基于STEAM教育理念制作膝跳反射模型

林曉玲 肖冬燕 李剛 朱慧 劉靜怡

摘? 要 基于STEAM教育理念制作膝跳反射模型注重各個(gè)領(lǐng)域知識(shí)的結(jié)合，聯(lián)系生物、化學(xué)、物理學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，直觀展示反射弧的五部分結(jié)構(gòu)及模擬反射活動(dòng)的過程，并利用該模型探究反射弧某一部分結(jié)構(gòu)受損對(duì)反射活動(dòng)的影響。在課堂中利用該模型進(jìn)行探究，可幫助學(xué)生在推導(dǎo)出抽象結(jié)論、突破重難點(diǎn)的同時(shí)提高科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 STEAM教育；膝跳反射模型；生物學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.91? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）13-0021-03

0? 引言

生物學(xué)科核心素養(yǎng)重視對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)，注重學(xué)生分析能力、推理能力、歸納能力和解決問題能力的提高[1]。膝跳反射模型以STEAM教育理念作為基礎(chǔ)，有機(jī)結(jié)合生物、化學(xué)、物理學(xué)科的知識(shí)[2]，可以模擬膝跳反射活動(dòng)過程。利用該模型探究“反射弧某一部分結(jié)構(gòu)受損對(duì)反射活動(dòng)能否完成的影響”，將學(xué)生不可見的、抽象的過程轉(zhuǎn)化成直觀的、可操作的過程，將復(fù)雜的反射機(jī)制用模型進(jìn)行演示，學(xué)生可以在活動(dòng)中推導(dǎo)、感知課本中“反射活動(dòng)需要完整的反射弧來實(shí)現(xiàn)”的結(jié)論，促進(jìn)思維發(fā)展。

1? 功能說明[3]

生物學(xué)教學(xué)過程中通常會(huì)采用模型使抽象的知識(shí)具體化。膝跳反射是學(xué)生所接觸的最為簡單的反射活動(dòng)，雖然可以在課堂上組織學(xué)生感受膝跳反射的活動(dòng)，但這個(gè)過程存在兩個(gè)不足之處：一是初中生對(duì)反射弧是完成反射活動(dòng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及反射活動(dòng)的過程并不了解；二是組織初中生在課堂上進(jìn)行膝跳反射活動(dòng)所耗費(fèi)的時(shí)間比較多。

而膝跳反射模型清晰可以直觀地展示反射弧的五部分結(jié)構(gòu)，首先深化學(xué)生對(duì)反射弧五部分結(jié)構(gòu)的了解，同時(shí)使學(xué)生清楚地認(rèn)識(shí)到反射弧是完成反射的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；其次，在使用模型的過程中，學(xué)生可以通過探究活動(dòng)直觀地觀察、了解反射弧完成反射活動(dòng)的過程，實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”。

2? 制材作料

制作材料見圖1～圖8。

3? 設(shè)計(jì)思路及原理

3.1? 設(shè)計(jì)思路

初中學(xué)生的特點(diǎn)是形象思維發(fā)達(dá)，但抽象思維不夠完善，對(duì)抽象理論的理解不夠深刻。在“神經(jīng)調(diào)節(jié)的基本方式”這一節(jié)中，反射弧的結(jié)構(gòu)、反射活動(dòng)的過程以及“反射活動(dòng)需要完整反射弧來實(shí)現(xiàn)”這一結(jié)論比較抽象。膝跳反射模型將通過直觀可見的化學(xué)顏色反應(yīng)，引導(dǎo)學(xué)生理解反射弧這一重要概念[4]，并設(shè)計(jì)活動(dòng)由學(xué)生小組進(jìn)行合作探究：反射弧某一結(jié)構(gòu)受損對(duì)反射活動(dòng)的影響。學(xué)生通過動(dòng)手得出結(jié)果并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，突破對(duì)抽象理論“反射活動(dòng)需要完整的反射弧來實(shí)現(xiàn)”的理解。

3.2? 設(shè)計(jì)原理

1）呈堿性的蘇打溶液遇到酚酞溶液會(huì)變紅。

2）碳酸鈉與過量醋酸反應(yīng)的化學(xué)方程式：

Na2CO3+2CH3COOH==2CH3COONa+CO2↑+H2O

碳酸鈉與少量醋酸反應(yīng)的化學(xué)方程式：

Na2CO3+CH3COOH==CH3COONa+NaHCO3

3）在“效應(yīng)器”中裝入含有酚酞、蘇打溶液和過量醋的混合液，刺激“感受器”（推動(dòng)注射器），空氣經(jīng)由“傳入神經(jīng)”后將“神經(jīng)中樞”中的蘇打溶液壓入“傳出神經(jīng)”，最終進(jìn)入“效應(yīng)器”，使其中溶液先變紅再褪色，模擬膝跳反射的過程。同理，“大腦”中的溶液先變紅后又褪色，模擬由“神經(jīng)中樞”傳出的沖動(dòng)信號(hào)刺激“大腦”產(chǎn)生感覺。

4? 制作步驟[5]

4.1? 調(diào)配試劑

1）調(diào)配蘇打溶液，裝于“神經(jīng)中樞”。

2）調(diào)配酚酞、蘇打溶液和過量醋的混合溶液，裝于“效應(yīng)器”和“大腦”。（注意：混合溶液為加入酚酞的醋酸-醋酸鈉緩沖溶液，以更好地觀察先變紅再褪色的效果。）

4.2? 材料組裝

1）用注射器模擬“感受器”，在“傳入神經(jīng)”和“傳出神經(jīng)”之間用密閉容器模擬“神經(jīng)中樞”，用玻璃瓶子模擬“效應(yīng)器”和“大腦”，用硅膠軟管模擬“傳入神經(jīng)”和“傳出神經(jīng)”。

2）在紙盒上的合適部位打孔，將模擬反射弧各部分結(jié)構(gòu)的材料和鎖水夾連接、組裝成模型，并貼上標(biāo)簽紙和圖案，其中用鎖水夾的閉合來模擬相應(yīng)結(jié)構(gòu)的損壞（圖9）。

4.3? 預(yù)實(shí)驗(yàn)

調(diào)試模型，通過模擬效應(yīng)器的瓶子溶液變紅來模擬產(chǎn)生效應(yīng)；通過模擬“大腦”的瓶子溶液變紅模擬產(chǎn)生感覺，保證學(xué)生能夠直觀觀察到結(jié)果。

5? 模型使用說明

5.1? 推動(dòng)注射器模擬刺激感受器

空氣被壓入管內(nèi)模擬沖動(dòng)信號(hào)在“傳入神經(jīng)”上傳導(dǎo)，再經(jīng)由其傳到“神經(jīng)中樞”，將其內(nèi)的蘇打溶液壓出，模擬沖動(dòng)信號(hào)在反射弧上的傳導(dǎo)和傳遞。最后，蘇打溶液“傳出神經(jīng)”傳到代表效應(yīng)器和大腦的瓶子中，若是“效應(yīng)器”和“大腦”中液體變紅，則代表產(chǎn)生效應(yīng)和產(chǎn)生感覺（圖10）。此過程可以深化學(xué)生對(duì)反射弧結(jié)構(gòu)的理解，清晰直觀地展示反射活動(dòng)經(jīng)過反射弧來完成，學(xué)生形成認(rèn)知：反射弧是反射活動(dòng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。同時(shí)，學(xué)生可以直接觀察到?jīng)_動(dòng)信號(hào)在反射弧上的傳導(dǎo)和傳遞是具有一定方向性的。

5.2? 該模型還可以被用來探究“反射弧某一結(jié)構(gòu)對(duì)反射活動(dòng)的影響”

教師可以先進(jìn)行示范：將注射器破壞模擬“感受器”損壞，再刺激“感受器”。學(xué)生進(jìn)行觀察和記錄。剩余其他四個(gè)部分則組織學(xué)生進(jìn)行小組合作探究，通過關(guān)閉各個(gè)相應(yīng)結(jié)構(gòu)上的鎖水夾的方式，模擬對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的損壞。教師可以將學(xué)生分成四個(gè)小組進(jìn)行合作探究，學(xué)生結(jié)合所有探究結(jié)果進(jìn)行分析、推導(dǎo)出結(jié)論，突破重難點(diǎn)（表1）。在此過程中，教師需要做的是引導(dǎo)學(xué)生利用這個(gè)模型進(jìn)行模擬探究，組織學(xué)生在使用模型的同時(shí)深化對(duì)知識(shí)的認(rèn)識(shí)，突出學(xué)生的主體地位以及教師的主導(dǎo)地位，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力、分析和解決問題能力，增強(qiáng)學(xué)生的合作意識(shí)。

6? 思考與改進(jìn)方向

6.1? 該模型的突出優(yōu)點(diǎn)

1）基于STEAM教育理念和生物學(xué)科核心素養(yǎng)的要求，該模型將各學(xué)科知識(shí)進(jìn)行融合，巧妙地利用蘇打溶液遇酚酞變紅，醋酸溶液又可以使其褪色的原理，將復(fù)雜的生理機(jī)制轉(zhuǎn)化成直觀現(xiàn)象，將抽象的理論知識(shí)實(shí)驗(yàn)化，讓學(xué)生在直觀感受和探究的過程中深化對(duì)知識(shí)的理解。

2）該模型基于簡單的化學(xué)和物理原理，采用生活中隨處可見的醋和蘇打作為材料，既安全又貼近學(xué)生的實(shí)際生活，可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造和創(chuàng)新意識(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生在生活中發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中感受知識(shí)。

3）學(xué)科與學(xué)科之間不是相互獨(dú)立的?；赟TEAM教育理念的要求，在制作過程中，本模型運(yùn)用了物理學(xué)科中氣壓的相關(guān)知識(shí)；在效果上，本模型結(jié)合化學(xué)顏色反應(yīng)的相關(guān)知識(shí)，通過常見的顏色反應(yīng)直觀演示反射活動(dòng)的過程，將反射過程可視化，符合新課標(biāo)學(xué)科交融的要求。

4）通過學(xué)生動(dòng)手合作探究“反射弧某一結(jié)構(gòu)受損對(duì)反射活動(dòng)的影響”，從而將課本中理論“反射活動(dòng)需要完整的反射弧來實(shí)現(xiàn)”實(shí)驗(yàn)化、探究化，促使學(xué)生在動(dòng)手過程中分析和解決問題，提高學(xué)生的分析能力和促進(jìn)其科學(xué)思維的發(fā)展。

6.2? 該模型也存在一些不足，日后將從以下方向進(jìn)行改進(jìn)

1）該模型只能觀察到反射弧單個(gè)結(jié)構(gòu)損壞后對(duì)反射活動(dòng)造成的影響，探究內(nèi)容較為單一。日后可以對(duì)該模型進(jìn)行改進(jìn)，尋找更合適的材料進(jìn)行替換，從而使得模型可以從傳入神經(jīng)、神經(jīng)中樞到傳出神經(jīng)或者是效應(yīng)器開始進(jìn)行刺激，引導(dǎo)學(xué)生探索在各類可能發(fā)生的情況下反射活動(dòng)的完成情況，進(jìn)而得出結(jié)論，突出學(xué)生的主體地位。

2）思考課堂結(jié)束之后模型該如何處理，該模型在選材方面可以進(jìn)一步完善：紙箱和紙板容易受潮發(fā)霉，在日后對(duì)模型的改進(jìn)過程中可以考慮采用更好的、更便于保存的材料來替代紙箱。

3）在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)紙箱原本的顏色（暗黃色）不利于學(xué)生觀察，日后可以在模型的表面附上白紙，將模型的背景改成白色，利于學(xué)生觀察顏色變化。

參考文獻(xiàn)

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