基于生活化的初中生物實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新模型建構(gòu)

朱從義

摘 要：生物學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，人教版初中生物學(xué)部分實(shí)驗(yàn)存在難度較大、日常操作不便、難以普及的問(wèn)題。文章以七年級(jí)下冊(cè)“發(fā)生在肺內(nèi)的氣體交換”實(shí)驗(yàn)為例，基于生活化的理念進(jìn)行了創(chuàng)新模型建構(gòu)，使用生活中常見(jiàn)材料自制儀器改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。改進(jìn)后儀器直觀簡(jiǎn)潔，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，更好地幫助學(xué)生理解肺內(nèi)氣壓變化這一抽象概念，更好地構(gòu)建科學(xué)思維，培養(yǎng)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：初中生物；生活化；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)驗(yàn)儀器

生物學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，因此，實(shí)驗(yàn)探究是幫助學(xué)生理解生物相關(guān)理論知識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證能力、培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，進(jìn)而提升學(xué)生生物學(xué)科核心素養(yǎng)的重要手段。但人教版初中生物學(xué)部分實(shí)驗(yàn)器材專業(yè)化，存在使用難度較大、日常操作不便、難以普及的問(wèn)題，不利于學(xué)生掌握。因此，如何推進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器的生活化，讓更多學(xué)生切身感受實(shí)驗(yàn)過(guò)程，提高生物學(xué)學(xué)科素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的生活化、普及化、常態(tài)化，成為生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的重要課題。基于以上問(wèn)題，本文將以“呼吸運(yùn)動(dòng)”為例，通過(guò)構(gòu)建實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新模型，探討如何推進(jìn)生物實(shí)驗(yàn)的生活化。

一、教材實(shí)驗(yàn)分析

（一）相關(guān)知識(shí)簡(jiǎn)介

呼吸運(yùn)動(dòng)即肺與外界的氣體交換，它的動(dòng)力來(lái)自于呼吸肌（肋間外肌和膈肌）的收縮和舒張。《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》（以下簡(jiǎn)稱“課標(biāo)”）將人的呼吸列入十大主題之一的“生物圈中的人”中，其中要求學(xué)生能夠“描述人體呼吸系統(tǒng)的組成，概述發(fā)生在肺部及組織細(xì)胞處的氣體變換過(guò)程，驗(yàn)證人體呼出的氣體中含有較多的二氧化碳”。

人教版七年級(jí)下冊(cè)生物學(xué)第四單元第三章第二節(jié)“發(fā)生在肺內(nèi)的氣體交換”介紹了“膈肌運(yùn)動(dòng)與呼吸有什么關(guān)系”演示實(shí)驗(yàn)，旨在通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生掌握膈肌的收縮與舒張和肺內(nèi)氣體氣壓變化及氣體進(jìn)出肺部的關(guān)系。

（二）教材實(shí)驗(yàn)具體情況

教材中的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示：運(yùn)用模型模擬人體肺部大致結(jié)構(gòu)，玻璃罩模擬胸廓，玻璃管模擬氣管、支氣管，氣球模擬肺，底部橡皮膜模擬膈。

第一步：向上推模擬膈肌的橡皮膜，橡皮膜舒張，膈頂上升。此時(shí)會(huì)看到代表胸廓的玻璃罩內(nèi)體積變小，同時(shí)代表肺的2個(gè)氣球體積也變小了。

第二步：放松模擬膈肌的橡皮膜，橡皮膜收縮，膈頂下降。此時(shí)會(huì)看到代表胸廓的玻璃罩內(nèi)體積變大，同時(shí)代表肺的2個(gè)氣球體積也變大了。

通過(guò)兩步實(shí)驗(yàn)，學(xué)生看到代表膈肌的橡皮膜，帶動(dòng)肺內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生呼吸運(yùn)動(dòng)，借此理解“肺與外界怎樣進(jìn)行氣體交換”。

（三）實(shí)驗(yàn)問(wèn)題分析

1. 實(shí)驗(yàn)裝置不方便操作和維護(hù)

無(wú)論是實(shí)驗(yàn)材料還是操作，都給操作的人員帶來(lái)一定不便，對(duì)實(shí)驗(yàn)的普及產(chǎn)生極大影響。

該實(shí)驗(yàn)使用的材料——橡皮膜，由于材質(zhì)本身限制，容易老化、風(fēng)化而導(dǎo)致使用壽命較短。為避免這一問(wèn)題出現(xiàn)，一般會(huì)在使用過(guò)后拆下來(lái)放在玉米淀粉中保存，這在一定程度上增加了實(shí)驗(yàn)的工序。此外，由于大塊的橡皮膜不易購(gòu)買，材料采購(gòu)的限制，影響了實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展。

每次實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，都需要再次將橡皮膜固定在圓形玻璃罩上，要求氣密性要好，否則容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。由于實(shí)驗(yàn)裝置體積大，橡皮膜不易固定，教師或?qū)W生操作時(shí)往往花很長(zhǎng)的時(shí)間，這種操作的不便也影響到了實(shí)驗(yàn)的順利開(kāi)展。

2. 實(shí)驗(yàn)對(duì)真實(shí)生物學(xué)現(xiàn)象解釋不全面

實(shí)驗(yàn)通過(guò)模擬膈肌運(yùn)動(dòng)對(duì)肺內(nèi)氣體的影響，形象地說(shuō)明了膈肌對(duì)呼吸運(yùn)動(dòng)的作用，學(xué)生容易理解。但是肋間肌對(duì)呼吸運(yùn)動(dòng)的影響，在該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有任何解釋。因此，實(shí)驗(yàn)容易給學(xué)生造成呼吸僅靠膈肌運(yùn)動(dòng)推動(dòng)的片面印象。模擬不夠全面而導(dǎo)致對(duì)真實(shí)生物學(xué)現(xiàn)象解釋不全面，影響學(xué)生生物學(xué)核心概念的形成和知識(shí)的建構(gòu)。

3. 學(xué)生無(wú)法全員參與實(shí)驗(yàn)

“課標(biāo)”中提出“中學(xué)生應(yīng)具有能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的生物問(wèn)題，針對(duì)特定的生物學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)行觀察、提問(wèn)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施以及結(jié)果的交流與討論的科學(xué)探究能力”。但是原實(shí)驗(yàn)使用的實(shí)驗(yàn)裝置粗大笨重、功能單一，一般學(xué)校都只會(huì)給教師少量配備，僅用于演示。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中只能看“實(shí)驗(yàn)”，難以親自參與實(shí)驗(yàn)，得不到體驗(yàn)和嘗試的機(jī)會(huì)，這在一定程度上不符合生物學(xué)科學(xué)探究的學(xué)科特性。

4. 實(shí)驗(yàn)相對(duì)抽象而難于理解

本實(shí)驗(yàn)中涉及一些概念，學(xué)生缺乏相應(yīng)的前備知識(shí)基礎(chǔ)，可能在理解方面存在困難。如“氣壓”概念，人教版教材安排在八年級(jí)下冊(cè)物理第九章第三節(jié)“大氣壓強(qiáng)”。對(duì)于初一的學(xué)生來(lái)講，這樣抽象的物理知識(shí)難以理解。由于前備知識(shí)的缺乏，嚴(yán)重影響學(xué)生對(duì)呼吸運(yùn)動(dòng)過(guò)程的理解。

二、基于生活化的創(chuàng)新模型建構(gòu)

（一）實(shí)驗(yàn)思考

針對(duì)上述生物實(shí)驗(yàn)操作難、維護(hù)難、普及度不夠的問(wèn)題，筆者按照“生物實(shí)驗(yàn)生活化”的原則，尋找、選擇生活中常見(jiàn)易得的材料，特別是一些可回收的廢棄物，來(lái)重新建構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停岣邔?shí)驗(yàn)的可行性，同時(shí)還培養(yǎng)學(xué)生熱愛(ài)自然，保護(hù)環(huán)境的環(huán)保意識(shí)。

針對(duì)抽象概念難以理解、解釋不全面的問(wèn)題，擬借鑒物理模型改進(jìn)生物實(shí)驗(yàn)。物理模型是指以實(shí)物或圖像形式直觀地表達(dá)認(rèn)知對(duì)象的模型，具有一定的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，是對(duì)原型的純化和簡(jiǎn)化。依據(jù)“壓力與壓強(qiáng)”這一抽象概念學(xué)生難以理解的學(xué)情，擬通過(guò)建構(gòu)模型幫助學(xué)生直觀理解。

基于此，筆者利用一些生活中常見(jiàn)的材料，建構(gòu)“簡(jiǎn)易呼吸運(yùn)動(dòng)模擬器”“膈肌運(yùn)動(dòng)模擬器”和“肋間肌運(yùn)動(dòng)模擬器”，對(duì)“探究胸廓體積變化與呼吸運(yùn)動(dòng)的關(guān)系”這一實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。

（二）實(shí)驗(yàn)材料

依據(jù)課標(biāo)要求和教學(xué)實(shí)際，建構(gòu)的三種模型，實(shí)驗(yàn)材料有所不同，但均來(lái)自日常生活，簡(jiǎn)單易得。具體如下：

“簡(jiǎn)易呼吸運(yùn)動(dòng)模擬器”：礦泉水瓶一支、普通小氣球一個(gè)，細(xì)線若干。

“膈肌運(yùn)動(dòng)模擬器”：透明樂(lè)扣保鮮盒一個(gè)、一次性橡膠手套、Y型玻璃管（或塑料吸管）、氣球、橡膠塞、細(xì)線。

“肋間肌運(yùn)動(dòng)模擬器”：肉紅色氣球、細(xì)線、鐵絲。

（三）實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新模型

1. 簡(jiǎn)易呼吸運(yùn)動(dòng)模擬器

制作步驟如下：

（1）將一個(gè)氣球用細(xì)線綁在一根玻璃管（可用硬吸管代替），氣球模擬肺，玻璃管模擬氣管。

（2）將有氣球一端放進(jìn)一個(gè)撕掉標(biāo)簽的礦泉水瓶中，另一端露在瓶外，水瓶模擬胸廓。

（3）玻璃管穿過(guò)瓶塞（可用橡皮泥代替），先將氣球適度充氣，再將瓶塞塞緊。如圖2所示。

2. 膈肌運(yùn)動(dòng)模擬器

制作步驟如下：

（1）將橡膠手套沿小拇指方向剪開(kāi)成一張大橡皮膜，保留大拇指處。將保鮮盒的蓋子剪開(kāi)只留下邊緣1厘米寬的部分，在保鮮盒底部中心鉆出適合膠塞大小的孔。

（2）將2個(gè)氣球綁在玻璃管（可用硬吸管代替）上，氣球適度充氣，再塞好膠塞（可用橡皮泥代替）。氣球模擬肺，玻璃管模擬氣管。

（3）將剪開(kāi)的手套橡皮膜蓋在保鮮盒蓋的反面，注意要全部蓋住，大拇指放在中間，將保鮮盒子倒扣到蓋子上盒子上，扣緊。橡皮膜模擬膈。如圖3所示。

3. 肋間肌運(yùn)動(dòng)模擬器

制作步驟如下：

（1）將鐵絲做成2個(gè)邊長(zhǎng)10厘米的正方形用來(lái)模擬前胸骨骼群和后背骨骼群，再剪4根10厘米長(zhǎng)的鐵絲，兩端彎成環(huán)狀做成連接鐵絲模擬肋骨，套在2個(gè)正方形的對(duì)稱位置，形成一個(gè)可以自由變形的立方體框架。

（2）將2個(gè)深紅色的氣球傾斜固定在立方體兩側(cè)模擬肋骨的連接鐵絲上，氣球模擬肋間肌。如圖4所示。

（四）創(chuàng)新模型的實(shí)驗(yàn)操作

1. 簡(jiǎn)易呼吸運(yùn)動(dòng)模擬器

（1）用力捏礦泉水瓶模擬胸廓縮小，可以看到瓶子體積減小，瓶子內(nèi)的氣球體積縮小。

（2）放松礦泉水瓶模擬胸廓擴(kuò)大，可以看到瓶子體積增大，瓶子內(nèi)的氣球體積擴(kuò)大。

2. 膈肌運(yùn)動(dòng)模擬器

（1）抓住手套膜大拇指位置向上推橡皮膜模擬膈肌舒張膈頂上升，可以看到保鮮盒內(nèi)空間減小，盒內(nèi)的氣球體積縮小。

（2）放開(kāi)手套膜模擬膈肌收縮膈頂下降，可以看到手套膜向下恢復(fù)原狀，盒內(nèi)空間增大，盒內(nèi)的氣球體積擴(kuò)大。

3. 肋間肌運(yùn)動(dòng)模擬器

（1）一只手握住代表后背骨骼群的一側(cè)正方形鐵絲，向下拉代表前胸骨骼群的另一側(cè)正方形鐵絲，模擬肋間肌舒張時(shí)胸部向內(nèi)向下運(yùn)動(dòng)，可以看到模擬肋間肌的氣球變長(zhǎng)，模擬胸廓的鐵絲圍成的空間變小。

（2）放松代表前胸骨骼群的一側(cè)正方形鐵絲，模擬肋間肌收縮時(shí)胸部向外向上運(yùn)動(dòng)，可以看到模擬肋間肌的氣球變短，模擬胸廓的鐵絲圍成的空間變大。

（五）如何借助新模型理解“胸廓的變化與呼吸運(yùn)動(dòng)的關(guān)系”

下面以“肋間肌運(yùn)動(dòng)模擬器”和“膈肌運(yùn)動(dòng)模擬器”為例，如圖6，談?wù)勅绾卫眯履Ｐ瓦M(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而更好地理解“胸廓的變化與呼吸運(yùn)動(dòng)”的關(guān)系。

1. 肋間肌和膈肌同時(shí)舒張，胸骨向下向內(nèi)運(yùn)動(dòng)同時(shí)膈頂上升，胸廓縮小胸廓內(nèi)氣體受到擠壓氣壓升高，肺部隨之回縮肺內(nèi)氣體受到擠壓氣壓升高，氣體被擠壓出肺完成呼氣。

2. 肋間肌和膈肌同時(shí)收縮，胸骨向上向外運(yùn)動(dòng)同時(shí)膈頂下降，胸廓擴(kuò)大胸廓內(nèi)氣體受到拉張氣壓下降，肺部隨之?dāng)U張肺內(nèi)氣體受到拉張氣壓下降，外界氣體氣壓大于肺部氣體進(jìn)肺完成吸氣。

三、基于生活化的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?gòu)意義

（一）從學(xué)科角度來(lái)看，幫助學(xué)生獲得對(duì)學(xué)科知識(shí)的全面認(rèn)知

創(chuàng)新模型增加了呼吸運(yùn)動(dòng)與肋間肌的關(guān)系實(shí)驗(yàn)，能有效地補(bǔ)充教材實(shí)驗(yàn)的不足，從而準(zhǔn)確完整地演示呼吸運(yùn)動(dòng)。對(duì)學(xué)生而言，這樣的實(shí)驗(yàn)有利于學(xué)科知識(shí)的系統(tǒng)建構(gòu)，有利于學(xué)生從根本上全面認(rèn)識(shí)呼吸運(yùn)動(dòng)，獲得對(duì)學(xué)科本質(zhì)性的認(rèn)識(shí)。

（二）從實(shí)驗(yàn)效果來(lái)看，提高了生物實(shí)驗(yàn)的綠色化和普及化

創(chuàng)新模型采用了易得的生活物品作為實(shí)驗(yàn)材料，建構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停嬲龑?shí)現(xiàn)了綠色化，自然滲透了綠色環(huán)保理念。同時(shí)，將實(shí)驗(yàn)與生活聯(lián)系起來(lái)，從居家生活中取材，因材料易得，維護(hù)方便，顯著降低了對(duì)實(shí)驗(yàn)材料的依賴性，有效降低了實(shí)驗(yàn)成本，確保了實(shí)驗(yàn)質(zhì)量。

（三）從學(xué)生素養(yǎng)角度來(lái)說(shuō)，培養(yǎng)了學(xué)生生物學(xué)高階思維和探究能力

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱骱?jiǎn)單，學(xué)生可以自行制作、操作儀器，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，在學(xué)中做、在做中學(xué)，有效地解決了因儀器限制學(xué)生無(wú)法深度體驗(yàn)知識(shí)的困境，真正實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)與生活的深度融合。學(xué)生成為學(xué)習(xí)活動(dòng)的主體，在模型的制作和操作過(guò)程中促進(jìn)了高階思維的發(fā)展和探究能力的提升。

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