自制模型在“人體的運(yùn)動(dòng)”中的應(yīng)用與優(yōu)化

吳冰芳

（蘇州工業(yè)園區(qū)東沙湖實(shí)驗(yàn)中學(xué) 江蘇蘇州 215021）

《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）在實(shí)施建議部分明確提出教師在組織學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以設(shè)計(jì)利用實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的實(shí)驗(yàn)，也可以設(shè)計(jì)利用簡單易得、低成本器具材料的實(shí)驗(yàn)。自制模型是利用生活中的原材料，模擬制作生物模型，從而促進(jìn)學(xué)生對生物體結(jié)構(gòu)和功能的理解，是一種有效的教學(xué)方法?！叭梭w的運(yùn)動(dòng)”是蘇科版初中《生物學(xué)》第十七章第一節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，該節(jié)內(nèi)容涉及到人體八大系統(tǒng)之一——運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。教材在本節(jié)內(nèi)容中安排了長骨的觀察實(shí)驗(yàn)，但是對于組成運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的骨、骨連接、骨骼肌的相互關(guān)系以及三者如何配合完成運(yùn)動(dòng)并沒有安排實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在學(xué)完相關(guān)內(nèi)容后能夠了解骨、骨骼肌、骨連結(jié)的結(jié)構(gòu)，但對三者的功能及相互聯(lián)系無法形成直觀的感受，很難落實(shí)“結(jié)構(gòu)與功能觀”的生命觀念。基于此，筆者結(jié)合教學(xué)實(shí)際，在“人體的運(yùn)動(dòng)”一節(jié)中利用4種自制模型巧妙地解決了本節(jié)課的難點(diǎn)。

1 制作方法

1.1 電子模型的制作

制作材料：希沃白板軟件，自由繪圖技術(shù)，圖片克隆技術(shù)，如圖1所示。

圖1 電子模型1

制作過程：該模型材料中，有人體上肢部分結(jié)構(gòu)，圓點(diǎn)代表連接點(diǎn)，黃色線條代表牛皮筋。學(xué)生可拖動(dòng)白板中的相應(yīng)圖形，構(gòu)建運(yùn)動(dòng)模型，如圖2所示。

圖2 電子模型2

該模型優(yōu)點(diǎn)在于使用方便，操作簡單，一旦發(fā)生錯(cuò)誤，可以一鍵重置，也可反復(fù)多次制作。該模型不足之處在于電子模型為二維圖，缺乏真實(shí)性。學(xué)生無法通過該模型對結(jié)構(gòu)與功能觀形成強(qiáng)烈的感受。

1.2 紙板平面模型的制作

制作材料：瓦楞紙，橡皮筋，鉚釘。

制作過程：學(xué)生按照小組設(shè)計(jì)的電子模型將制作材料進(jìn)行拼裝，然后分組展示手臂的屈肘動(dòng)作，如圖3所示。活動(dòng)中，教師要提醒學(xué)生思考：橡皮筋模擬了人體的什么結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)時(shí)哪個(gè)結(jié)構(gòu)提供了力？通過實(shí)踐，學(xué)生充分了解了骨、骨連接、骨骼肌的功能。

圖3 紙板平面模型

該模型優(yōu)點(diǎn)在于其在電子模型的基礎(chǔ)上，按照電子模型的設(shè)計(jì)，用實(shí)物來建構(gòu)真實(shí)模型，將虛擬變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，使學(xué)生有更真實(shí)的體驗(yàn)。活動(dòng)中，學(xué)生對橡皮筋模擬骨骼肌收縮產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)動(dòng)力、鉚釘模擬關(guān)節(jié)可作為運(yùn)動(dòng)的支點(diǎn)、骨可作為運(yùn)動(dòng)的杠桿等知識(shí)點(diǎn)有了形象而深刻的認(rèn)識(shí)。該模型的不足之處在于其仍為平面模型。學(xué)生在使用該模型時(shí)也會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤操作，如雙手分別握著上臂和前臂，分別使力也會(huì)發(fā)生屈肘或伸肘運(yùn)動(dòng)，因此無法理解運(yùn)動(dòng)的力來自骨骼肌。

1.3 紙質(zhì)可運(yùn)動(dòng)模型

制作材料：瓦楞紙，塑料吸管，剪刀，熱熔膠，熱熔槍，直尺，釣魚線。

制作過程：將右手五指微微張開，手背平貼在瓦楞紙上，用鉛筆沿著手指、手掌及前臂勾勒出形狀，并標(biāo)記各關(guān)節(jié)的位置。用剪刀沿著鉛筆線剪下手部模型，并在標(biāo)記的關(guān)節(jié)處向內(nèi)折疊。另外剪下一個(gè)長15 cm，寬3 cm的長方形瓦楞紙，粘貼在手臂的最上端，作為抓手。將塑料吸管剪成17個(gè)1 cm長、4個(gè)3 cm長的片段，并取用3 cm長的吸管褶皺處，用熱熔膠分別將這些吸管的片段固定在手部模型的不同部位。用釣魚線依次穿過這些吸管，在線的最前端（指尖部）用熱熔膠進(jìn)行固定，在后端將線系成一個(gè)圈，使人的一個(gè)手指能穿過，如圖4所示。稍用力彎曲手指，拉動(dòng)細(xì)線使瓦楞紙的手指彎曲，形成運(yùn)動(dòng)，如圖5所示。

圖4 紙質(zhì)可運(yùn)動(dòng)模型（正面、背面）

圖5 紙質(zhì)可運(yùn)動(dòng)模型

該模型優(yōu)點(diǎn)在于能很好地演示手指彎曲等動(dòng)作，學(xué)生能直觀感受到有了力才能在關(guān)節(jié)處發(fā)生運(yùn)動(dòng)。該模型完成了由平面模型逐步向空間結(jié)構(gòu)模型的轉(zhuǎn)變。該模型的缺點(diǎn)在于設(shè)置的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)不明顯，無法使學(xué)生感受到骨、骨連接和骨骼肌三者的聯(lián)系。

1.4 3D打印模型的制作

制作材料：3D打印機(jī)及材料，3Dmax軟件，釣魚線，釘子。

制作過程：在專業(yè)人士的協(xié)助下，打印出手部各部分骨的模型，然后在關(guān)節(jié)處用釘子將骨連起來并保證能靈活地活動(dòng)。用釣魚線將這些骨依次串聯(lián)并套在大臂和前臂上，利用屈肘時(shí)肘關(guān)節(jié)外側(cè)釣魚線被拉伸的力量引起手指部的彎曲，如圖6所示。

圖6 3D打印模型

該模型優(yōu)點(diǎn)在于能精確到手部的各塊骨，充分顯示各部分的聯(lián)系，使學(xué)生充分理解產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的原因。該模型的缺點(diǎn)在于技術(shù)要求高，需要學(xué)生具備一定的信息技術(shù)技能，3D打印耗時(shí)較長，需提前做好準(zhǔn)備。實(shí)際操作中，3D模型打印的手部零件與實(shí)際手部的骨結(jié)構(gòu)上還是存在一定的差異，需要不斷修改模型參數(shù)，并對模型進(jìn)行打磨。而且3D打印價(jià)格相對較高，無法被全員使用，只能做演示實(shí)驗(yàn)。

2 對模型的反思

2.1 化抽象為形象，培養(yǎng)學(xué)生生命觀念

建模屬于核心素養(yǎng)中“科學(xué)思維”的范疇。模型具有直觀、形象的特點(diǎn)，可以幫助學(xué)生理解較為復(fù)雜的概念，從而有利于培養(yǎng)學(xué)生的生命觀念。從電子模型、紙板平面模型，到紙質(zhì)可運(yùn)動(dòng)模型、3D打印模型等，從平面的描述結(jié)構(gòu)的模型到立體的兼顧結(jié)構(gòu)和功能的模型，教師通過模型的應(yīng)用與優(yōu)化，階梯式地引導(dǎo)學(xué)生逐步深入探索運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)要素及相互關(guān)系，使學(xué)生逐步掌握了生物學(xué)相關(guān)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能特性，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，也有利于培養(yǎng)學(xué)生“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的生命觀念。

2.2 多學(xué)科融合，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)

《課程標(biāo)準(zhǔn)》提出教師要積極組織開展跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生基于真實(shí)的實(shí)踐任務(wù)，綜合運(yùn)用多學(xué)科的知識(shí)和方法，通過小組合作、探究和實(shí)踐等方式實(shí)施，形成物化的學(xué)習(xí)產(chǎn)品和學(xué)習(xí)成果，提高解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。運(yùn)動(dòng)模型的制作過程中融合了物理學(xué)杠桿原理、現(xiàn)代信息技術(shù)、工程學(xué)原理等，學(xué)生在實(shí)踐的過程中能夠意識(shí)到科技向善向上的精神和力量。教具的創(chuàng)新是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神的一種途徑。基于多學(xué)科融合的模型優(yōu)化創(chuàng)新和應(yīng)用過程，能促進(jìn)學(xué)生運(yùn)用模型來分析問題，解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

2.3 制作簡單，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力

以上模型除3D打印模型外，其余制作材料大多比較常見，生活中也比較容易獲得。通過剪裁、拼接等方式，整個(gè)模型制作過程簡單，適合初中生小組合作完成，也適合學(xué)生獨(dú)立完成。電子模型的使用壽命長，可以無限重復(fù)使用，并且可以不斷嘗試新的拼接方式。紙板平面模型中的部件如橡皮筋等老化損壞后可以隨時(shí)更換，價(jià)格也很低廉。紙質(zhì)可運(yùn)動(dòng)模型即使線有脫落現(xiàn)象，用熱熔膠再次固定即可。3D打印模型對學(xué)生技術(shù)要求比較高，但是一旦完成則可永久作為展示模型使用，不易損毀。學(xué)生在制作模型的過程中，還可以加入個(gè)性化的元素，如對模型手臂的裝飾等。學(xué)生動(dòng)手動(dòng)腦，實(shí)踐能力逐步提高。

以上模型在制作及應(yīng)用時(shí)各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際教學(xué)中，可根據(jù)學(xué)生及教學(xué)情況選擇合適的使用。通過多種模型的制作應(yīng)用及優(yōu)化，學(xué)生能夠深刻理解結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。教師在之后的教學(xué)中也可以反復(fù)利用這些模型，最大程度地提高模型的利用率。在實(shí)際教學(xué)過程中，教師應(yīng)創(chuàng)造條件引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模型的制作、優(yōu)化和應(yīng)用，不斷培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。