自制模型在“人體的運動”中的應用與優化

吳冰芳

（蘇州工業園區東沙湖實驗中學 江蘇蘇州 215021）

《義務教育生物學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課程標準》）在實施建議部分明確提出教師在組織學生開展實驗時，應鼓勵學生參與實驗設計，可以設計利用實驗室儀器設備的實驗，也可以設計利用簡單易得、低成本器具材料的實驗。自制模型是利用生活中的原材料，模擬制作生物模型，從而促進學生對生物體結構和功能的理解，是一種有效的教學方法。“人體的運動”是蘇科版初中《生物學》第十七章第一節的教學內容，該節內容涉及到人體八大系統之一——運動系統。教材在本節內容中安排了長骨的觀察實驗，但是對于組成運動系統的骨、骨連接、骨骼肌的相互關系以及三者如何配合完成運動并沒有安排實驗。學生在學完相關內容后能夠了解骨、骨骼肌、骨連結的結構，但對三者的功能及相互聯系無法形成直觀的感受，很難落實“結構與功能觀”的生命觀念。基于此，筆者結合教學實際，在“人體的運動”一節中利用4種自制模型巧妙地解決了本節課的難點。

1 制作方法

1.1 電子模型的制作

制作材料：希沃白板軟件，自由繪圖技術，圖片克隆技術，如圖1所示。

圖1 電子模型1

制作過程：該模型材料中，有人體上肢部分結構，圓點代表連接點，黃色線條代表牛皮筋。學生可拖動白板中的相應圖形，構建運動模型，如圖2所示。

圖2 電子模型2

該模型優點在于使用方便，操作簡單，一旦發生錯誤，可以一鍵重置，也可反復多次制作。該模型不足之處在于電子模型為二維圖，缺乏真實性。學生無法通過該模型對結構與功能觀形成強烈的感受。

1.2 紙板平面模型的制作

制作材料：瓦楞紙，橡皮筋，鉚釘。

制作過程：學生按照小組設計的電子模型將制作材料進行拼裝，然后分組展示手臂的屈肘動作，如圖3所示。活動中，教師要提醒學生思考：橡皮筋模擬了人體的什么結構，運動時哪個結構提供了力？通過實踐，學生充分了解了骨、骨連接、骨骼肌的功能。

圖3 紙板平面模型

該模型優點在于其在電子模型的基礎上，按照電子模型的設計，用實物來建構真實模型，將虛擬變為現實，使學生有更真實的體驗。活動中，學生對橡皮筋模擬骨骼肌收縮產生運動動力、鉚釘模擬關節可作為運動的支點、骨可作為運動的杠桿等知識點有了形象而深刻的認識。該模型的不足之處在于其仍為平面模型。學生在使用該模型時也會出現錯誤操作，如雙手分別握著上臂和前臂，分別使力也會發生屈肘或伸肘運動，因此無法理解運動的力來自骨骼肌。

1.3 紙質可運動模型

制作材料：瓦楞紙，塑料吸管，剪刀，熱熔膠，熱熔槍，直尺，釣魚線。

制作過程：將右手五指微微張開，手背平貼在瓦楞紙上，用鉛筆沿著手指、手掌及前臂勾勒出形狀，并標記各關節的位置。用剪刀沿著鉛筆線剪下手部模型，并在標記的關節處向內折疊。另外剪下一個長15 cm，寬3 cm的長方形瓦楞紙，粘貼在手臂的最上端，作為抓手。將塑料吸管剪成17個1 cm長、4個3 cm長的片段，并取用3 cm長的吸管褶皺處，用熱熔膠分別將這些吸管的片段固定在手部模型的不同部位。用釣魚線依次穿過這些吸管，在線的最前端（指尖部）用熱熔膠進行固定，在后端將線系成一個圈，使人的一個手指能穿過，如圖4所示。稍用力彎曲手指，拉動細線使瓦楞紙的手指彎曲，形成運動，如圖5所示。

圖4 紙質可運動模型（正面、背面）

圖5 紙質可運動模型

該模型優點在于能很好地演示手指彎曲等動作，學生能直觀感受到有了力才能在關節處發生運動。該模型完成了由平面模型逐步向空間結構模型的轉變。該模型的缺點在于設置的關節結構不明顯，無法使學生感受到骨、骨連接和骨骼肌三者的聯系。

1.4 3D打印模型的制作

制作材料：3D打印機及材料，3Dmax軟件，釣魚線，釘子。

制作過程：在專業人士的協助下，打印出手部各部分骨的模型，然后在關節處用釘子將骨連起來并保證能靈活地活動。用釣魚線將這些骨依次串聯并套在大臂和前臂上，利用屈肘時肘關節外側釣魚線被拉伸的力量引起手指部的彎曲，如圖6所示。

圖6 3D打印模型

該模型優點在于能精確到手部的各塊骨，充分顯示各部分的聯系，使學生充分理解產生運動的原因。該模型的缺點在于技術要求高，需要學生具備一定的信息技術技能，3D打印耗時較長，需提前做好準備。實際操作中，3D模型打印的手部零件與實際手部的骨結構上還是存在一定的差異，需要不斷修改模型參數，并對模型進行打磨。而且3D打印價格相對較高，無法被全員使用，只能做演示實驗。

2 對模型的反思

2.1 化抽象為形象，培養學生生命觀念

建模屬于核心素養中“科學思維”的范疇。模型具有直觀、形象的特點，可以幫助學生理解較為復雜的概念，從而有利于培養學生的生命觀念。從電子模型、紙板平面模型，到紙質可運動模型、3D打印模型等，從平面的描述結構的模型到立體的兼顧結構和功能的模型，教師通過模型的應用與優化，階梯式地引導學生逐步深入探索運動的幾個要素及相互關系，使學生逐步掌握了生物學相關的結構特點和功能特性，符合學生的認知規律，也有利于培養學生“結構與功能相適應”的生命觀念。

2.2 多學科融合，培養學生創新意識

《課程標準》提出教師要積極組織開展跨學科實踐活動，引導學生基于真實的實踐任務，綜合運用多學科的知識和方法，通過小組合作、探究和實踐等方式實施，形成物化的學習產品和學習成果，提高解決問題的能力，培養學生的創新精神。運動模型的制作過程中融合了物理學杠桿原理、現代信息技術、工程學原理等，學生在實踐的過程中能夠意識到科技向善向上的精神和力量。教具的創新是培養學生創新精神的一種途徑。基于多學科融合的模型優化創新和應用過程，能促進學生運用模型來分析問題，解決問題的能力，培養學生的創新精神。

2.3 制作簡單，培養學生的實踐能力

以上模型除3D打印模型外，其余制作材料大多比較常見，生活中也比較容易獲得。通過剪裁、拼接等方式，整個模型制作過程簡單，適合初中生小組合作完成，也適合學生獨立完成。電子模型的使用壽命長，可以無限重復使用，并且可以不斷嘗試新的拼接方式。紙板平面模型中的部件如橡皮筋等老化損壞后可以隨時更換，價格也很低廉。紙質可運動模型即使線有脫落現象，用熱熔膠再次固定即可。3D打印模型對學生技術要求比較高，但是一旦完成則可永久作為展示模型使用，不易損毀。學生在制作模型的過程中，還可以加入個性化的元素，如對模型手臂的裝飾等。學生動手動腦，實踐能力逐步提高。

以上模型在制作及應用時各有優缺點，在實際教學中，可根據學生及教學情況選擇合適的使用。通過多種模型的制作應用及優化，學生能夠深刻理解結構與功能相適應的生命觀念。教師在之后的教學中也可以反復利用這些模型，最大程度地提高模型的利用率。在實際教學過程中，教師應創造條件引導學生進行模型的制作、優化和應用，不斷培養學生的創新精神和實踐能力，發展學生的生物學學科核心素養。