高中生物學課堂教學中自制教具的開發與應用探索

中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

高中生物學課堂是培養學生科學素養和綜合能力的重要途徑。在當前這個科技飛速發展的時代，生物學作為自然科學的重要組成部分之一，其教學地位日益凸顯。然而，高中生物學課堂教學面臨諸多問題，一是傳統的教學方式占據主導地位，雖然新課程改革已經推進多年，但部分教師仍固守傳統的“填鴨式\"教學，忽視學生的課堂主體性和學習主動性；二是教學內容與現實生活脫節，生物學是一門與現實生活密切相關的學科，目前部分高中生物學課堂教學的內容過于理論化、抽象化，與現實生活聯系不緊密，導致學生在學習過程中難以將理論知識與實際應用結合起來，無法獲得感性的認知，降低了學生的學習興趣和積極性；三是實驗教學環節較少，生物學是一門實驗性較強的學科，實驗教學在培養學生實踐能力、觀察能力和分析能力等方面具有重要作用。目前，部分高中生物學課堂教學中的實驗教學環節往往被忽視或簡化，學生缺乏實驗的機會和相應的實驗指導，這不僅影響了學生對生物學知識的理解和掌握，還制約了學生科學素養的提升。

1自制教具的定義與特點

自制教具是指教師或學生根據教學需要，利用身邊易得的材料，自行設計并制作的輔助教學工具。與市場上銷售的成品教具相比，自制教具有實用性和靈活性高的特點。緊密結合具體教學內容和學生特點制作的教具，能夠更有效地滿足教學需求。

自制教具的特點主要體現在以下幾個方面。一是自制教具針對性強，教師可以根據教材內容和學生實際情況，設計并制作出滿足教學需求的教具，幫助學生更好地理解和掌握知識點；二是自制教具創新性高，教師在設計和制作教具過程中可以充分發揮自己的想象力和創造力，制作新穎、有趣的教具，激發學生的學習興趣和積極性；三是自制教具成本低、易制作，教師可以利用身邊的廢舊物品或自然材料，經過簡單的加工和改造即可制作出實用的教具，既節約了教學成本，又培養了學生的環保意識。

2自制教具在高中生物學課堂教學中的應用

2.1“探究不同光照強度下植物光合作用與呼吸作用關系”模擬教具

與本教具相關的教學內容位于人教版普通高中教科書《生物學·必修1·分子與細胞》第5章。對學生而言，理解不同光照強度下植物光合作用與呼吸作用的關系是一項具有挑戰性的任務，主要原因是光合作用和呼吸作用涉及的生化反應較多且過程復雜，學生在理解不同光照強度對光合作用和呼吸作用的影響時有一定難度。首先，光合作用和呼吸作用各自包含多個步驟和生化反應，且參與反應的生物分子和酶種類多樣。學生需要深人理解這些生化反應，才能把握其本質。然而，光合作用和呼吸作用的相關知識較抽象，學生需要具備較強的空間想象能力和邏輯思維能力才能充分理解。其次，光合速率會隨著光照強度的改變產生變化，隨著光照強度的增強，光合速率會逐漸增加，當光照達到一定強度后，光合速率會趨于穩定。部分學生較難理解這一動態變化過程，在不同光照強度下的呼吸作用變化又額外增加了學生的理解難度。雖然在高中階段，學生可以把呼吸作用看作一個相對穩定的過程，但光照強度的變化還是會影響植物體內代謝產物的積累和利用，進而影響呼吸作用。因此，為幫助學生深入理解并掌握這一知識點，筆者開發了“探究不同光照強度下植物光合作用與呼吸作用關系\"的模擬教具。

2.1.1 設計思路

本教具的設計理念為借助物理模型向學生直觀地展現植物在不同光照強度下進行光合作用時，氣體交換的動態過程。為實現這一理念，筆者在教具中巧妙地融人電氣元件，并分別設置白色和綠色兩種顏色的燈光象征 與 。在操作過程中，教師利用控制器對燈泡進行精確控制，使其按照一定的順序亮起，以此模擬氣體在交換過程中的動態變化。此外，為了更加貼近實際場景，筆者還在教具中引入了光敏電阻元件，以此模擬植物對光照強度的感應機制。在不同的光照下，教具將自動調整不同燈組的開關，從而形象地模擬植物在光合作用過程中氣體交換的實際情況。

2.1.2 教具演示

如圖1（a）所示，教具演示了無光照環境中 和 的來源和去路，此時植物葉肉細胞只進行呼吸作用，呼吸作用所需的 全部來自外界環境，產生的 全部釋放到外界環境中。

如圖1（b）所示，教具演示了弱光環境下 和 的來源和去路，此時植物開始進行光合作用，呼吸作用消耗的 來自光合作用和外界環境，產生的 部分用于光合作用，部分釋放到外界環境中。

如圖1（c所示，教具演示了當光照強度達到光補償點時 和 的來源和去路，此時光合作用速率和呼吸作用速率相等，光合作用產生的 全部被呼吸作用消耗，呼吸作用產生的 也全部用于光合作用。

如圖1（d）所示，教具演示了強光照環境下 和 的來源和去路，此時光合作用速率大于呼吸作用速率，光合作用產生的 一部分被線粒體吸收利用，一部分釋放到外界環境中[2；固定所需的 一部分來自呼吸作用，一部分來自外界環境。

（c）光補償點 （d） 強光照環境

圖1教具演示圖

2.1.3 創新點

（1）筆者通過構建“探究不同光照強度下植物光合作用與呼吸作用之間的關系”物理模型這一創新舉措為生物學學科教育提供了參考。

（2）筆者運用陶泥材料制作細胞器，具有可塑性，能夠最大程度地還原出各種細胞器的形態與結構，為生物學實驗教學提供了更為真實的模擬體驗。

（3）筆者借助燈組裝置演示植物在不同光照強度下進行光合作用時氣體交換的動態過程，這種形象且直觀的展示方式有助于學生深刻理解光合作用與呼吸作用之間的關系，提高了教學效果。

2.2“甲狀腺激素分泌的分級調節”的模擬教具

與本教具相關的教學內容位于人教版普通高中教科書《生物學·選擇性必修1·穩態與調節》第3章第2節。在高中生物學教學中，甲狀腺激素分泌的分級調節一直是教學重難點。該知識點不僅涉及復雜的生理機制，還包括多層次、多環節的調節過程。因此對學生而言，理解和掌握該知識點存在一定困難。部分學生對甲狀腺激素的作用及調節機制的理解并不深入，僅知道甲狀腺激素對生長發育和新陳代謝有重要影響，但對其具體的調節過程卻知之甚少。為了加強學生對該知識點的理解和掌握，筆者精心開發“甲狀腺激素分泌的分級調節”的模擬教具。學生通過親身體驗，直觀地感受甲狀腺激素分泌的分級調節過程，從而加深自身對知識點的認識和理解，進而全面、準確地掌握相關知識。

2.2.1 設計思路

本教具的設計理念是通過構建物理模型，呈現人體內部甲狀腺激素分泌的分級調節機制。為實現這一理念，筆者給所有塑料小球分別噴涂上不同顏色。其中，綠色代表甲狀腺激素，黃色代表促甲狀腺激素釋放激素，藍色代表促甲狀腺激素，并向所有黃色、藍色小球內裝入小鋼珠，向部分綠色小球內裝入小鋼珠，然后利用含有小鋼珠的綠色小球數量來控制U型管中水位的高低。當U型管中小球數量減少導致水位下降時，漂浮在液面上的綠色小球向下移動，顏色傳感器識別到綠色小球進而改變電磁鐵的工作狀態，釋放黃色小球。這一過程可以模擬當體內甲狀腺激素含量減少時，下丘腦釋放促甲狀腺釋放激素的生理過程。當黃色小球移動到“垂體”時，該部位的顏色傳感器識別到黃色小球并改變電磁鐵的工作狀態，釋放藍色小球，以此模擬靶細胞與促甲狀腺激素釋放激素的結合以及促甲狀腺激素的釋放過程。當藍色小球移動到“甲狀腺”時，該部位的顏色傳感器識別到藍色小球并改變電磁鐵的工作狀態，釋放綠色小球，從此模擬靶細胞與促甲狀腺激素的結合以及甲狀腺激素的釋放過程。

2.2.2 教具演示

筆者將制作好的教具豎直擺放于墻邊（見圖2），把裝有小鋼珠的塑料小球放置在指定位置，并注入適量清水。隨后，筆者取出部分放置在U型管（下丘腦）內含有小鋼珠的綠色小球使水位下降，不含有小鋼珠的綠色小球位置隨之下降，顏色傳感器識別到綠色小球并使“下丘腦\"部位的電磁鐵斷電，進而釋放“促甲狀腺激素釋放激素”，代表該“激素”的黃色小球被“垂體\"部位的顏色傳感器識別，“垂體\"部位的電磁鐵斷電，釋放“促甲狀腺激素”，代表該“激素”的藍色小球進一步被“甲狀腺\"部位的顏色傳感器識別，“甲狀腺”部位的電磁鐵斷電，釋放“甲狀腺激素”，實現預期實驗結果。

2.2.3 創新點

（1）自動化。筆者通過顏色傳感器、延時繼電器和電磁鐵等關鍵元件實現了教具的自動化操作。學生只需在U型管處操作，即可開始自主模擬信號識別和激素釋放過程，提高了操作的效率和準確性。

（2）智能化。本教具配備的是智能顏色傳感器，可以靈活識別不同顏色的小球。因此，本教具不僅能夠模擬甲狀腺激素分泌的分級調節過程，還可以應用于對其他分級調節機制的模擬研究。此外，小球的數量也可以根據實驗需求靈活調整，為教師提供了更多的實驗可能性。

（3）調節過程形象化。為便于學生理解，筆者在設計教具時，運用不同顏色的塑料小球代替不同激素，并通過U型管中含有小鋼珠的塑料小球數量變化反映甲狀腺激素含量的變化，塑料管內裝滿清水也更形象地展現出了體液調節的過程。

（4反應靈敏，適應性強。本教具配備的是高性能顏色傳感器，具備強大的顏色識別功能，能夠精準識別不同顏色小球并快速啟動相應反應，能夠滿足不同光線條件下的操作需求，便于學生學習和應用。

（5）操作簡便，現象直觀易觀察。筆者設計的教具可以靈活移動，塑料管上下端口均設有活塞，能夠更換管內液體。這種設計使實驗操作更加簡便、實驗現象更加明晰，便于學生進行觀察和記錄。

3自制教具的開發與應用反思

筆者在開發與應用自制教具的過程中，感受到了使用自制教具的重要性與必要性。自制教具作為教學過程中的重要輔助工具之一，教師在開發自制教具過程中應注重教具的實用性和創新性，根據教學內容和目標，設計具有針對性的教具，以幫助學生更好地理解和掌握知識點。同時，合理地使用自制教具制造懸念是激發學生學習興趣的有效方法之一。[3]

自制教具在高中生物學課堂教學中具有許多優勢，但在實際應用中仍存在一定局限性、面臨著諸多挑戰。首先，教具的制作需要教師投入大量的時間和精力，增加了教師的教學負擔，教師制作一件高質量的教具花費時間通常超過十小時，工作壓力較大；其次，自制教具的耐用性和穩定性難以保證，受制作材料和技術水平的限制，部分教具在使用過程中容易損壞或失效，影響教學效果和學生的學習體驗；此外，自制教具缺少標準和規范，不同教師制作出的教具在質量和效果上可能存在較大差異，不利于教學質量的統一和提升。

針對這些局限性與挑戰，筆者提供了以下四個措施作為參考。一是學校可設立專門的教具制作團隊或工作室，為教師提供技術支持和材料保障；二是相關部門可加強對教師的培訓，提高教師的教具制作能力和創新意識，使教師能夠制作出更加實用、耐用且具有創新性的教具；三是教師可借鑒其他學科的教具制作經驗和技術，引入先進的制作材料和工藝，提升自制教具的質量和效果；四是教師可通過建立教具評價和反饋機制，對教具的使用效果進行定期評估和改進，確保教具能夠充分發揮教學作用。

自制教具作為一種教育創新形式，雖然存在一些局限性，但其啟發學生創造力的作用仍不容忽視。在未來的高中生物學教學中，教師可以發揮自制教具的獨特優勢，培養學生的創新精神和實踐能力。

參考文獻

[1]趙建新.高中生物實驗教學培養學生科學探究素養的研究[J]甘肅教育研究，2024（11）：56-58.

[2]韓金梅.光合作用與呼吸作用識圖計算題例析J，生物學教學，2010，35（9）：42-44.

[3]尹博雅.自制教具在高中生物學教學中的應用研究[D].重慶：西南大學，2022.