類比法在人體生命科學領域教學的應用

康爭 _ 北京第一實驗小學 賈欣 _ 北京教育科學研究院

《義務教育科學課程標準（2022年版）》明確指出，科學探究的目標之一是學生應掌握科學思維方法，其中包含類比法的學習。生命領域中，對人體開展探究活動，在概念構建上相對抽象，難于理解，并且不易直接進行觀察。為了幫助學生構建概念，我們嘗試用類比的思維方法進行教學的分析和設計。類比法是用本質相似的模型模擬現實中無法直接觀察和實驗的現象，還原事物的產生、變化的動態過程，借此幫助學生建構科學概念。采用類比方法，教師可以將學生無法直接、實際觀察到的現象搬進課堂，不僅提高了學生的參與度，而且還有利于學生了解現象發生的本質原因。以人教鄂教版小學科學三年級教材中“呼吸器官”一課為例，論述如何運用類比法進行教學設計。

1.類比法在人體生命科學領域教學的適宜性

在人體生命領域的教學中，該培養學生什么思維方法，一直是我們思考的問題。我們的大部分器官位于身體內部，由于看不到，學生不能進行直觀地觀察，很難形成科學、系統的認知。以往的教學，只是讓學生對身體外部進行觀察，然后猜想身體內部的樣子，這對于學生而言是非常困難的。

在前測中，我們發現，三年級學生對“呼吸器官”這個詞還是比較陌生的，他們會說到鼻子、氣管，會認為氣管連到身體了就能呼吸了，有的學生可能會提到肺，但對于這些器官的位置、形狀、大小、功能就不太清楚了。也就是說，學生對呼吸器官的前概念還僅僅只是停留在一些名詞上，而對于器官的結構和功能并不了解。還有學生會提到心臟等與呼吸沒有直接關系或根本不屬于呼吸系統的器官，說明學生對于人體內部器官的認識是混亂無序的。對于自己呼吸時身體的變化，學生也很少會關注到，自然也就無法進行身體內外變化的聯系。教師直接給出的人體內部結構圖，對于學生而言也就只是一張靜止的圖片。學生很大程度上，并不理解人體在呼吸時，呼吸器官會發生哪些變化，以及是如何工作的。

基于以上的分析，本領域使用類比法建模就較為適合。在本課可以用本質相似的模型模擬呼吸系統進行呼吸的現象，還原呼吸的產生、變化的動態過程，借此幫助學生建構科學概念。

2.類比法在教學中的應用

在人教鄂教版小學科學三年級教材中“呼吸器官”一課里，共設計了五個環節，將類比法的思維方法貫穿始終。

環節一，關注原型。

讓學生深呼吸，通過多種方式觀察身體在吸氣和呼氣時分別有怎樣的變化。例如，把手放在學生認為呼吸時身體有變化的位置進行感受或兩人一組觀察其他同學呼吸時身體的變化等。這個環節主要是讓學生關注原型，即觀察自己身體外部的變化，積累足夠多的表象，對原型進行分析。

環節二，初建模型。

讓學生初步建立模型，把自己通過觀察原型得到的猜想記錄下來，繪制成靜態的模型，然后用靜態模型與原型進行比較。學生要在繪制時，分別表現出吸氣與呼氣時身體外部的變化和內部器官可能發生的變化。

環節三，完善模型。

課堂上給學生準備了六種不同的模型（見圖1），先讓學生根據猜想挑選模型，也就是把繪制的靜態模型和動態模型進行匹配。各組討論后選擇模型，然后操作模型解釋猜想，也就是用動態模型來模擬原型。在這里，要讓學生使用類比的方法進行學習，在模擬的過程中要說清楚模型的哪部分模擬了身體的什么部位或器官，從而解釋呼吸器官在呼吸過程中的變化。在模擬過程中，允許學生對自己之前的猜想進行修改。

圖1

學生在學習過程中體驗、觀察，從平面到立體，從建立靜態模型到動態模型，在不斷的類比過程中，尋找模型與原型的匹配程度，尋找兩者之間關系的相似性，驗證自己的想法，尋找支持自己或反駁他人的模型證據，進而促進學生對呼吸器官的認識和理解，形成認識。

然后，帶領學生觀看解剖圖，明確各個呼吸器官的位置、結構、功能和氣體流經的順序，完善對于原型的認識。

最后，給學生出示新的模型（見圖2），發現新問題：為什么新模型的底部有一層橡膠膜，它又模擬了人體的什么結構？引發學生的認知沖突，進而通過演示新的模型，認識隔膜肌的作用，完善原有認知。

圖2

環節四，歸納總結。

帶領學生再次體驗呼吸，重新關注原型，感受呼吸時身體的變化，進而梳理所有參與呼吸的器官。

環節五，拓展提高。

針對模型未能模擬的結構，如肺泡、氣管C型軟骨等，進行資料的補充，讓學生通過閱讀和觀看視頻的方式，進行知識的擴展。

對于本課用到的類比法，最重要的是增加模型與原型的匹配程度，尋找兩者之間關系的相似性。在本課上課過程中，先是對身體原型的充分觀察，積累足夠的表象，進而繪制靜態模型，將之與原型進行匹配。然后，展示動態模型，讓學生用自己的靜態模型與動態模型進行匹配。學生拿到模型后，用模型演示呼吸過程，在這一步就是用動態模型與原型進行匹配。學生會發現，氣球、吸管、瓶子分別模擬了身體的肺、氣管和胸腔。在演示過程中，不斷用模型與原型呼吸的過程進行匹配。學生有的會一邊自己呼吸，一邊讓模型和自己同步來模擬自己的呼吸；有的會邊觀察同伴呼吸的樣子，邊用模型進行模擬。正是在這樣的過程中，學生發現模型可以模擬人體的呼吸。雖然每個組選擇的模型不同，但都通過模擬的過程，對呼吸的過程有了更深的認識。

選擇①號、⑥號模型的學生會通過手捏和松開氣球的方式，模擬身體呼氣和吸氣時的變化；選擇②號、④號模型的學生會在模擬過程中嘗試捏動瓶子，但會發現瓶子下端是剪開的，捏動瓶子也并不會引起瓶子內部氣球的變化，所以，也只能通過手捏和松開氣球的方式模擬身體呼氣和吸氣時的變化；選擇③號、⑤號模型的學生，一開始會發現瓶子是密封的，無法用手操作氣球進行模擬，于是會嘗試捏動瓶子，在捏癟瓶子的過程中，發現里面模擬肺的氣球也跟著癟了，進而發現這個過程和人體呼氣時的身體變化是一致的，再松開瓶子時，會看到剛剛癟了的氣球此時又慢慢變鼓了，這和人體吸氣時的身體變化一致。不論學生選擇哪個模型，只要能說清楚，自己選擇的模型每部分分別模擬了身體的什么呼吸器官或結構，又是如何模擬人體吸氣和呼氣時的變化的，即模型如何與原型進行匹配，就是成功的。

相比于傳統教學過程中的直接展示身體內部器官，本課利用模型類比的方法顯然更加突出了學生認識呼吸器官的思維過程，真正做到了從學生的思維過程出發，幫助學生建立和完善科學概念，最終形成科學認識或科學理論。

3.反思與展望

這節課的設計探索，是學校科學組開展北京市“十三五”課題“邏輯推理在小學生科學認識中應用的實踐研究”的一部分。通過研究活動，筆者首先再次認識了不同的科學思維方法，理解了思維方法的模式，并與教材內容相比對，確認教材活動中蘊含的思維方法。這個過程讓筆者對科學思維有了認識的基礎。

在課題研究過程中，通過分析教材中的活動內容安排，從中確認探究活動中的科學思維方法，并以此確定思維過程與探究過程的關聯，在此基礎上展開教學過程的設計，我們把這樣的教學分析過程稱為“以思定教”。

本節課確定科學思維方法的過程并不復雜，只要對思維方法的基本模式有了解，就能通過對教材的活動分析確定思維方法。思維方法是一種既定的模式，是客觀存在的。但在教學活動中，孩子們的思維是活的，我們需要思考的是怎樣將思維方法的模式轉化為過程，并設計好教學方案，促成學生運用思維方法的目標落實。

在這一點上，需要精細化每一步思維方法的進程，并通過對觀察活動、記錄活動、研討活動、板書設計等促成每一步思維方法在更多學生身上落實下來。這一點是考驗教師的教學設計能力和對科學探究的理解的。“以思定教”僅僅是科學教師將科學思維方法融入教學的開端，而學生是否能夠得到思維能力的提升還需要在思維活動的運用和思維外化的角度去審視教學、設計教學。這還需要教師進一步開展研究，在實踐中發展對科學教學的理解。