__ cm；④比较a和b。观看视频，模拟膈肌、肋间肌、肋骨、胸骨等的变化情况，进而让学生认识到：当人体肋间外肌收缩时，则有：肋间内肌舒张→肋骨和胸骨向上、向外抬升→胸腔体积扩大→内压力减小→吸气；当人体肋间外肌舒张时，则肋间内肌收缩→肋骨和胸骨向下、向内压缩→胸腔体积变小→内压力增大→呼气。
【活动6】体验腹式呼吸。①用双臂向前交叉紧抱，保持肋骨不动；②向外鼓出自己的小腹——吸气；③向内收拢自己的小腹——呼气。思考：为什么肋骨不动，也能实现呼气和吸气呢？针对提出的问题，推理并论证出：膈肌的运动改变胸腔的体积，从而引起肺被动地扩大和缩小。
【活动7】组装器材，修正模型。利用气球、矿泉水瓶、Y形支架（带活塞）、剪刀、橡皮膜等器材
［4］实现气体进出气球，并思考：①气球、矿泉水瓶和橡皮膜分别模拟什么结构（
图3）？②利用POEC策略分析建构的模型是否合理（
图4）。
【预测】拉动下方橡皮膜，气体进入（模拟吸气）；松开橡皮膜，气体流出（模拟呼气）。
【现象】拉动下方橡皮膜，气球变大；松开橡皮膜，气球变小。
【解释】用橡皮膜模拟横膈膜，则有：当膈肌收缩时，体积变大，气压减小且小于外界大气压，则气体进入（吸气）；当膈肌舒张时，体积变小，气压增大且大于外界气压，则气体流出（呼气）。
【证实和证伪】橡皮膜的拉动，固然形象地模拟了横膈的变化，但其无法模拟人体肋骨的变化。
【设计意图】用皮尺测量胸围，能直观发现呼气和吸气时胸腔体积的变化；观察膈肌、肋间肌、肋骨、胸骨动态视频，有利于直观发现呼气和吸气时人体内部的变化。腹式呼吸让学生真切地体会到膈肌在呼吸运动中的作用，有助于了解膈肌的结构，完善人体吸气与呼气的过程，从而进一步修正模型。实验探究和模型组装，可以让学生深刻认识到模型与呼吸系统之间的关系。
（4） 推理论证，完善模型。
【活动8】评价模型，分析模拟实验的利与弊。虽然制作的模型可直观反映气体进出的过程，但不能模拟肋骨的运动和肋间肌的收缩与舒张过程。因此，学生尝试将瓶子上方的塑料改成橡皮膜，进而模拟肋骨的抬升和下移过程；然后，利用POEC策略分析模型是否合理。
【预测】向外拉动上方橡皮膜，再向下拉动下方橡皮膜，气体进入（模拟吸气）；松开橡皮膜，气体流出（模拟呼气）。
【现象】向外拉动上方橡皮膜，再向下拉动下方橡皮膜，气球变大；松开橡皮膜，气球变小。
【解释】下方橡皮膜模拟横膈膜，上方橡皮膜模拟肋骨。当向上、向外拉动橡皮膜时，瓶子体积增大，气压减小且小于外界大气压，则气体进入（吸气）；当利用松开的过程模拟肋间肌和膈肌舒张时，瓶子体积变小，气压增大且大于外界气压，则气体流出（呼气）。
【证实】此模型能较好地模拟人体在吸气和呼气时肋骨和横膈变化带来的胸腔体积变化，直观演示了吸气和呼气的过程。
【总结归纳】在肋间肌和膈肌共同作用下，人体实现了胸腔体积的变化，进而实现呼气和吸气，最终完成了人体吸气与呼气的整体过程（表１）；引导学生认识到，人体的呼气与吸气除了呼吸系统参与外，运动系统也协同完成，进而总结并得出人体是一个有机的整体。
【设计意图】模型的完善过程也是科学观念的建构过程，则基于POEC模式能激发不同观点的碰撞，有利于学生创新思维的提升；学生从呼吸系统与其他系统的关联中感知人体是一个统一的整体，且人体各个系统之间相互关联、相互协调，共同完成生命活动。
（5） 数据分析与建构认知模型，理解气体交换原理。
【活动9】分析
表2中数据，思考为什么会有这样的差别？哪些结构有利于气体交换？以流程图形式描述：氧气由外界空气进入人体组织细胞的具体路径和二氧化碳排出体外的途径。
【设计意图】提取和分析数据后发现，氧气浓度大大降低，但二氧化碳浓度明显增加，从而得出人体需要不断地与外界进行气体交换，获得氧气，并将产生的二氧化碳气体排出；绘制氧气和二氧化碳进出组织细胞流程图（
图5），有利于学生从整体上建构气体交换的路径，从而为后续模型建构作好知识铺垫。
【活动10】建构肺泡与血液气体交换的认知模型。发给学生不同颜色的小纸片、A4白纸、记号笔等器材，要求其在初步理解气体交换过程的基础上，以创意建模形式直观呈现气体交换的动态过程，并向全班学生进行展示（
图6）。
【设计意图】模型建构过程属于模型认知的第二个基本层次：建构认知模型。在认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系的基础上建构认知模型，从而为复杂问题的解决提供思考框架，形成解决问题的思路。同时，模型建构过程也是生物学概念形成的过程，有利于学生形成结构与功能观这一生物学观念
［5］。
（6） 应用模型，解决问题。
【活动11】分析“海姆立克急救法”示意图（
图7），并利用所建构的模型解释急救原理。在此基础上，引导学生将急救操作要求与科学原理相结合，学生从中认识到：之所以要向上挤压腹腔，是为了迫使上腹部下陷，造成膈肌突然上升，使胸腔压力骤然增加，肺部变小，肺内气压增大，从而使异物排出体外。
【设计意图】结合示意图进行解释，既有利于培养学生基于证据进行科学解释的推理论证能力，也有利于深化对人体结构和呼吸运动原理的理解。
2.3 进行急救实践，提升急救技能与态度责任
【活动12】以2名学生为1组，互相实施“海姆立克急救法”，急救者重点提升急救技能，被急救者主要感受自身膈肌、胸腔体积变化以及被迫呼气的过程；然后，迁移拓展：“海姆立克急救法”不仅可以救他人，也可以实现自救；学生演示“海姆立克自救法”：一手握拳，轻放在自己的肚脐上，另一手握拳并俯身压在坚硬的物体上（椅子或工作台），用拳头快速由内向外挤压。
【总结提升】当采取急救措施时，不仅需要有救人的意愿，更需要具备专业知识；学好科学知识，不但能提升急救技能，将来更可以帮助有需要的人，从而提升科学态度、健康意识与社会责任。
【设计意图】课堂进行急救培养，不仅有利于学生真正掌握急救技能，更能真切体会到急救过程中生理结构的变化，强化对急救原理和科学知识的理解，提升对生命观念的认知。
3 教学反思
3.1 基于“事实—单元—学科”建构学科核心概念，形成知识结构
核心概念不是知识点的简单叠加，而是在连续的整体中去架构知识，让学生联结概念与概念之间的结构，进而形成能够迁移应用、支撑学生终身发展的学科基本观念，落实学科核心素养，实现学科育人的基本单元。该节课以理解急救原理为核心任务，串联了认识呼吸系统结构、理解呼吸运动和气体交换原理这些核心知识点，并从呼吸系统与其他系统的关联中感知人体是一个统一的整体，有利于生物学中结构与功能观的建立，并在“海姆立克急救法”学习中初步建构珍爱生命的责任感。
3.2 围绕“模型—预测—观察—解释”展开推理论证，提升科学思维能力
科学思维是建立科学观念的重要途径，借助POEC教学模式，可引导学生经历问题驱动选择模型、实验探究修正模型、系统分析完善模型、问题解决应用模型的完整学习过程，此法能帮助学生深刻理解人体呼吸运动原理，并有效提升其模型建构与推理论证等高阶思维能力，实现从知识理解到素养发展的跃升。
3.3 依托“情境—问题—活动”活化核心概念，发展核心素养
素养是在不同情境中创造性地解决问题的能力
［6］。前述教学设计依托“异物卡喉窒息”这一真实情境，通过设置有逻辑、有层次的关键问题和连续、进阶的学习活动，引导学生亲身经历模型建构、探究实践与推理论证等科学过程，旨在促使学生主动运用已有知识和实验证据，创造性地解决现实问题，从而发展其深度学习的能力和核心素养。
2022年浙江省教研课题“初中生科学实验与探究表现性评价的研究与区域实践”(G2022024)
2024年浙江省教研课题“初中学生科学探究能力和实验技能融合测评的区域实践研究”(01360)
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