研制膝跳反射模型 實現思維可視化

孫璟晗

摘 ?要 將抽象的機制形象化、將內隱的思維可視化是培養學生科學思維的重要方法。以此為出發點，選擇初中生物中抽象性較強的膝跳反射神經機制作為切入點，成功研發膝跳反射興奮傳導模型，實現思維過程的可視化。對該模型的研發、制作、使用等方面進行介紹和歸納，以期利用該模型提升學生的理性思維。

關鍵詞 膝跳反射;教具;初中生物學;理性思維;核心素養;思維可視化;模型

中圖分類號：G633.91 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）21-0044-03

1 前言及背景

隨著教育改革的推進，生物學科越來越重視學生的思維提升，理性思維也成為核心素養的重要組成部分。生物學是建立在大量實證的基礎上，運用歸納概括、演繹推理、比較分類等理性思維方式進行機制發掘的基礎理論學科。初中生的抽象思維能力還沒有全面建立，極大地限制了他們對于生物學機制的深入理解和活學活用。因此，生物教師非常有必要引導學生通過模型制備等活動，將抽象的機制形象化、將內隱的思維可視化。

要想實現思維的可視化，筆者認為有兩點關鍵因素：

1）將復雜機制抽絲剝繭，形象性地加以展示;

2）這種形象化的展示必須具有延展性，能夠引導學生對機制進行更深入挖掘，進而解決一系列的科學問題。

膝跳反射是初中生物學“生命活動的調節”中的核心內容之一，該內容完整地展示了人體最基本的反射方式，并以此為基礎，引導學生深入理解反射弧這一重要科學概念[1]。學生就膝跳反射神經傳導機制進行深入剖析，是從神經系統結構學習轉入生理功能理解過程中的重要一環。

但是，筆者發現，學生在理解膝跳反射神經傳導機制方面普遍存在不同程度的困難。首先，初中生對興奮以電信號形式進行傳導缺乏認知;其次，神經傳導的機制對于初中生來說非常抽象;最后，學生對興奮傳導過程中涉及的一些問題（如先膝跳還是先感覺到韌帶被叩擊，阻斷反射弧某個特定組分導致的現象等）感到無從下手[2-3]。這三方面因素嚴重制約了學生對神經傳導機制的正確理解。因此，研制膝跳反射模型，攻克教學中的重難點，就顯得尤為迫切。

基于以上原因，筆者以膝跳反射內容為切入點，引導學生成功構建實現思維可視化的模型。

2 從學生實際出發，實現模型的可操作性

之前見到的一些膝跳反射模型過于復雜，如以電力驅動、用燈帶等模擬神經纖維[4-6]。當然，這樣的模型的優點在于形象展示了興奮以電信號的形式進行傳導。但是，燈帶同時點亮不能模擬神經信號傳遞的連續性，更為重要的是，初一的學生還沒有學過物理，更沒有學習過電路方面的操作技能，很難要求每個學生都能設計并掌握電路連接并確保安全操作，因此只能用于演示，學生無法制備，推廣性較差。

基于上述考慮，本膝跳反射模型的制備必須具有更好的可操作性，其材料工具（如硬紙板、塑料三通閥、橡膠管、礦泉水瓶、透明膠等）收集方便、價格低廉;制備手法和操作技能簡便易行，符合初一年級學生的認知水平和操作能力。模型成品如圖1A所示，模型詳細制備過程見附件。正因為如此，每一個學生都具有制備該模型的物質條件、知識儲備和操作基礎。

3 從興奮傳導出發，實現機理解析的可視化

學生普遍對興奮以電信號形式進行傳導缺乏認知，而這正是制約他們對神經傳導方式正確理解的關鍵因素。要突破這一難點，就要求模型一方面能形象模擬電信號的傳導，另一方面要能體現出傳導的連貫和快速。本模型以橡膠管模擬神經纖維，以紅墨水模擬電信號，紅墨水在橡膠管內的流動模擬了電信號在神經纖維上的傳導，將電信號傳導的連貫和快速體現得淋漓盡致，如圖1B所示。

神經信號的傳導是一個動態的過程，如果僅僅是以靜態的圖片拼湊成反射弧模型，將大大削弱興奮傳遞的動態模擬，同時大大降低模型給學生帶來的視覺沖擊。因此，本模型用液體顏色的變化生動模擬感受器產生的動作電位（紅色）、肌肉細胞產生的動作電位（橘黃色）和大腦皮層對膝蓋韌帶叩擊的觸覺感受（紫色），如圖1B所示。

由漏斗處注入紅墨水模擬膝蓋下方韌帶被叩擊;紅墨水模擬神經信號;橡膠管模擬神經纖維;塑料三通閥起到樞紐作用，位于“脊髓”區域;三通閥聯結的一條橡膠管末端開口于“股四頭肌”處，此處放置一盛有黃色顏料的透明容器，當紅墨水流到此處時，染料變成橘黃色，形象模擬了在運動神經元中引發動作電位，引發膝跳反射;三通閥聯結的另一條橡膠管末端開口于“大腦皮層”處，此處放置一盛有藍色顏料的透明容器，當紅墨水流到此處時，染料變成紫色，生動模擬了脊髓中有通向大腦的神經元會將這一神經沖動傳向大腦，人感覺到膝蓋被叩擊。

這一連串的液體流動，將興奮傳導的快速和連貫體現得淋漓盡致。更關鍵的是，伴隨著這些動態變化，抽象的機制被層層剖析并形象化展示，學生得以更具象地理解復雜的神經生物學機理。

4 從問題解決出發，實現演繹推理的可視化

膝跳反射的興奮傳導過程經常涉及一些需要深入思考的關鍵問題[1-2，7]，對這些抽象而復雜的問題，學生往往一時不知從何入手。本模型創造性地從問題解決出發，具有引導學生對機制進行更深入挖掘的前瞻性。

問題1：先膝跳還是先感覺到韌帶被叩擊？

由于“大腦皮層”在硬紙板上的位置高于“大腿肌肉”所在位置，當模擬神經興奮的紅墨水被注入后，學生可以形象地觀察到紅墨水會稍快地先到達“大腿肌肉”，由此可知，先膝跳后感覺到韌帶被叩擊。

問題2：阻斷反射弧某個特定組分（如阻斷傳出神經功能）會導致哪些現象？

反射弧由五部分組成：感受器、傳入神經纖維、神經中樞、傳出神經纖維、效應器。學生能夠理解將其中任意組分阻斷后，反射均不能完成，但是阻斷其中任一成分，被叩擊的感覺還會被體會到嗎？尤其是阻斷傳出神經纖維后，還能否感受到膝蓋被叩擊？這一問題的解答對學生來說是一個難點。在本模型中，學生只需要用一個燕尾夾夾住模擬傳出神經纖維的橡膠管，就可以模擬該阻斷過程的發生。學生可以清楚地看到紅墨水無法再在“傳出神經”中流淌，進而無法到達效應器，引起膝跳動作的產生;但是紅墨水仍然可以通過“上行神經”到達“大腦皮層”，所以人們依然會感受到膝蓋下方韌帶被叩擊。

這種直觀形象的操作，水到渠成地完成了類似的機制闡述，使原本抽象的演繹推理過程得以形象化展示，學生輕松掌握相關知識。

5 總結及展望

理性思維是一個人面對紛繁復雜的世界作出正確判斷的思維基礎，而思維的培養不是一蹴而就的，是靠在長期的教學點滴中有意識地引導培養起來。作為教師，不僅要關注學生知識的獲得，更重要的是關注學生思維能力的提升，這才是“授之以漁”。思維可視化的展示不僅是攻克教學重難點的重要途徑，更是提升學生思維能力的重要手段。通過摸索，筆者成功研制了創新型膝跳反射模型，不僅實現將復雜機制抽絲剝繭，形象性地加以展示，而且這種展示具有延展性，能夠引導學生對機制進行深入挖掘，真正實現思維的可視化。

本模型的研制原則還可以推而廣之到更多教具、學具的制備。有些教師在研制學具、教具時，過分強調高新技術的使用，或過分注重模型的外觀美觀。誠然，高新技術可以開闊學生的眼界，外形的美觀也能夠反映生物體的美感，但教學模型研制的根本出發點更應該是科學實用，能用來攻克教學重難點，能盡可能地讓所有學生都有能力和條件參與制作過程。只有這樣，研制過程才能面向每一個學生，使每個學生都受益。

學生是教學的主體。在研制該膝跳反射模型過程中，筆者有如下幾點體會：

1）要充分激發學生的求知欲和發散思維;

2）要充分肯定每個學生的奇思妙想;

3）要充分給予每個學生驗證假設、實踐操作的機會。

教師在引導學生完成類似模型制備的創新活動時，要盡可能落實以上三點，對學生充分鼓勵、肯定、放手。這樣一來，研制活動不僅完成了一個教具、學具的制備，更重要的是激發了學生的創造力、想象力，提升了學生的理性思維。

參考文獻

[1]楊守菊，張杰芳.在主動探究中構建生物學概念：以“神經調節的基本方式”一節為例[J].生物學通報，2015（2）：38-41.

[2]步全紅，謝念東.關于“神經調節的基本方式”教學的幾點建議[J].生物學教學，2015（4）：67-68.

[3]王慧.第三節神經調節的基本方式[J].中學課程輔導：教學研究，2017（11）：182.

[4]楊善祿，張文霞，趙枚.膝跳反射電動教具的研制[J].北京師范學院學報，1990（4）：90-93.

[5]李金芮.膝跳反射演示器[P].中國：CN201220522812.9，2012-10-13.

[6]侯建平，雙靈仙.人體膝跳反射演示器[J].實驗教學與儀器，2002（3）：22.

[7]張銘.有關膝跳反射的幾個問題[J].生物學教學，2016（10）：60-61.

附件：模型制備步驟簡介

1）在硬紙板的適當位置粘貼畫好的或打印好的“膝蓋下方韌帶”“股四頭肌”“脊髓”和“大腦皮層”等標簽和圖片。

2）將塑料三通閥與橡膠管聯通，并在接口處涂502膠以密封，如圖2A所示。

3）將塑料三通閥固定在“脊髓”處，三根橡膠管的末端分別固定在“膝蓋下方韌帶”“股四頭肌”和“大腦皮層”處。注意調整橡膠管長度和橡膠管末端高度。

4）在“膝蓋下方韌帶”的橡膠管末端開口處聯結并固定一個漏斗。

5）在“股四頭肌”和“大腦皮層”的橡膠管末端下方固定兩個透明容器（礦泉水瓶瓶底剪成），如圖2B所示。“股四頭肌”處透明容器中放入浸有黃色染料的濾紙，“大腦皮層”處透明容器中放入浸有藍色染料的濾紙。