朱從義

摘 要：生物學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，人教版初中生物學(xué)部分實驗存在難度較大、日常操作不便、難以普及的問題。文章以七年級下冊“發(fā)生在肺內(nèi)的氣體交換”實驗為例，基于生活化的理念進(jìn)行了創(chuàng)新模型建構(gòu)，使用生活中常見材料自制儀器改進(jìn)實驗。改進(jìn)后儀器直觀簡潔，實驗現(xiàn)象明顯，更好地幫助學(xué)生理解肺內(nèi)氣壓變化這一抽象概念，更好地構(gòu)建科學(xué)思維，培養(yǎng)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：初中生物；生活化；實驗教學(xué)；實驗儀器

生物學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，因此，實驗探究是幫助學(xué)生理解生物相關(guān)理論知識、培養(yǎng)學(xué)生動手操作能力和實驗驗證能力、培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，進(jìn)而提升學(xué)生生物學(xué)科核心素養(yǎng)的重要手段。但人教版初中生物學(xué)部分實驗器材專業(yè)化，存在使用難度較大、日常操作不便、難以普及的問題，不利于學(xué)生掌握。因此，如何推進(jìn)實驗儀器的生活化，讓更多學(xué)生切身感受實驗過程，提高生物學(xué)學(xué)科素養(yǎng)，實現(xiàn)生物學(xué)實驗的生活化、普及化、常態(tài)化，成為生物實驗教學(xué)發(fā)展的重要課題?；谝陨蠁栴}，本文將以“呼吸運動”為例，通過構(gòu)建實驗創(chuàng)新模型，探討如何推進(jìn)生物實驗的生活化。

一、教材實驗分析

（一）相關(guān)知識簡介

呼吸運動即肺與外界的氣體交換，它的動力來自于呼吸?。ɡ唛g外肌和膈肌）的收縮和舒張?！读x務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》（以下簡稱“課標(biāo)”）將人的呼吸列入十大主題之一的“生物圈中的人”中，其中要求學(xué)生能夠“描述人體呼吸系統(tǒng)的組成，概述發(fā)生在肺部及組織細(xì)胞處的氣體變換過程，驗證人體呼出的氣體中含有較多的二氧化碳”。

人教版七年級下冊生物學(xué)第四單元第三章第二節(jié)“發(fā)生在肺內(nèi)的氣體交換”介紹了“膈肌運動與呼吸有什么關(guān)系”演示實驗，旨在通過一個簡單的模擬實驗，幫助學(xué)生掌握膈肌的收縮與舒張和肺內(nèi)氣體氣壓變化及氣體進(jìn)出肺部的關(guān)系。

（二）教材實驗具體情況

教材中的實驗裝置如圖1所示：運用模型模擬人體肺部大致結(jié)構(gòu)，玻璃罩模擬胸廓，玻璃管模擬氣管、支氣管，氣球模擬肺，底部橡皮膜模擬膈。

第一步：向上推模擬膈肌的橡皮膜，橡皮膜舒張，膈頂上升。此時會看到代表胸廓的玻璃罩內(nèi)體積變小，同時代表肺的2個氣球體積也變小了。

第二步：放松模擬膈肌的橡皮膜，橡皮膜收縮，膈頂下降。此時會看到代表胸廓的玻璃罩內(nèi)體積變大，同時代表肺的2個氣球體積也變大了。

通過兩步實驗，學(xué)生看到代表膈肌的橡皮膜，帶動肺內(nèi)氣體運動，從而產(chǎn)生呼吸運動，借此理解“肺與外界怎樣進(jìn)行氣體交換”。

（三）實驗問題分析

1. 實驗裝置不方便操作和維護(hù)

無論是實驗材料還是操作，都給操作的人員帶來一定不便，對實驗的普及產(chǎn)生極大影響。

該實驗使用的材料——橡皮膜，由于材質(zhì)本身限制，容易老化、風(fēng)化而導(dǎo)致使用壽命較短。為避免這一問題出現(xiàn)，一般會在使用過后拆下來放在玉米淀粉中保存，這在一定程度上增加了實驗的工序。此外，由于大塊的橡皮膜不易購買，材料采購的限制，影響了實驗的開展。

每次實驗開始，都需要再次將橡皮膜固定在圓形玻璃罩上，要求氣密性要好，否則容易導(dǎo)致實驗失敗。由于實驗裝置體積大，橡皮膜不易固定，教師或?qū)W生操作時往往花很長的時間，這種操作的不便也影響到了實驗的順利開展。

2. 實驗對真實生物學(xué)現(xiàn)象解釋不全面

實驗通過模擬膈肌運動對肺內(nèi)氣體的影響，形象地說明了膈肌對呼吸運動的作用，學(xué)生容易理解。但是肋間肌對呼吸運動的影響，在該項實驗中沒有任何解釋。因此，實驗容易給學(xué)生造成呼吸僅靠膈肌運動推動的片面印象。模擬不夠全面而導(dǎo)致對真實生物學(xué)現(xiàn)象解釋不全面，影響學(xué)生生物學(xué)核心概念的形成和知識的建構(gòu)。

3. 學(xué)生無法全員參與實驗

“課標(biāo)”中提出“中學(xué)生應(yīng)具有能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實世界中的生物問題，針對特定的生物學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)行觀察、提問、實驗設(shè)計、方案實施以及結(jié)果的交流與討論的科學(xué)探究能力”。但是原實驗使用的實驗裝置粗大笨重、功能單一，一般學(xué)校都只會給教師少量配備，僅用于演示。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中只能看“實驗”，難以親自參與實驗，得不到體驗和嘗試的機會，這在一定程度上不符合生物學(xué)科學(xué)探究的學(xué)科特性。

4. 實驗相對抽象而難于理解

本實驗中涉及一些概念，學(xué)生缺乏相應(yīng)的前備知識基礎(chǔ)，可能在理解方面存在困難。如“氣壓”概念，人教版教材安排在八年級下冊物理第九章第三節(jié)“大氣壓強”。對于初一的學(xué)生來講，這樣抽象的物理知識難以理解。由于前備知識的缺乏，嚴(yán)重影響學(xué)生對呼吸運動過程的理解。

二、基于生活化的創(chuàng)新模型建構(gòu)

（一）實驗思考

針對上述生物實驗操作難、維護(hù)難、普及度不夠的問題，筆者按照“生物實驗生活化”的原則，尋找、選擇生活中常見易得的材料，特別是一些可回收的廢棄物，來重新建構(gòu)實驗?zāi)Ｐ停岣邔嶒灥目尚行?，同時還培養(yǎng)學(xué)生熱愛自然，保護(hù)環(huán)境的環(huán)保意識。

針對抽象概念難以理解、解釋不全面的問題，擬借鑒物理模型改進(jìn)生物實驗。物理模型是指以實物或圖像形式直觀地表達(dá)認(rèn)知對象的模型，具有一定的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征，是對原型的純化和簡化。依據(jù)“壓力與壓強”這一抽象概念學(xué)生難以理解的學(xué)情，擬通過建構(gòu)模型幫助學(xué)生直觀理解。

基于此，筆者利用一些生活中常見的材料，建構(gòu)“簡易呼吸運動模擬器”“膈肌運動模擬器”和“肋間肌運動模擬器”，對“探究胸廓體積變化與呼吸運動的關(guān)系”這一實驗進(jìn)行了改進(jìn)。

（二）實驗材料

依據(jù)課標(biāo)要求和教學(xué)實際，建構(gòu)的三種模型，實驗材料有所不同，但均來自日常生活，簡單易得。具體如下：

“簡易呼吸運動模擬器”：礦泉水瓶一支、普通小氣球一個，細(xì)線若干。

“膈肌運動模擬器”：透明樂扣保鮮盒一個、一次性橡膠手套、Y型玻璃管（或塑料吸管）、氣球、橡膠塞、細(xì)線。

“肋間肌運動模擬器”：肉紅色氣球、細(xì)線、鐵絲。

（三）實驗創(chuàng)新模型

1. 簡易呼吸運動模擬器

制作步驟如下：

（1）將一個氣球用細(xì)線綁在一根玻璃管（可用硬吸管代替），氣球模擬肺，玻璃管模擬氣管。

（2）將有氣球一端放進(jìn)一個撕掉標(biāo)簽的礦泉水瓶中，另一端露在瓶外，水瓶模擬胸廓。

（3）玻璃管穿過瓶塞（可用橡皮泥代替），先將氣球適度充氣，再將瓶塞塞緊。如圖2所示。

2. 膈肌運動模擬器

制作步驟如下：

（1）將橡膠手套沿小拇指方向剪開成一張大橡皮膜，保留大拇指處。將保鮮盒的蓋子剪開只留下邊緣1厘米寬的部分，在保鮮盒底部中心鉆出適合膠塞大小的孔。

（2）將2個氣球綁在玻璃管（可用硬吸管代替）上，氣球適度充氣，再塞好膠塞（可用橡皮泥代替）。氣球模擬肺，玻璃管模擬氣管。

（3）將剪開的手套橡皮膜蓋在保鮮盒蓋的反面，注意要全部蓋住，大拇指放在中間，將保鮮盒子倒扣到蓋子上盒子上，扣緊。橡皮膜模擬膈。如圖3所示。

3. 肋間肌運動模擬器

制作步驟如下：

（1）將鐵絲做成2個邊長10厘米的正方形用來模擬前胸骨骼群和后背骨骼群，再剪4根10厘米長的鐵絲，兩端彎成環(huán)狀做成連接鐵絲模擬肋骨，套在2個正方形的對稱位置，形成一個可以自由變形的立方體框架。

（2）將2個深紅色的氣球傾斜固定在立方體兩側(cè)模擬肋骨的連接鐵絲上，氣球模擬肋間肌。如圖4所示。

（四）創(chuàng)新模型的實驗操作

1. 簡易呼吸運動模擬器

（1）用力捏礦泉水瓶模擬胸廓縮小，可以看到瓶子體積減小，瓶子內(nèi)的氣球體積縮小。

（2）放松礦泉水瓶模擬胸廓擴大，可以看到瓶子體積增大，瓶子內(nèi)的氣球體積擴大。

2. 膈肌運動模擬器

（1）抓住手套膜大拇指位置向上推橡皮膜模擬膈肌舒張膈頂上升，可以看到保鮮盒內(nèi)空間減小，盒內(nèi)的氣球體積縮小。

（2）放開手套膜模擬膈肌收縮膈頂下降，可以看到手套膜向下恢復(fù)原狀，盒內(nèi)空間增大，盒內(nèi)的氣球體積擴大。

3. 肋間肌運動模擬器

（1）一只手握住代表后背骨骼群的一側(cè)正方形鐵絲，向下拉代表前胸骨骼群的另一側(cè)正方形鐵絲，模擬肋間肌舒張時胸部向內(nèi)向下運動，可以看到模擬肋間肌的氣球變長，模擬胸廓的鐵絲圍成的空間變小。

（2）放松代表前胸骨骼群的一側(cè)正方形鐵絲，模擬肋間肌收縮時胸部向外向上運動，可以看到模擬肋間肌的氣球變短，模擬胸廓的鐵絲圍成的空間變大。

（五）如何借助新模型理解“胸廓的變化與呼吸運動的關(guān)系”

下面以“肋間肌運動模擬器”和“膈肌運動模擬器”為例，如圖6，談?wù)勅绾卫眯履Ｐ瓦M(jìn)行實驗，從而更好地理解“胸廓的變化與呼吸運動”的關(guān)系。

1. 肋間肌和膈肌同時舒張，胸骨向下向內(nèi)運動同時膈頂上升，胸廓縮小胸廓內(nèi)氣體受到擠壓氣壓升高，肺部隨之回縮肺內(nèi)氣體受到擠壓氣壓升高，氣體被擠壓出肺完成呼氣。

2. 肋間肌和膈肌同時收縮，胸骨向上向外運動同時膈頂下降，胸廓擴大胸廓內(nèi)氣體受到拉張氣壓下降，肺部隨之?dāng)U張肺內(nèi)氣體受到拉張氣壓下降，外界氣體氣壓大于肺部氣體進(jìn)肺完成吸氣。

三、基于生活化的創(chuàng)新實驗?zāi)Ｐ徒?gòu)意義

（一）從學(xué)科角度來看，幫助學(xué)生獲得對學(xué)科知識的全面認(rèn)知

創(chuàng)新模型增加了呼吸運動與肋間肌的關(guān)系實驗，能有效地補充教材實驗的不足，從而準(zhǔn)確完整地演示呼吸運動。對學(xué)生而言，這樣的實驗有利于學(xué)科知識的系統(tǒng)建構(gòu)，有利于學(xué)生從根本上全面認(rèn)識呼吸運動，獲得對學(xué)科本質(zhì)性的認(rèn)識。

（二）從實驗效果來看，提高了生物實驗的綠色化和普及化

創(chuàng)新模型采用了易得的生活物品作為實驗材料，建構(gòu)實驗?zāi)Ｐ?，真正實現(xiàn)了綠色化，自然滲透了綠色環(huán)保理念。同時，將實驗與生活聯(lián)系起來，從居家生活中取材，因材料易得，維護(hù)方便，顯著降低了對實驗材料的依賴性，有效降低了實驗成本，確保了實驗質(zhì)量。

（三）從學(xué)生素養(yǎng)角度來說，培養(yǎng)了學(xué)生生物學(xué)高階思維和探究能力

創(chuàng)新實驗?zāi)Ｐ椭谱骱唵?，學(xué)生可以自行制作、操作儀器，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，在學(xué)中做、在做中學(xué)，有效地解決了因儀器限制學(xué)生無法深度體驗知識的困境，真正實現(xiàn)了學(xué)習(xí)與生活的深度融合。學(xué)生成為學(xué)習(xí)活動的主體，在模型的制作和操作過程中促進(jìn)了高階思維的發(fā)展和探究能力的提升。

參考文獻(xiàn)：

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