基于STEAM教育理念制作膝跳反射模型

林曉玲 肖冬燕 李剛 朱慧 劉靜怡

摘? 要 基于STEAM教育理念制作膝跳反射模型注重各個領域知識的結合，聯系生物、化學、物理學科的相關知識，直觀展示反射弧的五部分結構及模擬反射活動的過程，并利用該模型探究反射弧某一部分結構受損對反射活動的影響。在課堂中利用該模型進行探究，可幫助學生在推導出抽象結論、突破重難點的同時提高科學素養。

關鍵詞 STEAM教育；膝跳反射模型；生物學

中圖分類號：G633.91? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）13-0021-03

0? 引言

生物學科核心素養重視對學生科學思維的培養，注重學生分析能力、推理能力、歸納能力和解決問題能力的提高[1]。膝跳反射模型以STEAM教育理念作為基礎，有機結合生物、化學、物理學科的知識[2]，可以模擬膝跳反射活動過程。利用該模型探究“反射弧某一部分結構受損對反射活動能否完成的影響”，將學生不可見的、抽象的過程轉化成直觀的、可操作的過程，將復雜的反射機制用模型進行演示，學生可以在活動中推導、感知課本中“反射活動需要完整的反射弧來實現”的結論，促進思維發展。

1? 功能說明[3]

生物學教學過程中通常會采用模型使抽象的知識具體化。膝跳反射是學生所接觸的最為簡單的反射活動，雖然可以在課堂上組織學生感受膝跳反射的活動，但這個過程存在兩個不足之處：一是初中生對反射弧是完成反射活動的結構基礎及反射活動的過程并不了解；二是組織初中生在課堂上進行膝跳反射活動所耗費的時間比較多。

而膝跳反射模型清晰可以直觀地展示反射弧的五部分結構，首先深化學生對反射弧五部分結構的了解，同時使學生清楚地認識到反射弧是完成反射的結構基礎；其次，在使用模型的過程中，學生可以通過探究活動直觀地觀察、了解反射弧完成反射活動的過程，實現“做中學”。

2? 制材作料

制作材料見圖1～圖8。

3? 設計思路及原理

3.1? 設計思路

初中學生的特點是形象思維發達，但抽象思維不夠完善，對抽象理論的理解不夠深刻。在“神經調節的基本方式”這一節中，反射弧的結構、反射活動的過程以及“反射活動需要完整反射弧來實現”這一結論比較抽象。膝跳反射模型將通過直觀可見的化學顏色反應，引導學生理解反射弧這一重要概念[4]，并設計活動由學生小組進行合作探究：反射弧某一結構受損對反射活動的影響。學生通過動手得出結果并對結果進行分析，突破對抽象理論“反射活動需要完整的反射弧來實現”的理解。

3.2? 設計原理

1）呈堿性的蘇打溶液遇到酚酞溶液會變紅。

2）碳酸鈉與過量醋酸反應的化學方程式：

Na2CO3+2CH3COOH==2CH3COONa+CO2↑+H2O

碳酸鈉與少量醋酸反應的化學方程式：

Na2CO3+CH3COOH==CH3COONa+NaHCO3

3）在“效應器”中裝入含有酚酞、蘇打溶液和過量醋的混合液，刺激“感受器”（推動注射器），空氣經由“傳入神經”后將“神經中樞”中的蘇打溶液壓入“傳出神經”，最終進入“效應器”，使其中溶液先變紅再褪色，模擬膝跳反射的過程。同理，“大腦”中的溶液先變紅后又褪色，模擬由“神經中樞”傳出的沖動信號刺激“大腦”產生感覺。

4? 制作步驟[5]

4.1? 調配試劑

1）調配蘇打溶液，裝于“神經中樞”。

2）調配酚酞、蘇打溶液和過量醋的混合溶液，裝于“效應器”和“大腦”。（注意：混合溶液為加入酚酞的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液，以更好地觀察先變紅再褪色的效果。）

4.2? 材料組裝

1）用注射器模擬“感受器”，在“傳入神經”和“傳出神經”之間用密閉容器模擬“神經中樞”，用玻璃瓶子模擬“效應器”和“大腦”，用硅膠軟管模擬“傳入神經”和“傳出神經”。

2）在紙盒上的合適部位打孔，將模擬反射弧各部分結構的材料和鎖水夾連接、組裝成模型，并貼上標簽紙和圖案，其中用鎖水夾的閉合來模擬相應結構的損壞（圖9）。

4.3? 預實驗

調試模型，通過模擬效應器的瓶子溶液變紅來模擬產生效應；通過模擬“大腦”的瓶子溶液變紅模擬產生感覺，保證學生能夠直觀觀察到結果。

5? 模型使用說明

5.1? 推動注射器模擬刺激感受器

空氣被壓入管內模擬沖動信號在“傳入神經”上傳導，再經由其傳到“神經中樞”，將其內的蘇打溶液壓出，模擬沖動信號在反射弧上的傳導和傳遞。最后，蘇打溶液“傳出神經”傳到代表效應器和大腦的瓶子中，若是“效應器”和“大腦”中液體變紅，則代表產生效應和產生感覺（圖10）。此過程可以深化學生對反射弧結構的理解，清晰直觀地展示反射活動經過反射弧來完成，學生形成認知：反射弧是反射活動的結構基礎。同時，學生可以直接觀察到沖動信號在反射弧上的傳導和傳遞是具有一定方向性的。

5.2? 該模型還可以被用來探究“反射弧某一結構對反射活動的影響”

教師可以先進行示范：將注射器破壞模擬“感受器”損壞，再刺激“感受器”。學生進行觀察和記錄。剩余其他四個部分則組織學生進行小組合作探究，通過關閉各個相應結構上的鎖水夾的方式，模擬對應結構的損壞。教師可以將學生分成四個小組進行合作探究，學生結合所有探究結果進行分析、推導出結論，突破重難點（表1）。在此過程中，教師需要做的是引導學生利用這個模型進行模擬探究，組織學生在使用模型的同時深化對知識的認識，突出學生的主體地位以及教師的主導地位，培養學生的動手操作能力、分析和解決問題能力，增強學生的合作意識。

6? 思考與改進方向

6.1? 該模型的突出優點

1）基于STEAM教育理念和生物學科核心素養的要求，該模型將各學科知識進行融合，巧妙地利用蘇打溶液遇酚酞變紅，醋酸溶液又可以使其褪色的原理，將復雜的生理機制轉化成直觀現象，將抽象的理論知識實驗化，讓學生在直觀感受和探究的過程中深化對知識的理解。

2）該模型基于簡單的化學和物理原理，采用生活中隨處可見的醋和蘇打作為材料，既安全又貼近學生的實際生活，可以激發學生的創造和創新意識，鼓勵學生在生活中發現實驗，在實驗中感受知識。

3）學科與學科之間不是相互獨立的。基于STEAM教育理念的要求，在制作過程中，本模型運用了物理學科中氣壓的相關知識；在效果上，本模型結合化學顏色反應的相關知識，通過常見的顏色反應直觀演示反射活動的過程，將反射過程可視化，符合新課標學科交融的要求。

4）通過學生動手合作探究“反射弧某一結構受損對反射活動的影響”，從而將課本中理論“反射活動需要完整的反射弧來實現”實驗化、探究化，促使學生在動手過程中分析和解決問題，提高學生的分析能力和促進其科學思維的發展。

6.2? 該模型也存在一些不足，日后將從以下方向進行改進

1）該模型只能觀察到反射弧單個結構損壞后對反射活動造成的影響，探究內容較為單一。日后可以對該模型進行改進，尋找更合適的材料進行替換，從而使得模型可以從傳入神經、神經中樞到傳出神經或者是效應器開始進行刺激，引導學生探索在各類可能發生的情況下反射活動的完成情況，進而得出結論，突出學生的主體地位。

2）思考課堂結束之后模型該如何處理，該模型在選材方面可以進一步完善：紙箱和紙板容易受潮發霉，在日后對模型的改進過程中可以考慮采用更好的、更便于保存的材料來替代紙箱。

3）在教學過程中發現紙箱原本的顏色（暗黃色）不利于學生觀察，日后可以在模型的表面附上白紙，將模型的背景改成白色，利于學生觀察顏色變化。

參考文獻

[1]劉文勝，王程程.普通高中生物課程標準的新理念和新要求[J].基礎教育參考，2018（16）：52-53.

[2]龍子翅.基于案例分析的STEAM課堂教學模型構建研究[J].中國教育技術裝備，2020（6）：81-83，86.

[3]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（自然科學版），1990（4）：90-93.

[4]孫璟晗.研制膝跳反射模型 實現思維可視化[J].中國教育技術裝備，2019（21）：44-45，50.

[5]徐彤，施啟迪.簡易流動鑲嵌模型學具的制作[J].中學生物教學，2020（5）：56-57.