創新素養培育視角下的實驗教具設計
——以新型“反射弧”演示器為例

梁曉紅 郭繼廣

山東省濟寧市豐泰中學(272000) 山東省濟寧市實驗初中(272000)

教具設計是根據教學目標和學生的需求進行有針對性的開發設計,以提供有效的教學輔助工具,促進學生的學習和發展。在教具設計過程中,教師通過提供開放性的工具、引導學生發散思維、組織分工以及提供反饋和評估機制等方式,極大地鍛煉了學生的創新意識和跨學科實踐能力。實踐充分證明,通過教具設計可以有效培育學生的創新素養。

1 膝跳反射實驗

膝跳反射實驗出自山東科學技術出版社生物7年級下冊第4單元第6章第3節“神經調節”,在實驗中,受測者坐在凳子上,一條腿著地,另一條腿自然地搭在這條腿上。當測試者用手掌的內緣快速地叩擊受測者膝蓋下緣的韌帶時,受測者的小腿會突然地抬起,這就是膝跳反射。該反射通過脊髓就可以完成,是人生來就有的一種反射。

雖然該實驗的現象比較明顯,但該實驗涉及到的相關知識卻較為抽象,學生普遍較難理解。例如:膝跳反射是如何發生的?為何人在故意繃緊腿時,不能完成膝跳反射?如果反射弧出現斷點,結果會如何?大腦和脊髓有哪些關系,如何才能簡單和直觀地解決以上問題呢?傳統的圖片和普通的教具難以解決以上問題。基于此,筆者帶領學生團隊開啟了項目探究[1]——自制新型“反射弧”演示器。

2 教具設計

2.1 教具簡述

自制新型膝跳反射“反射弧”演示器如圖1所示。

圖1 新型膝跳反射“反射弧”演示器

2.1.1 特點

該新型“反射弧”演示器運用了樂高相應的元器件[2],根據膝跳反射原理構建物理模型,并在2臺EV3主機中裝入計算機軟件程序,能夠較好模擬人體的膝跳反射過程。使用該教具進行教學,教學形象化,模擬生物現象更科學,且生動有趣。

2.1.2 用途

①該教具不僅能讓學生直觀地了解組成反射弧的五部分,而且能較好地演示膝跳反射的過程,演示過程中還能夠讓學生理解脊髓具有反射和傳導兩種功能;②該教具能夠較好地演示當反射弧5部分中的傳入神經、傳出神經、脊髓白質出現斷裂時,會發生何種結果;③該教具能完美地演示當人故意繃緊腿時,不能發生膝跳反射。

2.1.3 創新點

在教學中,運用該教具能夠輕松突破“大腦和脊髓之間的關系”這一教學難點,收到了非常好的教學效果,鍛煉了學生的抽象思維和邏輯思維能力,促進了學生創新素養的培育。

2.2 制作材料

樂高EV3主機2臺、大型電機1個、樂高拼裝積木、數據線、觸碰傳感器2個、計算機軟件程序。

2.3 制作方法

2.3.1 根據膝跳反射的原理,理清教具設計思路,構建“反射弧”概念模型

構建概念模型是對事物進行抽象的提煉,讓知識進行有序的編碼[3],再用系統化和結構化的形式與學生的原有的認知結構進行對接和整合,進而形成清晰的、完整的知識體系,能夠極大地提高學生學習效率。

膝跳反射反射弧概念模型如圖2所示。

圖2 膝跳反射反射弧概念模型

(1)反射弧的組成:膝跳反射是通過反射弧來完成的,反射弧包括5部分:感受器、傳入神經、神經中樞、傳出神經、效應器。反射弧缺少其中任何一個部分,反射均不能完成。

(2)膝跳反射過程:當測試者快速叩擊韌帶時,韌帶處的感受器感受刺激,并產生神經沖動,通過傳入神經傳入脊髓中特定的神經中樞,神經中樞接受神經信號,立刻產生神經沖動,并將它傳給傳出神經,傳出神經又將神經沖動傳至效應器,引起肌肉收縮,產生膝跳反射。

(3)脊髓和大腦的關系:脊髓除了具有低級神經中樞的反射功能,還通過脊髓白質與大腦相連,具有傳導神經信號的功能。大腦具有感覺、運動、語言等多種生命活動中樞。大腦作為人體的最高“司令部”,對脊髓(低級神經中樞)還具有控制作用。

2.3.2 選用樂高元器件,組建“反射弧”物理模型

如圖3所示,根據膝跳反射“反射弧”概念模型結合樂高元器件的特點和功能,項目小組確定了膝跳反射反射弧各部分與樂高相應元器件的對應關系。感受器選用觸碰傳感器,能夠接受觸碰產生電信號。傳入神經和傳出神經選用數據線,能夠傳導電信號。神經中樞(脊髓和大腦)選用2臺EV3主機。EV3主機不僅能夠植入計算機編程程序,還自身帶有光電傳感器。光電傳感器可設置紅燈閃爍和恒亮兩種狀態,可用來模擬神經信號能否正常傳導(光電傳感器的紅燈閃爍代表神經信號能夠正常傳導,光電傳感器紅燈恒亮代表神經信號傳導受阻)。效應器(大型電機和積木)能夠接收信號,自動抬起后再落下。

圖3 利用樂高元器件組建膝跳反射“反射弧”模型

2.3.3 組裝零件,植入計算機編程程序

2臺EV3主機:1臺模擬人體的脊髓、1臺模擬人體的大腦。

脊髓主機植入的計算機程序采用同步運行架構,2個子程序同步運行且互不干擾。該程序運行流程:當按下觸碰傳感器1(感受器),發送數字信息給脊髓主機,1 s后,屏幕閃爍紅燈(模擬接收到信號),再過1 s,大型電機(效應器)逆時針旋轉90°,模擬產生膝跳反射,再過1 s,大型電機(效應器)再順時針旋轉90°復位,同時主機閃爍綠燈。在植入該計算機程序后,該教具能夠較好地模擬人體膝跳反射產生的過程。

大腦主機植入程序,也使用了同步運行架構,2個子程序同步運行,且互不干擾。當按下觸碰傳感器2,大腦主機閃爍紅燈(模擬大腦有意控制),1 s后,發送數字信息到脊髓主機,脊髓主機得到信息后,就可以發出指令,強制電機和積木不完成轉動(不完成膝跳反射)。在植入該計算機程序后,該教具能夠非常完美地模擬:當人體故意繃緊腿時,即使快速地叩擊膝蓋處的韌帶,也不能完成膝跳反射。

2.4 使用方法

2.4.1 演示膝跳反射過程,理解反射弧的組成及功能

如圖4所示,按壓①觸碰傳感器1(模擬叩擊韌帶),⑨光電傳感器1閃爍紅燈(模擬神經沖動經過②③④),⑤電機運轉及積木抬起(模擬小腿抬起)。該過程演示了神經沖動由感受器、傳入神經傳導至脊髓的神經中樞,神經中樞發出指令,將神經沖動通過傳出神經傳至效應器,完成膝跳反射。反復演示此過程,使學生對膝跳反射有了更深入的認識,并能加深對反射弧組成及各組成部分功能的理解。

圖4 新型膝跳反射“反射弧”演示器

2.4.2 切斷某些節點,反證反射弧的完整性對反射的意義。

(1)斷開②數據線1(模擬傳入神經受損),按壓①觸碰傳感器1,觀察到⑤電機及積木(模擬小腿)無反應,光電傳感器1、2燈均不閃爍紅燈。該過程演示了傳入神經受損,神經沖動不能傳到脊髓,反射不能發生,大腦也不能產生感覺。

(2)斷開④數據線2(模擬傳出神經受損),按壓①觸碰傳感器1,觀察到⑤電機及積木(模擬小腿)無反應,但⑨光電傳感器1、⑩光電傳感器2均閃爍紅燈。該過程演示了當傳出神經受損,脊髓仍能接收到神經沖動,但無法將神經沖動傳導到效應器,完成反射,但脊髓卻能將神經沖動通過白質傳至大腦,在大腦中產生感覺。

(3)斷開⑥數據線3(模擬高位截癱),按壓①觸碰傳感器1,觀察到⑤電機及積木(模擬小腿)做出反應,⑨光電傳感器1閃爍紅燈,但⑩光電傳感器2不閃爍紅燈。該過程演示了人在高位截癱時,可以完成膝跳反射,但由于脊髓白質斷裂,無法將神經沖動傳至大腦,不能在大腦中產生感覺。

2.4.3 演示大腦與反射的關系,突破難點中的難點。

(1)在使用該教具演示膝跳反射時,⑨光電傳感器1先閃爍紅燈,電機及積木(模擬小腿)做出反應,緊接著,⑩光電傳感器2也閃爍紅燈。該過程演示了膝跳反射僅通過脊髓即可完成,但脊髓可將神經沖動通過白質傳導至大腦產生感覺(即:先有動作,后有感覺)。

(2)先按壓⑧觸碰傳感器2(模擬大腦神經中樞),此時,光電傳感器2、1先后閃爍紅燈,再按壓①觸碰傳感器1,⑤電機及積木(模擬小腿)卻無反應。該過程非常直觀演示了大腦在有意控制時(故意繃緊腿時),膝跳反射不能完成。學生輕松突破大腦對脊髓具有控制作用這一難點中的難點。

3 教具的教學意義和價值

該新型膝跳反射“反射弧”演示器采用了樂高機器人相關元器件,大大激發了學生的學習興趣,有效地突破了“大腦和脊髓的關系”這一難點中的難點。在使用該教具教學時,學生能將具體感知和抽象思維結合起來,有助于理解一些抽象的概念,發展抽象思維和邏輯思維能力。同時,該教具融合了生物、物理、信息技術等學科知道,滲透了STEM教學的理念[4],培養了他們在面對挑戰和解決問題時的創意表達能力和創新思維。