研制膝跳反射模型 實現(xiàn)思維可視化

孫璟晗

摘 ?要 將抽象的機制形象化、將內(nèi)隱的思維可視化是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的重要方法。以此為出發(fā)點，選擇初中生物中抽象性較強的膝跳反射神經(jīng)機制作為切入點，成功研發(fā)膝跳反射興奮傳導(dǎo)模型，實現(xiàn)思維過程的可視化。對該模型的研發(fā)、制作、使用等方面進行介紹和歸納，以期利用該模型提升學(xué)生的理性思維。

關(guān)鍵詞 膝跳反射;教具;初中生物學(xué);理性思維;核心素養(yǎng);思維可視化;模型

中圖分類號：G633.91 ? ?文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）21-0044-03

1 前言及背景

隨著教育改革的推進，生物學(xué)科越來越重視學(xué)生的思維提升，理性思維也成為核心素養(yǎng)的重要組成部分。生物學(xué)是建立在大量實證的基礎(chǔ)上，運用歸納概括、演繹推理、比較分類等理性思維方式進行機制發(fā)掘的基礎(chǔ)理論學(xué)科。初中生的抽象思維能力還沒有全面建立，極大地限制了他們對于生物學(xué)機制的深入理解和活學(xué)活用。因此，生物教師非常有必要引導(dǎo)學(xué)生通過模型制備等活動，將抽象的機制形象化、將內(nèi)隱的思維可視化。

要想實現(xiàn)思維的可視化，筆者認(rèn)為有兩點關(guān)鍵因素：

1）將復(fù)雜機制抽絲剝繭，形象性地加以展示;

2）這種形象化的展示必須具有延展性，能夠引導(dǎo)學(xué)生對機制進行更深入挖掘，進而解決一系列的科學(xué)問題。

膝跳反射是初中生物學(xué)“生命活動的調(diào)節(jié)”中的核心內(nèi)容之一，該內(nèi)容完整地展示了人體最基本的反射方式，并以此為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生深入理解反射弧這一重要科學(xué)概念[1]。學(xué)生就膝跳反射神經(jīng)傳導(dǎo)機制進行深入剖析，是從神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)入生理功能理解過程中的重要一環(huán)。

但是，筆者發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在理解膝跳反射神經(jīng)傳導(dǎo)機制方面普遍存在不同程度的困難。首先，初中生對興奮以電信號形式進行傳導(dǎo)缺乏認(rèn)知;其次，神經(jīng)傳導(dǎo)的機制對于初中生來說非常抽象;最后，學(xué)生對興奮傳導(dǎo)過程中涉及的一些問題（如先膝跳還是先感覺到韌帶被叩擊，阻斷反射弧某個特定組分導(dǎo)致的現(xiàn)象等）感到無從下手[2-3]。這三方面因素嚴(yán)重制約了學(xué)生對神經(jīng)傳導(dǎo)機制的正確理解。因此，研制膝跳反射模型，攻克教學(xué)中的重難點，就顯得尤為迫切。

基于以上原因，筆者以膝跳反射內(nèi)容為切入點，引導(dǎo)學(xué)生成功構(gòu)建實現(xiàn)思維可視化的模型。

2 從學(xué)生實際出發(fā)，實現(xiàn)模型的可操作性

之前見到的一些膝跳反射模型過于復(fù)雜，如以電力驅(qū)動、用燈帶等模擬神經(jīng)纖維[4-6]。當(dāng)然，這樣的模型的優(yōu)點在于形象展示了興奮以電信號的形式進行傳導(dǎo)。但是，燈帶同時點亮不能模擬神經(jīng)信號傳遞的連續(xù)性，更為重要的是，初一的學(xué)生還沒有學(xué)過物理，更沒有學(xué)習(xí)過電路方面的操作技能，很難要求每個學(xué)生都能設(shè)計并掌握電路連接并確保安全操作，因此只能用于演示，學(xué)生無法制備，推廣性較差。

基于上述考慮，本膝跳反射模型的制備必須具有更好的可操作性，其材料工具（如硬紙板、塑料三通閥、橡膠管、礦泉水瓶、透明膠等）收集方便、價格低廉;制備手法和操作技能簡便易行，符合初一年級學(xué)生的認(rèn)知水平和操作能力。模型成品如圖1A所示，模型詳細制備過程見附件。正因為如此，每一個學(xué)生都具有制備該模型的物質(zhì)條件、知識儲備和操作基礎(chǔ)。

3 從興奮傳導(dǎo)出發(fā)，實現(xiàn)機理解析的可視化

學(xué)生普遍對興奮以電信號形式進行傳導(dǎo)缺乏認(rèn)知，而這正是制約他們對神經(jīng)傳導(dǎo)方式正確理解的關(guān)鍵因素。要突破這一難點，就要求模型一方面能形象模擬電信號的傳導(dǎo)，另一方面要能體現(xiàn)出傳導(dǎo)的連貫和快速。本模型以橡膠管模擬神經(jīng)纖維，以紅墨水模擬電信號，紅墨水在橡膠管內(nèi)的流動模擬了電信號在神經(jīng)纖維上的傳導(dǎo)，將電信號傳導(dǎo)的連貫和快速體現(xiàn)得淋漓盡致，如圖1B所示。

神經(jīng)信號的傳導(dǎo)是一個動態(tài)的過程，如果僅僅是以靜態(tài)的圖片拼湊成反射弧模型，將大大削弱興奮傳遞的動態(tài)模擬，同時大大降低模型給學(xué)生帶來的視覺沖擊。因此，本模型用液體顏色的變化生動模擬感受器產(chǎn)生的動作電位（紅色）、肌肉細胞產(chǎn)生的動作電位（橘黃色）和大腦皮層對膝蓋韌帶叩擊的觸覺感受（紫色），如圖1B所示。

由漏斗處注入紅墨水模擬膝蓋下方韌帶被叩擊;紅墨水模擬神經(jīng)信號;橡膠管模擬神經(jīng)纖維;塑料三通閥起到樞紐作用，位于“脊髓”區(qū)域;三通閥聯(lián)結(jié)的一條橡膠管末端開口于“股四頭肌”處，此處放置一盛有黃色顏料的透明容器，當(dāng)紅墨水流到此處時，染料變成橘黃色，形象模擬了在運動神經(jīng)元中引發(fā)動作電位，引發(fā)膝跳反射;三通閥聯(lián)結(jié)的另一條橡膠管末端開口于“大腦皮層”處，此處放置一盛有藍色顏料的透明容器，當(dāng)紅墨水流到此處時，染料變成紫色，生動模擬了脊髓中有通向大腦的神經(jīng)元會將這一神經(jīng)沖動傳向大腦，人感覺到膝蓋被叩擊。

這一連串的液體流動，將興奮傳導(dǎo)的快速和連貫體現(xiàn)得淋漓盡致。更關(guān)鍵的是，伴隨著這些動態(tài)變化，抽象的機制被層層剖析并形象化展示，學(xué)生得以更具象地理解復(fù)雜的神經(jīng)生物學(xué)機理。

4 從問題解決出發(fā)，實現(xiàn)演繹推理的可視化

膝跳反射的興奮傳導(dǎo)過程經(jīng)常涉及一些需要深入思考的關(guān)鍵問題[1-2，7]，對這些抽象而復(fù)雜的問題，學(xué)生往往一時不知從何入手。本模型創(chuàng)造性地從問題解決出發(fā)，具有引導(dǎo)學(xué)生對機制進行更深入挖掘的前瞻性。

問題1：先膝跳還是先感覺到韌帶被叩擊？

由于“大腦皮層”在硬紙板上的位置高于“大腿肌肉”所在位置，當(dāng)模擬神經(jīng)興奮的紅墨水被注入后，學(xué)生可以形象地觀察到紅墨水會稍快地先到達“大腿肌肉”，由此可知，先膝跳后感覺到韌帶被叩擊。

問題2：阻斷反射弧某個特定組分（如阻斷傳出神經(jīng)功能）會導(dǎo)致哪些現(xiàn)象？

反射弧由五部分組成：感受器、傳入神經(jīng)纖維、神經(jīng)中樞、傳出神經(jīng)纖維、效應(yīng)器。學(xué)生能夠理解將其中任意組分阻斷后，反射均不能完成，但是阻斷其中任一成分，被叩擊的感覺還會被體會到嗎？尤其是阻斷傳出神經(jīng)纖維后，還能否感受到膝蓋被叩擊？這一問題的解答對學(xué)生來說是一個難點。在本模型中，學(xué)生只需要用一個燕尾夾夾住模擬傳出神經(jīng)纖維的橡膠管，就可以模擬該阻斷過程的發(fā)生。學(xué)生可以清楚地看到紅墨水無法再在“傳出神經(jīng)”中流淌，進而無法到達效應(yīng)器，引起膝跳動作的產(chǎn)生;但是紅墨水仍然可以通過“上行神經(jīng)”到達“大腦皮層”，所以人們依然會感受到膝蓋下方韌帶被叩擊。

這種直觀形象的操作，水到渠成地完成了類似的機制闡述，使原本抽象的演繹推理過程得以形象化展示，學(xué)生輕松掌握相關(guān)知識。

5 總結(jié)及展望

理性思維是一個人面對紛繁復(fù)雜的世界作出正確判斷的思維基礎(chǔ)，而思維的培養(yǎng)不是一蹴而就的，是靠在長期的教學(xué)點滴中有意識地引導(dǎo)培養(yǎng)起來。作為教師，不僅要關(guān)注學(xué)生知識的獲得，更重要的是關(guān)注學(xué)生思維能力的提升，這才是“授之以漁”。思維可視化的展示不僅是攻克教學(xué)重難點的重要途徑，更是提升學(xué)生思維能力的重要手段。通過摸索，筆者成功研制了創(chuàng)新型膝跳反射模型，不僅實現(xiàn)將復(fù)雜機制抽絲剝繭，形象性地加以展示，而且這種展示具有延展性，能夠引導(dǎo)學(xué)生對機制進行深入挖掘，真正實現(xiàn)思維的可視化。

本模型的研制原則還可以推而廣之到更多教具、學(xué)具的制備。有些教師在研制學(xué)具、教具時，過分強調(diào)高新技術(shù)的使用，或過分注重模型的外觀美觀。誠然，高新技術(shù)可以開闊學(xué)生的眼界，外形的美觀也能夠反映生物體的美感，但教學(xué)模型研制的根本出發(fā)點更應(yīng)該是科學(xué)實用，能用來攻克教學(xué)重難點，能盡可能地讓所有學(xué)生都有能力和條件參與制作過程。只有這樣，研制過程才能面向每一個學(xué)生，使每個學(xué)生都受益。

學(xué)生是教學(xué)的主體。在研制該膝跳反射模型過程中，筆者有如下幾點體會：

1）要充分激發(fā)學(xué)生的求知欲和發(fā)散思維;

2）要充分肯定每個學(xué)生的奇思妙想;

3）要充分給予每個學(xué)生驗證假設(shè)、實踐操作的機會。

教師在引導(dǎo)學(xué)生完成類似模型制備的創(chuàng)新活動時，要盡可能落實以上三點，對學(xué)生充分鼓勵、肯定、放手。這樣一來，研制活動不僅完成了一個教具、學(xué)具的制備，更重要的是激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造力、想象力，提升了學(xué)生的理性思維。

參考文獻

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附件：模型制備步驟簡介

1）在硬紙板的適當(dāng)位置粘貼畫好的或打印好的“膝蓋下方韌帶”“股四頭肌”“脊髓”和“大腦皮層”等標(biāo)簽和圖片。

2）將塑料三通閥與橡膠管聯(lián)通，并在接口處涂502膠以密封，如圖2A所示。

3）將塑料三通閥固定在“脊髓”處，三根橡膠管的末端分別固定在“膝蓋下方韌帶”“股四頭肌”和“大腦皮層”處。注意調(diào)整橡膠管長度和橡膠管末端高度。

4）在“膝蓋下方韌帶”的橡膠管末端開口處聯(lián)結(jié)并固定一個漏斗。

5）在“股四頭肌”和“大腦皮層”的橡膠管末端下方固定兩個透明容器（礦泉水瓶瓶底剪成），如圖2B所示。“股四頭肌”處透明容器中放入浸有黃色染料的濾紙，“大腦皮層”處透明容器中放入浸有藍色染料的濾紙。