基于模型建構(gòu)教學(xué)案例

葉丹紅

摘要：模型不僅是傳授科學(xué)知識的媒介，更是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索能力的一種重要手段。本文以浙江版科學(xué)“生物的呼吸”一課為例，圍繞“學(xué)為中心、學(xué)科思想、學(xué)科方法”等理念，通過學(xué)生的體驗、感受、思考討論等形式，教師指導(dǎo)學(xué)生模型建構(gòu)、模擬實驗等活動突破教學(xué)難點。

關(guān)鍵詞：模型構(gòu)建;生物的呼吸;教學(xué)設(shè)計

在初中科學(xué)教學(xué)中，經(jīng)常會遇到一些“只可意會不可言傳”的問題，而這些問題正是因為初中科學(xué)中有大量以識記為基礎(chǔ)的知識，但由于涉及到科學(xué)概念、原理以及規(guī)律都不能在課堂中直觀呈現(xiàn)，學(xué)生缺乏形象直觀的感知而難以理解所造成的。模型建構(gòu)是以簡化和直觀的形式來現(xiàn)實復(fù)雜事物或過程的手段，是科學(xué)研究中常用的重要方法之一[1]。在科學(xué)教學(xué)中，常用的的模型建構(gòu)形式主要有概念模型、物理模型、實驗?zāi)Ｐ汀?shù)學(xué)模型等幾大類。本文通過“生物的呼吸”的教學(xué)設(shè)計，分別就這四種模型在本節(jié)課中的應(yīng)用做一些嘗試和思考。

1 利用概念模型，構(gòu)建知識，幫助學(xué)生理解概念

概念模型是指用文字和符號突出表達對象的主要特征和聯(lián)系的模型。其主要作用是理清生物學(xué)概念之間的獨立關(guān)系、從屬關(guān)系，使分散的概念系統(tǒng)化[2]。在課堂上利用概念模型，展示概念之間的相互聯(lián)系，幫助學(xué)生構(gòu)建知識體系，理解概念，避免死記硬背。

1.1 通過“深呼吸”體驗活動，建立呼吸系統(tǒng)流程圖

情景設(shè)置：今天，能與在座的同學(xué)一起學(xué)習(xí)，老師覺得很高興。但一下子面對這么多陌生的面孔，我覺得有些緊張，同學(xué)們能陪老師一起緩緩嗎？學(xué)生馬上提出可以深呼吸，順勢帶領(lǐng)學(xué)生一起深呼吸，設(shè)置簡單的引導(dǎo)語“可以閉上眼睛，什么都不要想，把注意力放在呼吸上，感受一下氣體慢慢從鼻腔進入我們的身體，在慢慢的呼出來。”利用體驗式情景，引出本節(jié)課題;同時也讓學(xué)生關(guān)注氣體吸入和呼出的過程。

設(shè)置問題：氣體在進出我們身體時，經(jīng)過了哪些結(jié)構(gòu)？

學(xué)生回答：口、鼻、氣管、肺

這里有兩個問題：口是否是呼吸系統(tǒng)的組成部分;還有其他結(jié)構(gòu)嗎，如何尋找證據(jù)？通過討論，學(xué)生認(rèn)識到口主要是食物通道，消化食物的作用，故不是呼吸系統(tǒng)組成部分。體內(nèi)器官無法直接觀察，可以解剖，但無法滿足。大量生物觀察的結(jié)果，可通過圖片呈現(xiàn)，幫助學(xué)生構(gòu)建呼吸系統(tǒng)模型。展示概念流程圖：鼻→咽→喉→氣管→支氣管→肺。

【設(shè)計意圖】：氣體進出，用流程圖表示可幫助學(xué)生建立器官順序，構(gòu)建系統(tǒng)概念，讓學(xué)生理解器官按照一定的順序排列在一起共同完成一種或幾種生理功能。

1.2通過流程圖，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建呼吸概念。

【設(shè)計意圖】：為了讓學(xué)生對呼吸有進一步的理解，尤其是肺和外界環(huán)境的氣體交換和人體與外界環(huán)境的氣體交換是兩個概念，平時呼吸更多指向為肺通氣，而非呼吸。建立呼吸概念圖，采用留白的方式，幫助學(xué)生建立正確的呼吸概念。（如 圖1）

2 利用物理模型，畫圖制作，鍛煉實踐應(yīng)用能力

物理模型是指用簡單的材料通過簡單的方法制作相應(yīng)原理的模型，與生物原型相比，雖然簡單，但方便觀察，也為教學(xué)提供方便[3]。在課堂上，通過物理模型的建構(gòu)和制作，可以培養(yǎng)學(xué)生的實踐探究能力，同時將抽象的知識形象化，讓學(xué)生親身體驗知識的生成。

2.1通過問題設(shè)置，構(gòu)建胸腔模型

引導(dǎo)學(xué)生觀察圖片，幫助學(xué)生認(rèn)識幾個結(jié)構(gòu)：胸廓、肋骨、肋間外肌、橫膈，以及胸廓和橫膈圍成的胸腔。在觀察講解的基礎(chǔ)上，設(shè)置問題：我們能否用最簡單的線條，以畫圖的方式表示胸廓？請以小組為單位，畫出胸腔的正面和側(cè)面圖。這就是一個建模的過程。學(xué)生展示，討論，修正，最后確定了一個最簡潔的胸腔模型。（如圖 2）

【設(shè)計意圖】：教科書上直接呈現(xiàn)物理模型，比較突兀，缺少鏈接，不利于學(xué)生的理解。在教學(xué)過程中，利用建模思想，先展示胸腔結(jié)構(gòu)，再通過畫圖，化繁為簡的方式建立模型，體現(xiàn)了建模的科學(xué)方法，幫助學(xué)生認(rèn)識這種方法，也為實物模型的制作和引入做好鋪墊。

2.2 通過體驗活動，構(gòu)建呼吸運動物理模型

設(shè)置深呼吸體驗活動，幫助學(xué)生認(rèn)識肋骨、胸廓的運動。提出問題：我們是如何吸氣、呼氣的呢？引導(dǎo)學(xué)生思考，如果能有一個像黑板上的實物模型，這樣就可以幫助我們更好認(rèn)識這個過程。提供制作材料：橡皮膜、礦泉水瓶、玻璃管、橡皮筋等材料。引導(dǎo)學(xué)生利教師提供的材料，按照黑板上的設(shè)計，制作實物模型（如圖 3）。通過表格對比，這些材料分別對應(yīng)的是人體的哪些結(jié)構(gòu)？

【設(shè)計意圖】：通過體驗式活動，引導(dǎo)學(xué)生透過現(xiàn)象關(guān)注知識本質(zhì)。通過模型制作，將科學(xué)思想運用于顯性化教學(xué)，向?qū)W生滲透學(xué)科思想，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科思維。

3 利用實驗?zāi)Ｐ?，觀察思考，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力

實驗?zāi)Ｐ陀址Q為模擬實驗，是指通過創(chuàng)建相似的環(huán)境和研究對象，用創(chuàng)建的模型來替代被研究的對象，從而使研究得到研究數(shù)據(jù)或結(jié)果的方法[4]。通過上一個物理模型的構(gòu)建，學(xué)生對模型結(jié)構(gòu)有了清晰認(rèn)識;通過問題，引導(dǎo)學(xué)生動手實踐和思考。

設(shè)置問題：如何讓氣球鼓起來？

學(xué)生通過四人小組，按照自己的設(shè)想開始動手實驗。通過小組匯報，總結(jié)出了二種方法：用嘴吹，拉橡皮膜。引導(dǎo)學(xué)生思考，氣球為什么會鼓起來。通過已有的知識儲備，學(xué)生馬上想到是氣壓的問題。拉橡皮膜，是瓶子內(nèi)的氣體體積增大，壓強減小，大氣壓將氣體壓入氣球，氣球變鼓，是氣球內(nèi)外的壓強差導(dǎo)致氣球變鼓的。

進一步提問：如何讓氣球變癟呢？

通過剛才的體驗，學(xué)生找到了三種方法：用嘴吸，捏瓶子，向上推橡皮膜，總結(jié)三種方法。提問：與我們的吸氣和呼氣比較相似的是？

一開始有學(xué)生說用嘴巴吹吸，但立馬被其他同學(xué)否定了，這是人工輔助呼吸的方式，因為正常呼吸時無需借助外力。得出捏放礦泉水瓶和推拉橡皮膜更接近人體的呼吸的結(jié)論。

追問：這兩種方式與我們真實的呼吸運動有什么區(qū)別？

通過討論，學(xué)生明白在實驗中是用外力改變塑料瓶內(nèi)氣體體積，但在真實呼吸運動中，我們是如何改變胸腔內(nèi)氣體體積呢？對照物理模型，學(xué)生很容易想到膈肌和肋間肌的收縮和舒張，產(chǎn)生了使肋骨和胸廓運動的動力。通過流程圖，展示呼吸運動過程。

【設(shè)計意圖】：通過實驗?zāi)Ｐ?，設(shè)置問題，循序漸進，逐步引導(dǎo)，將不可見的過程呈現(xiàn)在學(xué)生面前，將抽象原理可視化，大大降低學(xué)生理解難度，有利于清晰糾正學(xué)生模糊、錯誤的一些認(rèn)識。

4 建構(gòu)數(shù)學(xué)模型，數(shù)形結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生分析能力

數(shù)學(xué)模型是根據(jù)研究對象特有的內(nèi)在規(guī)律，做出一些必要的簡化假設(shè)，運用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具，得到一個數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。其中最常用的方式是利用數(shù)學(xué)關(guān)系，建立圖像。在本課中，利用數(shù)字傳感器，將模擬實驗中瓶內(nèi)氣壓和時間的變化關(guān)系，展示在學(xué)生面前。（如圖 5）

【設(shè)計意圖】：通過傳感器，呈現(xiàn)數(shù)據(jù)動態(tài)直觀采集過程，再將數(shù)據(jù)合成圖像，學(xué)生可清晰的從屏幕中看到氣壓隨時間的變化的關(guān)系。通過數(shù)學(xué)模型的建構(gòu)，加深了學(xué)生對呼吸運動過程中氣壓變化的理解，更重要的是滲透數(shù)學(xué)方法，尤其是在這部分?jǐn)?shù)學(xué)知識不具備的情況下，將原有知識轉(zhuǎn)化為簡單的數(shù)學(xué)圖像，幫助學(xué)生理解圖像的由來，使學(xué)生的圖像學(xué)習(xí)能力和方法得到了提升。

5總結(jié)和思考

通過這次的教學(xué)過程，在科學(xué)教學(xué)中積極運用模型構(gòu)建，有利用學(xué)生的知識構(gòu)建，有利于動手能力的提升，有利于科學(xué)探究能力的培養(yǎng)，以及思維能力的提高，但仍然存在一些問題值得總結(jié)和思考。

首先，模型構(gòu)建需要了解原型本質(zhì)，再將原型簡化抽象，并進行邏輯轉(zhuǎn)化，從而構(gòu)建一個能體現(xiàn)原型本質(zhì)的模型。這對初中生來說，由于認(rèn)知水平有限，具有一定的難度，也對教師提出了更高的要求。在本節(jié)課中，本人采用畫圖的方式，通過觀察講解引導(dǎo)學(xué)生畫出胸腔模型，設(shè)置這樣的一個思維臺階，更貼近初中學(xué)生，也為物理模型的制作奠定了基礎(chǔ)。

其次，模型構(gòu)建雖然能呈現(xiàn)復(fù)雜的生物現(xiàn)象，但不是絕對的等同，在教學(xué)過程中要讓學(xué)生認(rèn)識到模型和原型的區(qū)別。在本節(jié)課中，通過設(shè)置問題，對比模型和真實情況，讓學(xué)生了解呼吸運動的動力來源，以及橫膈的變化情況。再好的模型也有它的局限性，在認(rèn)知的過程中，需要不斷的改進和修正，使之更貼近原型本質(zhì)。

再次，模型構(gòu)建是我們初中科學(xué)學(xué)習(xí)中最常用的方法之一。通過本節(jié)課的嘗試，能否將這種方法進一步提煉，讓它適用更多更廣泛的教學(xué)過程中。

參考文獻：

[1]譚永平.高中生物學(xué)新課程中的模型、模型方法及模型建構(gòu)[J].生物學(xué)教學(xué)，2009，（1）：10-12

[2]程建軍.關(guān)于新課程標(biāo)準(zhǔn)下的高中生物“模型建構(gòu)”的教學(xué)思考[J].教育教學(xué)論壇，2010，（17）：97-98

[3]陳紅.對“模型建構(gòu)”的教育價值反思與再認(rèn)識[J].福建基礎(chǔ)教育研究，2009，（11）：46-47

[4]陳衛(wèi)東.模型建構(gòu)在高中生物新課程教學(xué)中的運用[J].教學(xué)與管理，2011，（4）：69-71