幾種簡單物理模型構建的介紹

陸曉金

（昆山開發區青陽港學校 江蘇蘇州 215300）

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》強調了科學思維的培養與建立。其中，模型作為一種思維與認識的手段，是一個思維與行為相統一的過程。教師利用模型構建的研究推動教學，有利于學生借助模型來獲取、拓展和深化對知識的認識和掌握。高中新教材中對模型的定義為：“人們為了某種特定的目的而對認識的對象所作的一種簡化的概括性的描述，這種描述可以是定性的，也可以是定量的；有的借助于具體的實物或其他形象化的手段，有的則通過抽象的形式來表達，并將模型的形式分為物理模型、概念模型和數學模型等”。對于初中生物學，亦是如此，模型構建可以鍛煉學生的操作能力，使學生在動手與思考的過程中培養科學的思維，在交流與分享的過程中達到知識的共享與互補，為高效的課堂奠定一定的發展基礎。下面介紹幾種簡單物理模型的構建方法，以此提升課堂效率。

1 房室瓣模型的構建

1.1 材料

透明塑料瓶、剪刀、奶嘴、熱熔膠。

1.2 實驗原理與效果

先用剪刀在奶嘴口開一個小十字，不用過大，再剪去塑料瓶的頂部與底部，留下中間塑料圓柱狀部分，然后用熱熔膠將奶嘴固定在其正中間，如圖1所示。

圖1 房室瓣模型

接著，將奶嘴口一端朝下，上面注滿清水，可以觀察到由于重力勢能的緣故，壓迫十字打開，水會一滴一滴的往下流，此時模擬房室瓣打開血液從心房流入心室。再將奶嘴口朝上，同樣注滿清水，淹沒奶嘴口，發現由于奶嘴的形狀，降低了重力勢能對其的壓力，十字口未打開，此時模擬房室瓣有防止血液倒流的功能。

2 聽覺形成模型的構建

2.1 材料

剪刀、手機支架、注射器、透明塑料瓶、橡皮膜、火柴棒、細線、超輕黏土。

2.2 實驗原理與效果

組裝之前做好準備工作：用剪刀將透明塑料瓶剪成3段，去除底部，留下尖端與中間部分；取出注射器的活塞，留下空筒，將頂部切除，用橡皮膜包裹住，并在正中間粘上火柴棒；用超輕黏土制作一個小球，并用細線相連，系在手機支架處，按圖2所示順序，將以上結構依次連接。

圖2 聽覺形成過程模型

塑料瓶漏斗狀的尖端模擬耳郭，注射器空筒模擬外耳道，橡皮膜模擬鼓膜，火柴棒模擬聽小骨，超輕黏土捏成的小球模擬耳蝸，細線模擬聽神經。對準塑料瓶漏斗狀尖端持續發出“喂喂喂喂”的聲音，通過其收集，經過空筒（模擬外耳對聲音的收集作用），到達橡皮膜引起振動，經過火柴棒傳遞到小球，使其擺動（模擬鼓膜振動，經聽小骨的傳遞，刺激耳蝸，產生神經沖動），再經細線（聽神經）傳遞到大腦，產生聽覺。該教具的構建與模擬可以使學生深刻理解“外耳集音、中耳傳音、內耳感音”的功能。

3 屈肘伸肘模型的構建

3.1 材料

小木棍、橡皮筋、膠帶。

3.2 實驗原理與效果

如圖3所示，用膠帶將兩根木棍連接起來，模擬肘關節，再分別固定兩根橡皮筋，模擬肱二頭肌與肱三頭肌。向上運動木棍A，模擬屈肘，此時橡皮筋分別處于收縮與舒張狀態；模擬肱二頭肌與肱三頭肌的收縮與舒張，向下運動木棍A，結果則相反。此結構雖然簡單，但能形象地表現出肉眼所看不見的肌肉運動狀態，可以使學生更好地理解人體的運動并不是單一的肌肉或骨就能完成的，是需要多方面協調而共同完成的。

圖3 屈肘伸肘模型

4 鳥類雙重呼吸模型的三次構建

4.1 三次構建所需材料

①大氣球、小氣球、膠水、打氣筒、剪刀。

②橡皮手套、打氣筒。

③一副橡皮手套、Y型玻璃管、打氣筒、透明輸液軟管、流速調節器。

4.2 實驗原理與效果

①大的氣球周圍連接上數個小氣球，大氣球模擬的是一個肺，小氣球則模擬肺周圍的氣囊，如圖4A所示。通過打氣與放氣模擬鳥類的吸氣與呼氣，能初步將雙重呼吸的概念呈現在學生面前，學生對其有簡單的認識。但是，在制作的過程中，先在大氣球上剪幾個小口，再把小氣球的頭部塞入并用膠水粘住，這樣會導致打氣的時候部分連接處漏氣，氣體不能進入小氣球中，影響模型的建構，影響學生對概念的學習，需對模型進行改進，重新建構。

②橡皮手套的手掌部分模擬肺，手指部分模擬氣囊，如圖4B所示。模型建構的材料選擇發生變化，改為橡皮手套，手掌部分模擬肺，手指部分模擬氣囊，兩者在材料上作為一個整體，很好地解決了兩者連接處漏氣的問題。學生在演示的時候會比較順利，能基本了解氣囊是用來儲存氣體的。但是，橡皮手套的開口略大，當其充滿氣體給學生展示時，教師需要用手捏住開口或橡皮管。這樣不能解放雙手，且易漏氣，因此，還需要再次改進模型，優化概念教學。

③橡皮手套的手掌部分模擬肺，手指部分模擬氣囊，Y型玻璃管模擬氣管與支氣管，輸液管連接流速調節器，與橡皮手套開口處相連，如圖4C所示。在上次建構的模型基礎上，加了一根帶流速調節器的輸液管，這樣可以解決模擬吸氣與呼氣狀態下的靜止畫面，從而解放教師雙手，給予學生更充分的時間進行觀察，從而更好地理解雙重呼吸的概念。增加了一只橡皮手套，模擬鳥類的左右兩肺，Y型玻璃管模擬氣管與支氣管，使結構更加完整，突出結構與功能相適應的觀念。

圖4 鳥類雙重呼吸模型的建構過程

在生物學實驗課堂上讓學生形成并發展生命觀念，需要落實在每節課上，對于教師來說任重而道遠。教師備課3次，3次改進“雙重呼吸”模型的建構，優化了概念教學，使學生對重要知識能理解透徹，從而達到提高課堂效益的目的。

5 神經元結構模型的構建

5.1 材料

電線、剪刀、化學分子結構模型。

5.2 實驗原理與效果

首先利用化學分子結構模型來構建，按照圖5所示順序連接好，中間的分子球模擬細胞體，與分子球相連的連接棒模擬突起，與電線外皮相連的連接棒模擬軸突，其余連接棒模擬樹突，電線外皮模擬髓鞘，兩者結合模擬神經纖維。接著，用剪刀剪去一部分電線外皮，露出銅絲，將銅絲按照如圖6所示，捏成神經元細胞體的形狀，銅絲的分支模擬神經末梢。教師利用一些生活中的材料，讓學生在建模的過程中，完成了新知的學習，鍛煉了動手操作的能力，以促進學生形成科學的思維方式。

圖5 神經元結構模型一

圖6 神經元結構模型二

6 反思

模型構建是一種有效的教學手段，教師應多從學生的認知水平與生活實際出發，利用現實生活中常見、易得的材料，構建與開發學生能接受、易理解的模型，將知識簡單地呈現給學生，使之更容易被理解與運用。在課堂構建之前，教師應提前做好預實驗，在課前計算好構建所需的大致時間，以便更好地把控課堂活動的節奏。雖然模型構建有利于課堂教學的進行，但這并不能作為教學的全部。教師應結合具體的教學內容，采用小組討論、角色扮演、模擬游戲等多種不同的教學策略和方法，達成教學目標，達到師生交流、共同發展與提高的目的。