蔡營營+吳菱+張鋒

摘 要 依托類比模型的建模教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建“呼吸運(yùn)動(dòng)”模型，將抽象知識(shí)形象化、具體化，進(jìn)而加強(qiáng)學(xué)生的理解。

關(guān)鍵詞 類比模型 建模教學(xué) 呼吸運(yùn)動(dòng)

中圖分類號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

建模教學(xué)是涉及模型構(gòu)建、評(píng)價(jià)和修正的教學(xué)。主要表現(xiàn)在引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)知識(shí)、減輕認(rèn)知負(fù)擔(dān)、促進(jìn)形成科學(xué)概念、調(diào)動(dòng)良好的課堂氣氛等方面。類比模型是一種重要的模型，其建模教學(xué)通常包括明確建模目的、選擇模型表達(dá)方式、建構(gòu)模型、評(píng)價(jià)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃托拚Ｐ臀鍌€(gè)步驟。下面以人教版生物學(xué)七年級(jí)下冊(cè)“發(fā)生在肺內(nèi)的氣體交換”一節(jié)中“呼吸運(yùn)動(dòng)”的模型建構(gòu)活動(dòng)為例，嘗試闡明構(gòu)建類比模型在建模教學(xué)的應(yīng)用。

1 類比模型的教學(xué)價(jià)值

趙萍萍等人認(rèn)為，類比模型就是基于相似屬性，用人們熟悉的事物類比和表征不熟悉的事物。在類比中，被表征的事物稱為“目標(biāo)”，用于類比的事物稱為“資源”，資源和目標(biāo)之間存在著相似或不同屬性。常見有簡(jiǎn)單類比、豐富類比和擴(kuò)展類比三類。這些模型通常是事物某些方面的簡(jiǎn)化或放大，即表征事物的某些方面，而非全部。在類比模型的建模教學(xué)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與，動(dòng)手操作，通過體驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪\(yùn)作過程，進(jìn)而理解原型的屬性特點(diǎn)或某種機(jī)制。

2 類比模型的教學(xué)嘗試

2.1 明確建模目的

根據(jù)《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）》（以下簡(jiǎn)稱《課標(biāo)》），本節(jié)的教學(xué)目標(biāo)為“概述肺與外界的氣體交換過程”及“概述肺泡與血液的氣體交換過程”。其中，肺與外界的氣體交換過程是本節(jié)的重難點(diǎn)，因?yàn)樾乩莘e的變化和氣壓的關(guān)系涉及物理知識(shí)，學(xué)生沒有相關(guān)的知識(shí)儲(chǔ)備，難以理解；學(xué)生剛剛開始學(xué)習(xí)人體的結(jié)構(gòu)機(jī)能，對(duì)不能用眼睛直接看到的事物存在求知退縮心理。

傳統(tǒng)教學(xué)通常是教師演示已有的教具模型或播放演示視頻等，學(xué)生只能通過觀看演示獲得短暫的感性理解，記憶不深刻，不能有效地將前概念轉(zhuǎn)化成科學(xué)概念。建模教學(xué)可引導(dǎo)學(xué)生用熟悉的事物自主構(gòu)建并演示模型，在操作過程中將膈肌的運(yùn)動(dòng)、容積與氣壓的關(guān)系等知識(shí)化抽象為形象，進(jìn)而逐步化解難點(diǎn)，減輕認(rèn)知負(fù)擔(dān)，形成科學(xué)概念。

2.2 選擇表達(dá)方式

類比模型以相似的普遍性為基礎(chǔ)，追求模型與原型的“神似、形似”，因此可根據(jù)原型的屬性和特點(diǎn)，用簡(jiǎn)易的實(shí)物、圖片或影像等來構(gòu)建模型。在“呼吸運(yùn)動(dòng)”中，教師可用透明塑料瓶、橡膠手套、小氣球、透明吸管分別類比胸廓、膈肌、肺和氣管，并在建構(gòu)靜態(tài)模型的基礎(chǔ)上，用動(dòng)態(tài)演繹的形式表達(dá)模型的運(yùn)作過程。

2.3 FAR策略指導(dǎo)模型建構(gòu)

FAR是基于劉恩山等提出的幫助教師和學(xué)生有效構(gòu)建和使用類比模型的指導(dǎo)策略，包括三個(gè)步驟：聚焦、行動(dòng)、反思。

（1） 聚焦：主要發(fā)生在課前備課或課堂早期，教師要對(duì)所學(xué)新知識(shí)整體有充分的把握，在了解學(xué)生學(xué)情的基礎(chǔ)上，判斷新知識(shí)是否抽象或難以理解，學(xué)生是否熟悉即將構(gòu)建的類比模型。學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了呼吸系統(tǒng)的組成，知道了膈肌、肺部、氣管和支氣管的位置，對(duì)用于構(gòu)建模型的塑料瓶等事物比較熟悉，可采用這些事物進(jìn)行類比。教師可設(shè)計(jì)若干問題進(jìn)行前概念調(diào)查，以明確學(xué)生的前概念和錯(cuò)誤概念，以便在建模過程中有側(cè)重地引導(dǎo)和糾偏。如氣體進(jìn)入肺部經(jīng)由哪些器官？呼出氣體時(shí)，胸廓擴(kuò)大還是縮??？膈肌怎樣運(yùn)動(dòng)？吸進(jìn)氣體時(shí)，胸廓擴(kuò)大還是縮??？膈肌怎樣運(yùn)動(dòng)？先有呼吸，還是先發(fā)生呼吸運(yùn)動(dòng)？

（2） 行動(dòng)：行動(dòng)的基礎(chǔ)是引導(dǎo)學(xué)生觀察、總結(jié)模型與所類比概念的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，進(jìn)而用相應(yīng)的表征方式進(jìn)行模型建構(gòu)?？紤]到學(xué)生收集材料的便利性，選擇常見的替代性強(qiáng)的建模用具，如透明塑料瓶（帶瓶蓋）、剪刀、膠帶、小氣球、大氣球，粗吸管。

學(xué)生以小組為單位，用課前收集到的模型材料在教師指導(dǎo)下制作模型（圖1）：將透明塑料瓶底部整齊剪下，瓶蓋鉆出吸管管口大小的孔；將吸管的一端套上小氣球，切勿漏氣；吸管另一端從塑料瓶底部向上通過瓶蓋孔徑，用可溶膠封住縫隙；將大氣球剪成片狀做成橡膠膜，封住塑料瓶底部，用膠帶封住邊緣部分，確保裝置密閉；不做密閉處理的裝置向下拉動(dòng)橡皮膜時(shí)，氣球無明顯變化。

完成模型制作后，學(xué)生先介紹模型和原型的關(guān)系，即能指出塑料瓶類比整個(gè)胸廓，橡皮膜類比膈肌，吸管類比氣管，小氣球類比肺部。介紹模型的過程也是學(xué)生對(duì)胸廓內(nèi)部結(jié)構(gòu)的再認(rèn)識(shí)過程，為下一步模型的演示提供扎實(shí)的認(rèn)知基礎(chǔ)?！墩n標(biāo)》強(qiáng)調(diào)生物學(xué)知識(shí)與現(xiàn)實(shí)生活的聯(lián)系，倡導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用生物學(xué)的原理和方法解決生活中的問題。所以本節(jié)課中，教師設(shè)置了比較常見的醫(yī)學(xué)狀況及急救措施的模型演示，旨在增加學(xué)生的生活常識(shí)，提高學(xué)習(xí)興趣。

演示正常呼吸：靜置的模型雖有氣體流動(dòng)，但氣球不會(huì)變大。將橡膠膜向下拉，觀察塑料瓶?jī)?nèi)小氣球鼓起膨脹，發(fā)生吸氣運(yùn)動(dòng)；放開橡膠膜，使其恢復(fù)原位，氣球也恢復(fù)原來狀態(tài)，即發(fā)生呼氣運(yùn)動(dòng)。學(xué)生演示后，用自己的語言描述模型對(duì)應(yīng)的原型，即人體正常呼吸時(shí)，膈肌收縮（舒張）與肺部吸氣（呼氣）的關(guān)系。

演示異物堵塞氣管（海默立克急救法）：將接近于吸管孔徑的棉團(tuán)塞進(jìn)吸管內(nèi)，模擬異物堵塞氣管的情況。向下拉橡皮膜，觀察氣球大小，若無變化，則表示堵塞，即窒息。海默立克急救法是在異物堵塞氣管時(shí)，用雙手向內(nèi)向上擠壓腹部膈肌，產(chǎn)生向上壓力，壓迫兩肺上部，利用肺部殘留氣體，形成氣流沖出異物。學(xué)生利用模型演示海默立克急救法，即用手不斷向內(nèi)擠壓橡皮膜和瓶身，觀察氣球的變化及紙團(tuán)的位置。

（3） 反思：學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解程度直接體現(xiàn)了模型的建構(gòu)是否有價(jià)值，表現(xiàn)在能否將前概念成功轉(zhuǎn)化成科學(xué)概念。教師可讓學(xué)生重新回答前概念調(diào)查問卷中的問題并增加難度稍大的問題，在問答過程中檢驗(yàn)學(xué)生的理解及概念轉(zhuǎn)換情況，引導(dǎo)學(xué)生形成科學(xué)概念。

如，師：吸氣運(yùn)動(dòng)是怎樣完成的？

生：由膈肌收縮完成的。

實(shí)際上，吸氣運(yùn)動(dòng)主要有膈肌和肋間外肌收縮完成的。但由于模型只是簡(jiǎn)易的膈肌運(yùn)動(dòng)模型，很容易使學(xué)生產(chǎn)生誤解，認(rèn)為吸氣只有膈肌收縮，在此教師應(yīng)對(duì)模型之外的知識(shí)進(jìn)行補(bǔ)充。endprint

師：氣體進(jìn)入肺部的物理原理是什么？

生：內(nèi)外壓力不一樣。

由于學(xué)生缺乏相應(yīng)的物理知識(shí)，語言描述不準(zhǔn)確，教師需規(guī)范學(xué)生回答：膈肌收縮時(shí)胸腔體積增大，由于胸腔密閉，氣體濃度降低，即壓強(qiáng)變小，低于外界大氣壓，空氣由高濃度流向低濃度，順此壓差進(jìn)入肺部。

師：膈肌收縮和舒張時(shí)在胸廓中相對(duì)位置哪個(gè)高？

生：收縮（有的學(xué)生回答舒張）。

回答舒張的學(xué)生就是被模型中的橡皮膜所迷惑，主觀直覺舒張是向下擴(kuò)張，收縮是向上縮緊。這時(shí)，教師應(yīng)解釋胸廓圖：膈肌并不像橡膠膜那樣平展，而是向上拱起，吸氣時(shí)膈肌收縮，表面積減少，自然向下縮緊，呼氣則相反。

2.4 評(píng)價(jià)和修正模型

采用小組互評(píng)和自評(píng)的方式對(duì)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出模型的缺點(diǎn)和局限性，并對(duì)模型的改進(jìn)提出意見。模型修正過程也是學(xué)生拓展思維、加深理解的過程，教師可通過提出問題啟發(fā)學(xué)生思考。如在模型演示過程中，教師要求學(xué)生思考使壓力變化直觀化和定量化的方法。學(xué)生會(huì)想到用儀器測(cè)量等方法，但對(duì)測(cè)量的方法原理并不熟悉，需要教師進(jìn)行適當(dāng)解釋。得到在學(xué)生思考成果的基礎(chǔ)上補(bǔ)充完善，從而幫助學(xué)生修正模型。

第二個(gè)演示完成后，教師可繼續(xù)提問：保持肺泡膨脹的必要條件是胸內(nèi)負(fù)壓，當(dāng)胸壁穿透可造成氣胸，引起呼吸困難甚至死亡，模型可以演示消去胸內(nèi)負(fù)壓和氣胸嗎？由于簡(jiǎn)易模型限制較多，學(xué)生在無法演示這兩種情況時(shí)便產(chǎn)生了繼續(xù)探究的欲望，并積極思考如何改進(jìn)模型。教師可在學(xué)生集思廣益時(shí)，進(jìn)行啟發(fā)和引導(dǎo)，如簡(jiǎn)易模型抽象化，并增設(shè)一個(gè)T型管，一端連接測(cè)量壓強(qiáng)的U型管裝置，另一端用膠帶封閉以控制瓶?jī)?nèi)氣壓，形成膈肌運(yùn)動(dòng)的改進(jìn)模型（圖2）。教師利用改進(jìn)模型引導(dǎo)學(xué)生解釋氣胸時(shí)的氣壓變化原因：向下拉動(dòng)橡皮膜，氣球變大，撕掉T型管口的膠帶，瓶外空氣進(jìn)入瓶?jī)?nèi)造成內(nèi)部氣壓變大，大于氣球內(nèi)壓力，氣球變小，胸內(nèi)負(fù)壓消失；氣胸是胸膜破裂后，氣體進(jìn)入胸腔導(dǎo)致胸腔積氣，壓迫肺部，造成呼吸困難甚至死亡。

在此基礎(chǔ)上，教師可進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生觀察記錄演示前后U型管液面數(shù)值的變化，通過計(jì)算壓強(qiáng)差來領(lǐng)會(huì)呼吸運(yùn)動(dòng)時(shí)壓強(qiáng)的變化。學(xué)生因此體驗(yàn)了收集證據(jù)和數(shù)據(jù)、用證據(jù)和數(shù)據(jù)來分析解決問題的過程，修正后的模型有助于學(xué)生對(duì)于概念內(nèi)涵的理解。

3 建模教學(xué)的意義

針對(duì)同一概念，采用學(xué)生親自動(dòng)手探究的教學(xué)策略比單純教師演示的教學(xué)策略能更有效地幫助學(xué)生轉(zhuǎn)變并形成科學(xué)概念。類比模型作為初中生物學(xué)眾多模型中的一種，在幫助學(xué)生建構(gòu)和理解知識(shí)時(shí)發(fā)揮著重要作用。它能改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，使學(xué)生主動(dòng)參與，積極思考，動(dòng)手實(shí)踐，使學(xué)生真正融入到教學(xué)過程中，充分體會(huì)概念的建構(gòu)過程，內(nèi)化知識(shí)并提升理性思維。

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