類比模型在“呼吸運動”建模教學中的應用

蔡營營+吳菱+張鋒

摘 要 依托類比模型的建模教學，引導學生自主構建“呼吸運動”模型，將抽象知識形象化、具體化，進而加強學生的理解。

關鍵詞 類比模型 建模教學 呼吸運動

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

建模教學是涉及模型構建、評價和修正的教學。主要表現在引導學生自主建構知識、減輕認知負擔、促進形成科學概念、調動良好的課堂氣氛等方面。類比模型是一種重要的模型，其建模教學通常包括明確建模目的、選擇模型表達方式、建構模型、評價檢驗模型和修正模型五個步驟。下面以人教版生物學七年級下冊“發生在肺內的氣體交換”一節中“呼吸運動”的模型建構活動為例，嘗試闡明構建類比模型在建模教學的應用。

1 類比模型的教學價值

趙萍萍等人認為，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”，用于類比的事物稱為“資源”，資源和目標之間存在著相似或不同屬性。常見有簡單類比、豐富類比和擴展類比三類。這些模型通常是事物某些方面的簡化或放大，即表征事物的某些方面，而非全部。在類比模型的建模教學中，教師要引導學生主動參與，動手操作，通過體驗模型的運作過程，進而理解原型的屬性特點或某種機制。

2 類比模型的教學嘗試

2.1 明確建模目的

根據《義務教育生物學課程標準（2011版）》（以下簡稱《課標》），本節的教學目標為“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的重難點，因為胸廓容積的變化和氣壓的關系涉及物理知識，學生沒有相關的知識儲備，難以理解；學生剛剛開始學習人體的結構機能，對不能用眼睛直接看到的事物存在求知退縮心理。

傳統教學通常是教師演示已有的教具模型或播放演示視頻等，學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化成科學概念。建模教學可引導學生用熟悉的事物自主構建并演示模型，在操作過程中將膈肌的運動、容積與氣壓的關系等知識化抽象為形象，進而逐步化解難點，減輕認知負擔，形成科學概念。

2.2 選擇表達方式

類比模型以相似的普遍性為基礎，追求模型與原型的“神似、形似”，因此可根據原型的屬性和特點，用簡易的實物、圖片或影像等來構建模型。在“呼吸運動”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，并在建構靜態模型的基礎上，用動態演繹的形式表達模型的運作過程。

2.3 FAR策略指導模型建構

FAR是基于劉恩山等提出的幫助教師和學生有效構建和使用類比模型的指導策略，包括三個步驟：聚焦、行動、反思。

（1） 聚焦：主要發生在課前備課或課堂早期，教師要對所學新知識整體有充分的把握，在了解學生學情的基礎上，判斷新知識是否抽象或難以理解，學生是否熟悉即將構建的類比模型。學生已經學習了呼吸系統的組成，知道了膈肌、肺部、氣管和支氣管的位置，對用于構建模型的塑料瓶等事物比較熟悉，可采用這些事物進行類比。教師可設計若干問題進行前概念調查，以明確學生的前概念和錯誤概念，以便在建模過程中有側重地引導和糾偏。如氣體進入肺部經由哪些器官？呼出氣體時，胸廓擴大還是縮??？膈肌怎樣運動？吸進氣體時，胸廓擴大還是縮小？膈肌怎樣運動？先有呼吸，還是先發生呼吸運動？

（2） 行動：行動的基礎是引導學生觀察、總結模型與所類比概念的相同點和不同點，進而用相應的表征方式進行模型建構?？紤]到學生收集材料的便利性，選擇常見的替代性強的建模用具，如透明塑料瓶（帶瓶蓋）、剪刀、膠帶、小氣球、大氣球，粗吸管。

學生以小組為單位，用課前收集到的模型材料在教師指導下制作模型（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橡皮膜時，氣球無明顯變化。

完成模型制作后，學生先介紹模型和原型的關系，即能指出塑料瓶類比整個胸廓，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生對胸廓內部結構的再認識過程，為下一步模型的演示提供扎實的認知基礎?！墩n標》強調生物學知識與現實生活的聯系，倡導學生運用生物學的原理和方法解決生活中的問題。所以本節課中，教師設置了比較常見的醫學狀況及急救措施的模型演示，旨在增加學生的生活常識，提高學習興趣。

演示正常呼吸：靜置的模型雖有氣體流動，但氣球不會變大。將橡膠膜向下拉，觀察塑料瓶內小氣球鼓起膨脹，發生吸氣運動；放開橡膠膜，使其恢復原位，氣球也恢復原來狀態，即發生呼氣運動。學生演示后，用自己的語言描述模型對應的原型，即人體正常呼吸時，膈肌收縮（舒張）與肺部吸氣（呼氣）的關系。

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塞進吸管內，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，用雙手向內向上擠壓腹部膈肌，產生向上壓力，壓迫兩肺上部，利用肺部殘留氣體，形成氣流沖出異物。學生利用模型演示海默立克急救法，即用手不斷向內擠壓橡皮膜和瓶身，觀察氣球的變化及紙團的位置。

（3） 反思：學生對知識的理解程度直接體現了模型的建構是否有價值，表現在能否將前概念成功轉化成科學概念。教師可讓學生重新回答前概念調查問卷中的問題并增加難度稍大的問題，在問答過程中檢驗學生的理解及概念轉換情況，引導學生形成科學概念。

如，師：吸氣運動是怎樣完成的？

生：由膈肌收縮完成的。

實際上，吸氣運動主要有膈肌和肋間外肌收縮完成的。但由于模型只是簡易的膈肌運動模型，很容易使學生產生誤解，認為吸氣只有膈肌收縮，在此教師應對模型之外的知識進行補充。endprint

師：氣體進入肺部的物理原理是什么？

生：內外壓力不一樣。

由于學生缺乏相應的物理知識，語言描述不準確，教師需規范學生回答：膈肌收縮時胸腔體積增大，由于胸腔密閉，氣體濃度降低，即壓強變小，低于外界大氣壓，空氣由高濃度流向低濃度，順此壓差進入肺部。

師：膈肌收縮和舒張時在胸廓中相對位置哪個高？

生：收縮（有的學生回答舒張）。

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

2.4 評價和修正模型

采用小組互評和自評的方式對模型進行評價，提出模型的缺點和局限性，并對模型的改進提出意見。模型修正過程也是學生拓展思維、加深理解的過程，教師可通過提出問題啟發學生思考。如在模型演示過程中，教師要求學生思考使壓力變化直觀化和定量化的方法。學生會想到用儀器測量等方法，但對測量的方法原理并不熟悉，需要教師進行適當解釋。得到在學生思考成果的基礎上補充完善，從而幫助學生修正模型。

第二個演示完成后，教師可繼續提問：保持肺泡膨脹的必要條件是胸內負壓，當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負壓和氣胸嗎？由于簡易模型限制較多，學生在無法演示這兩種情況時便產生了繼續探究的欲望，并積極思考如何改進模型。教師可在學生集思廣益時，進行啟發和引導，如簡易模型抽象化，并增設一個T型管，一端連接測量壓強的U型管裝置，另一端用膠帶封閉以控制瓶內氣壓，形成膈肌運動的改進模型（圖2）。教師利用改進模型引導學生解釋氣胸時的氣壓變化原因：向下拉動橡皮膜，氣球變大，撕掉T型管口的膠帶，瓶外空氣進入瓶內造成內部氣壓變大，大于氣球內壓力，氣球變小，胸內負壓消失；氣胸是胸膜破裂后，氣體進入胸腔導致胸腔積氣，壓迫肺部，造成呼吸困難甚至死亡。

在此基礎上，教師可進一步引導學生觀察記錄演示前后U型管液面數值的變化，通過計算壓強差來領會呼吸運動時壓強的變化。學生因此體驗了收集證據和數據、用證據和數據來分析解決問題的過程，修正后的模型有助于學生對于概念內涵的理解。

3 建模教學的意義

針對同一概念，采用學生親自動手探究的教學策略比單純教師演示的教學策略能更有效地幫助學生轉變并形成科學概念。類比模型作為初中生物學眾多模型中的一種，在幫助學生建構和理解知識時發揮著重要作用。它能改變學生的學習方式，使學生主動參與，積極思考，動手實踐，使學生真正融入到教學過程中，充分體會概念的建構過程，內化知識并提升理性思維。

參考文獻：

[1] 張靜，郭玉英.物理建模教學的理論與實踐簡介[J].大學物理，2013：25-30.

[2] 趙萍萍，劉恩山.生物學建模教學研究進展及啟示[J].生物學通報，2015：19-23.

[3] 趙萍萍，劉恩山.中學生物學中的類比模型及其構建[J].中學生物教學，2015（6）：4-7.endprint