應用批判的方法形成實驗創新思路 促進生物概念教學

摘" 要：教材中的部分簡單實驗易開展，但有的實驗在幫助學生構建概念的作用方面略顯不足。以制作鑄型標本創新羊肺觀察實驗為例，通過對原有實驗的批判，形成實驗創新思路，使實驗更有效地服務概念的構建，促進生物概念教學。研討批判形成實驗創新思路的基本途徑。

關鍵詞：批判；生物學；鑄型標本；實驗創新；哺乳動物的肺；羊肺

文章編號：1671-489X（2025）01-0-06

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.01.

0" 引言

實驗創新必須突發奇想或靈機一動？有沒有一種方法，可以讓實驗創新變得順理成章、有章可循？課內實驗一般明確地被安排在各章節之中，服務該章節的概念教學。然而有些實驗現象，特別是供試生物材料被摘除于軀體之外，或是失去生理功能后，給學生呈現的現象，不但不足以幫助學生理解其背后的科學規律，反而徒增學生的認知沖突。《生物學》（京版教材）七年級下冊中“觀察哺乳動物的肺”的實驗簡單易行，但是學生面對眼前用鑷子可以觸碰的肺塊，難免會產生吸入大量氣體與致密的肺塊之間的認知沖突。此實驗緊密配合章節內容的教學，應用批判的方法予以分析，很容易找到其不足的原因，并加以創新，可以使創新后的實驗更有效地服務相應概念的構建。

1" 批判的界定

復旦大學馬克思主義研究院原院長吳曉明用八個字概括了批判最原初和最基本的含義：澄清前提，劃定界限。所謂批判，所謂批判的工作，首先是這樣兩個含義：“某個事物，某種理論，它的前提是什么？它的限度在哪里？”[1]

2" 教材原學習活動分析

《生物學》（京版教材）七年級下冊第六章“生物的呼吸”第一節“人的呼吸”中的“學習活動”板塊（教材第32～33頁），安排了一個題目為“觀察哺乳動物的肺”的觀察實驗[2]。該實驗設計如下。

【實驗題目】觀察哺乳動物的肺。

【目的要求】認識肺的形狀和顏色，描述肺組織塊的特點。

【材料器具】哺乳動物（?；蜓颍┬迈r的肺；放大鏡，解剖盤，解剖剪，鑷子，小燒杯；清水。

【方法步驟】

1）教師演示，觀察完整的肺，學生描述并記錄肺的形狀、顏色以及左右肺各分成幾葉。

2）教師將肺剪成若干小塊。

3）學生兩人一組，取一塊肺組織，放入盛有清水的小燒杯中。

4）用鑷子觸探一下肺組織，感覺一下肺組織塊的彈性。

5）用放大鏡找一找支氣管和小血管。

【討論】

1）肺組織塊為什么會浮在水面上？

2）肺具有多級分支的氣管、豐富的毛細血管以及很好的彈性，這對呼吸有什么意義？

該實驗充分貼合初一學生的學情，充分面向全體學生，讓學生可以充分地達成實驗目標。

然而，此觀察實驗存在兩方面的觀察困難和認知沖突：1）學生看到、觸碰到的是肉眼觀察下的宏觀的肺塊，但是，實現肺的氣體交換功能的是肺的微觀結構；2）學生親身體驗的吸入和呼出的氣體量很大，特別是同冊書第36～37頁“學習活動”板塊，用氣球測定肺活量的過程中，學生可以親眼看到呼出氣體的量非常大，但是，即便用放大鏡觀察肺塊，觀察到的肺依然是致密的，學生難以想象肺塊與肺是如何容納氣體的。

3" 應用批判的方法分析“觀察哺乳動物的" "肺”實驗

3.1" 實驗的批判分析

3.1.1" 澄清前提

“觀察哺乳動物的肺”這一實驗主要為了讓學生構建“肺是氣體交換的場所”的概念。構建“肺是氣體交換的場所”的概念是“觀察哺乳動物的肺”這一實驗的前提。康德是批判哲學的開創者[1]，他說，科學性的理性概念包含著整體的目的和形式[3]。從目的的角度分析，“肺是氣體交換的場所”指的是兩方面：1）肺中高效地進行著氧氣的吸入和二氧化碳的排出；2）肺中高效地進行著與外界的氣體交換。可以進一步澄清的是：“接觸面積大、氧氣和二氧化碳容易進出”是“肺高效地進行著氧氣進入體內并排出二氧化碳”的前提；“大量氣體進出肺（進行肺通氣）”是“肺高效地進行著與外界的氣體交換”的前提。因此，“觀察哺乳動物的肺”實驗在實驗內容設計上應盡可能指向三點生理或結構特征：1）接觸面積大；2）氧氣和二氧化碳容易進出；3）大量氣體進出肺（進行肺通氣）。此三點是“觀察哺乳動物的肺”實驗的澄清前提，相互關系點如圖1所示。

3.1.2" 劃定界限

將本實驗應盡可能指向的三點生理或結構特征與教材中的實驗方法步驟進行對比分析，見表1。比較教材原實驗步驟，發現只有步驟5“用放大鏡找一找支氣管和小血管”能呈現肺特征（接觸面積大），但在這個步驟，不同學生之間可能產生分歧：有的學生可能聯想到“一小塊肺內可以發現支氣管，那么整個肺支氣管的總量會很大”；有的學生借助放大鏡看到肺塊內支氣管很稀疏，進而認為“肺里面的支氣管很少”。

3.2" 應用批判的方法對實驗進行創新分析

通過對教材原實驗進行澄清前提和劃定界限得出，使實驗步驟能夠呈現三點生理或結構特征是本實驗創新的基本思路。這三點生理或結構特征分別是接觸面積大、氧氣和二氧化碳容易進出、大量氣體進出肺。

3.2.1" 接觸面積大的創新思路

對“接觸面積大”繼續澄清前提，可以發現兩個適用范圍。1）氣體與膜（肺泡膜）的接觸面積大。這就需要設計一個可以呈現大量氣體與膜接觸的實驗操作，可以向肺內充氣，創新出“新鮮羊肺的充氣觀察”實驗項目。2）氣體與膜（肺泡膜）接觸的結構單位數量多。這就需要設計一個可以呈現大量該結構單位的實驗操作，可以創新設計“制作鑄型標本”實驗項目，以呈現支氣管越分越細、越分越多的狀態。

在這兩個實驗項目中銜接一個“切割肺塊觀察”的項目。學生在“新鮮羊肺的充氣觀察”實驗項目中直觀地看到肺容納大量氣體，但是在“切割肺塊觀察”實驗項目中卻找不到肺泡。只有進一步呈現肺泡微小、數量多的特征，學生才可以推導出肺的總表面積大的結構特征。

3.2.2" 氧氣和二氧化碳容易進出的創新思路

對“氧氣和二氧化碳容易進出”繼續澄清前提，可以發現兩個適用范圍。1）血液與肺泡氣體交換時，氧氣和二氧化碳穿越的障礙少（肺泡壁?。＿@就需要設計一個可以呈現肺泡壁極薄的實驗操作，可以讓學生制作模型，創新設計“模擬肺泡囊結構”實驗項目。同時，將教材原學習活動中的“一塊肺組織，放入盛有清水的小燒杯中”環節拓展為“肺塊與骨骼肌在水中對比”，充分呈現肺內留存一定氣體的小結構。2）肺泡與毛細血管毗鄰、肺泡外毛細血管豐富。這就需要設計一個可以呈現肺內豐富毛細血管的實驗操作，可以觀察新鮮羊肺肺塊滲出的血液，間接地推測出肺內有豐富的毛細血管，設計一個“觀察肺塊在水中的變化”的實驗項目。

3.2.3" 大量氣體進出肺的創新思路

對“大量氣體進出肺”繼續澄清前提，可以發現兩個適用范圍。1）肺內可以容納大量氣體。這就需要設計一個可以呈現大量的氣體進到肺內的實驗操作，可以依然采用“新鮮羊肺的充氣觀察”的創新實驗項目。2）肺內有容納大量氣體的結構，可以依然采用“制作鑄型標本”的創新實驗項目。

3.3" 批判分析后的創新梳理

圍繞本實驗應盡可能指向的三點生理或結構特征進行創新。本節課的實驗教學內容包含三個實驗模塊，細分為七個實驗項目。

實驗模塊一：新鮮羊肺的充氣觀察實驗，目的是了解肺容納氣體的結構原理，進一步歸納出肺泡位于支氣管的分支（肺泡管）末端、肺泡數量多的結論。

實驗模塊二：切割肺塊與骨骼肌對比實驗，目的是確認肺泡微小數量多、肺內容納氣體、肺內有豐富的毛細血管。

實驗模塊三：制作新鮮羊肺的鑄型標本的觀察實驗，目的是直觀地了解肺內支氣管的分布結構，增強學生對肺內部結構的理解，發展學生結構與功能相適應的生命觀念。

創新后的“觀察哺乳動物的肺”實驗與本實驗應盡可能指向的三點生理或結構特征分析如表2所示。

3.4" 創新與拓展后的實驗原理

本節課的實驗原理為離體的新鮮羊肺保持著適宜肺通氣和氣體交換的結構特征，可以通過充氣觀察、解剖對比觀察、制作鑄型標本觀察發現肺適宜氣體交換的結構特征。

4" 實驗教學過程

4.1" 實驗材料和器具

供試生物材料：新鮮的羊肺、新鮮的羊骨骼肌。

用具和其他材料：解剖盤、解剖剪、鑷子、三腳架、燒杯、塑料打氣筒、雙筒膠槍、一次性PE手套（全程佩戴）、丁腈手套（全程佩戴）、塑料管、氣球、環氧填縫劑。其中，環氧填縫劑是家庭裝修時填補瓷磚縫隙的裝修材料，灌入肺氣管和支氣管后12 h會固化，固化后韌性高、不揮發、不溶解、耐油耐水、無毒害，可以作為制作長期觀察的鑄型標本的原材料。

4.2" 新鮮羊肺的充氣觀察實驗

4.2.1" 新鮮羊肺表面結構觀察

取氣管完好的新鮮羊肺，按從整體到局部的順序觀察氣管與肺。沿著氣管找到支氣管，看清支氣管入肺的位置，觀察肺的表面（披漿膜，光滑濕潤），數清左右兩肺的肺葉。尋找入肺的血管口。

4.2.2" 新鮮羊肺的充氣觀察實驗

用塑料打氣筒對準氣管開口向氣管內打氣，演示氣體進入肺的過程，并觀察肺的變化，如圖2所示。隨后觀察氣體有無從與肺相通的血管開口處排出。引導學生分析：是較粗的支氣管在里面將肺撐大，還是支氣管的分支（肺泡管）末端也充分地容納了氣體？學生通過現象認識到整個肺都在容納氣體，說明支氣管的分支（肺泡管）末端也充分地容納了氣體。

4.2.3" 模擬肺泡囊結構

連接塑料管和氣球，制作示意模型。向塑料管吹氣模擬細支氣管容納氣體的狀態和變化。解釋支氣管的分支（肺泡管）末端也有類似這個（氣球）示意模型的囊泡狀結構，并向學生講解每個肺泡囊約由17個肺泡組成，引入肺泡的概念[4]。

4.3" 切割肺塊與骨骼肌對比實驗

4.3.1" 切割肺塊觀察

1）切割肺塊觀察環節的引入邏輯。根據新鮮羊肺的充氣觀察實驗和模擬肺泡囊結構兩個實驗環節所提出的肺泡概念，延伸出切取肺塊找肺泡的環節。

2）切割肺塊觀察的操作步驟。做新鮮羊肺的充氣觀察實驗時，明顯充分容納了氣體的位置，切取3 cm×3 cm的肺塊，觀察得出肺泡肉眼不可見的結論，以此說明肺泡十分微小。

4.3.2" 肺塊與骨骼肌在水中對比實驗

用鑷子將切下的肺塊與同等大小的羊骨骼肌分別放入盛有清水的燒杯中。肺塊漂浮在水面，而羊骨骼肌沉入水中，可以推測肺內存留了一定的氣體。

4.3.3" 觀察肺塊在水中的變化

靜置水中的肺塊，近距離觀察，可以發現肺塊的周圍有一些紅色的液體緩緩滲出，說明肺內有血液存在。血液一定存在于血管之內，說明肺內有豐富的毛細血管。

4.4" 制作新鮮羊肺的鑄型標本的觀察實驗

4.4.1" 制作新鮮羊肺的鑄型標本

1）制作永久鑄型標本。

①制作準備。取環氧填縫劑的注射管，將管頭切去約1 cm，使注射孔直徑擴大至0.5～1.0 cm。

將環氧填縫劑及其注射管裝入雙筒膠槍。

②灌注填充材料。另取氣管完好的新鮮羊肺，用解剖剪剪斷部分氣管，使與支氣管相連的氣管長度略小于注射管的長度。將雙筒膠槍注射管伸入氣管，管頭對準氣管與支氣管交匯處，隨后將環氧填縫劑注入氣管與交匯處。注射時，一只手攥緊氣管，使環氧填縫劑不易從氣管口溢出。注射滿后，將三腳架放在解剖盤旁，使氣管搭在三腳架內側，防止氣管內的環氧填縫劑流出。隨后靜置12 h（固化成型）。本研究的永久鑄型標本成品如圖3所示。

③剝離鑄型標本。鑄型標本從肺中剝離的方法分為兩種情況。一種是在便于剝離的前提下，制作盡可能分叉多的鑄型標本。在沿氣管注入環氧填縫劑的時候，邊注入邊簡單按壓數次，注入約400 mL（混合固化劑的）環氧填縫劑即可。此種鑄型標本會呈現出支氣管的第四級分支，即小支氣管，可以用解剖剪沿支氣管剪開肺組織并拔出。另一種是在不考慮剝離環節的前提下，制作盡可能分叉多的鑄型標本。在沿氣管注入環氧填縫劑的時候，注入與按壓肺部交替進行，按壓時一手攥緊氣管口（避免溢出），另一只手用力按壓，直至無法注入為止。注入約800～1 000 mL（混合固化劑的）環氧填縫劑。此種情況鑄型標本會呈現出支氣管的第八級分支（約1 mm），即細支氣管。此種標本無法用解剖剪剝離。研究在夏季進行，采用開窗引蠅，約一周時間，蒼蠅幼蟲將肺組織全部吃干凈，可以得到用蒼蠅幼蟲剝離的鑄型標本，如圖4所示。此方法可以最大限度地保護鑄型標本的完整性。

2）制作快速成型鑄型標本。

①制作準備。用膠狀樹脂材料替換掉環氧填縫劑。膠狀樹脂材料，如某玻璃鋼用膠黏劑，黏度約為411 mPa·s（25 ℃），凝膠時間約為10′50″

（25 ℃）。因此，可以在一堂實驗課內完整地完成全部實驗環節。某玻璃鋼用膠黏劑由紅色透明的玻璃鋼用膠黏劑主料和無色透明的固化劑組成。玻璃鋼用膠黏劑成分包括634環氧樹脂、鄰苯二甲酸酐、苯乙烯、3193聚酯樹脂、過氧化苯甲酰。固化劑主要成分為過氧化甲乙酮。凝膠速度快是此材料的最大優勢，但是因其含有苯乙烯（Styrene，C8H8）等有害健康的物質，要謹慎使用。在購買原材料前應謹慎查明其成分組成，選擇更環保、無健康影響的樹脂材料。本研究選用的該款玻璃鋼用膠黏劑僅供分析研究。

②灌注填充材料。灌注時，提前準備好氣管完好的新鮮羊肺。在本研究中，按照玻璃鋼用膠黏劑主料與固化劑的體積比為100∶2～100∶3的配比原則，先取400 mL紅色透明的玻璃鋼用膠黏劑主料作為基礎溶液倒入燒杯中。取10 mL的固化劑加入玻璃鋼用膠黏劑主料，用玻璃棒或小木棒將其攪拌均勻。攪拌均勻后，無須等待，直接將混合后的玻璃鋼用膠黏劑沿氣管灌入新鮮羊肺。灌注后無須按壓。將三腳架放在解剖盤旁，使氣管搭在三腳架內側，防止氣管內的玻璃鋼用膠黏劑流出。需要注意的是，每次添加固化劑時，只可以少量?。ㄈ?00 mL或200 mL）玻璃鋼用膠黏劑主料，各自加入固化劑。如果制作更多的鑄型標本，可以在多個400 mL及以內的燒杯中分別添加固化劑。切忌將固化劑直接加入500 mL及以上的玻璃鋼用膠黏劑主料中，因為混合后的玻璃鋼用膠黏劑總量越多，反應速度越快，放熱溫度越高。

③剝離鑄型標本。用玻璃鋼用膠黏劑制作快速成型鑄型標本。灌注后不按壓的情況下，鑄型標本會呈現出支氣管的第四級分支，即小支氣管。此種情況可以用解剖剪沿支氣管剪開肺組織并拔出。

新鮮羊肺的快速成型鑄型標本成品如圖5所示。

4.4.2" 氣管和支氣管鑄型標本與學生對支氣管分支的固有想象比較

引導學生對氣管和支氣管鑄型標本與樹枝狀進行比較，引導學生從自然選擇的角度分析兩者產生形態結構差異的原因。

5" 實驗效果評價

5.1" 充分利用觀察實驗的多樣技巧，強化學生結構

與功能的生命觀念

通過新鮮羊肺的充氣觀察實驗、肺塊與骨骼肌在水中對比實驗和制作新鮮羊肺的鑄型標本的觀察實驗，學生可以發現肺的結構與肺的氣體交換功能相適應的內在邏輯關系。

5.2" 增強學生開展觀察類實驗的技巧

通過對氣管充氣的方法，還原離體器官在體內的生理過程，讓學生掌握觀察方法。通過制作新鮮羊肺的鑄型標本，呈現器官內部空間結構，讓學生掌握觀察方法。

5.3" 有助于學生理解肺泡數量多、總表面積大的抽象內容

肺泡微小，肉眼不可見，學生不容易找到肺泡數量多的證據。通過制作新鮮羊肺的鑄型標本，學生反饋，支氣管的分支結構比想象中密集。肺在離體狀態下質地與骨骼肌相似，學生不容易觀察到呼吸運動過程中肺容納大量氣體的狀態。利用新鮮羊肺的充氣觀察實驗可以解決這一問題。

6" 結束語

實驗創新需要產生創新的價值。使實驗更有效地服務于概念的構建，是實驗創新的價值之一。概念規定著其內知識的范圍，并包含著其內知識的理性目的和形式[3]。復旦大學馬克思主義研究院原院長吳曉明用八個字概括了批判最原初和最基本的含義：澄清前提，劃定界限。對實驗進行“澄清前提”和“劃定界限”的批判，可以很容易地找到實驗服務于概念構建的不足，并在批判分析中找到創新的路徑。通過對原有實驗的批判，可以形成實驗創新思路，使實驗更有效地服務于概念的構建，促進生物概念教學。

通過對教材原實驗“觀察哺乳動物的肺”的批判，創新提出“新鮮羊肺的充氣觀察實驗”“模擬肺泡囊結構”“肺塊與骨骼肌在水中對比實驗”和“制作新鮮羊肺的鑄型標本”等實驗項目。這些創新項目讓學生觀察到教材學習活動中所不能直觀了解的肺的結構，可以從現象到本質深化學生結構與功能的生命觀念?？偟目磥?，應用批判的方法可以形成實驗創新思路。

7" 參考文獻

[1] 吳曉明.哲學與我們時代的當務之急[C]//上海市社會科學界聯合會.上海學術報告（2014）.上海人民出版社，2015：7.

[2] 北京教育科學研究院.義務教育教科書 生物學 七年級下冊[M].北京：北京出版社，2013：32-33.

[3] 康德.純粹理性批判[M].韓林合，譯.北京：商務印書館，2022：867.

[4] 王玢，左明雪.人體及動物生理學[M].2版.北京：高等教育出版社，2001：249.