基于模型建构教学案例

叶丹红

摘要：模型不仅是传授科学知识的媒介，更是培养学生科学探索能力的一种重要手段。本文以浙江版科学“生物的呼吸”一课为例，围绕“学为中心、学科思想、学科方法”等理念，通过学生的体验、感受、思考讨论等形式，教师指导学生模型建构、模拟实验等活动突破教学难点。

关键词：模型构建;生物的呼吸;教学设计

在初中科学教学中，经常会遇到一些“只可意会不可言传”的问题，而这些问题正是因为初中科学中有大量以识记为基础的知识，但由于涉及到科学概念、原理以及规律都不能在课堂中直观呈现，学生缺乏形象直观的感知而难以理解所造成的。模型建构是以简化和直观的形式来现实复杂事物或过程的手段，是科学研究中常用的重要方法之一[1]。在科学教学中，常用的的模型建构形式主要有概念模型、物理模型、实验模型、数学模型等几大类。本文通过“生物的呼吸”的教学设计，分别就这四种模型在本节课中的应用做一些尝试和思考。

1 利用概念模型，构建知识，帮助学生理解概念

概念模型是指用文字和符号突出表达对象的主要特征和联系的模型。其主要作用是理清生物学概念之间的独立关系、从属关系，使分散的概念系统化[2]。在课堂上利用概念模型，展示概念之间的相互联系，帮助学生构建知识体系，理解概念，避免死记硬背。

1.1 通过“深呼吸”体验活动，建立呼吸系统流程图

情景设置：今天，能与在座的同学一起学习，老师觉得很高兴。但一下子面对这么多陌生的面孔，我觉得有些紧张，同学们能陪老师一起缓缓吗？学生马上提出可以深呼吸，顺势带领学生一起深呼吸，设置简单的引导语“可以闭上眼睛，什么都不要想，把注意力放在呼吸上，感受一下气体慢慢从鼻腔进入我们的身体，在慢慢的呼出来。”利用体验式情景，引出本节课题;同时也让学生关注气体吸入和呼出的过程。

设置问题：气体在进出我们身体时，经过了哪些结构？

学生回答：口、鼻、气管、肺

这里有两个问题：口是否是呼吸系统的组成部分;还有其他结构吗，如何寻找证据？通过讨论，学生认识到口主要是食物通道，消化食物的作用，故不是呼吸系统组成部分。体内器官无法直接观察，可以解剖，但无法满足。大量生物观察的结果，可通过图片呈现，帮助学生构建呼吸系统模型。展示概念流程图：鼻→咽→喉→气管→支气管→肺。

【设计意图】：气体进出，用流程图表示可帮助学生建立器官顺序，构建系统概念，让学生理解器官按照一定的顺序排列在一起共同完成一种或几种生理功能。

1.2通过流程图，引导学生构建呼吸概念。

【设计意图】：为了让学生对呼吸有进一步的理解，尤其是肺和外界环境的气体交换和人体与外界环境的气体交换是两个概念，平时呼吸更多指向为肺通气，而非呼吸。建立呼吸概念图，采用留白的方式，帮助学生建立正确的呼吸概念。（如 图1）

2 利用物理模型，画图制作，锻炼实践应用能力

物理模型是指用简单的材料通过简单的方法制作相应原理的模型，与生物原型相比，虽然简单，但方便观察，也为教学提供方便[3]。在课堂上，通过物理模型的建构和制作，可以培养学生的实践探究能力，同时将抽象的知识形象化，让学生亲身体验知识的生成。

2.1通过问题设置，构建胸腔模型

引导学生观察图片，帮助学生认识几个结构：胸廓、肋骨、肋间外肌、横膈，以及胸廓和横膈围成的胸腔。在观察讲解的基础上，设置问题：我们能否用最简单的线条，以画图的方式表示胸廓？请以小组为单位，画出胸腔的正面和侧面图。这就是一个建模的过程。学生展示，讨论，修正，最后确定了一个最简洁的胸腔模型。（如图 2）

【设计意图】：教科书上直接呈现物理模型，比较突兀，缺少链接，不利于学生的理解。在教学过程中，利用建模思想，先展示胸腔结构，再通过画图，化繁为简的方式建立模型，体现了建模的科学方法，帮助学生认识这种方法，也为实物模型的制作和引入做好铺垫。

2.2 通过体验活动，构建呼吸运动物理模型

设置深呼吸体验活动，帮助学生认识肋骨、胸廓的运动。提出问题：我们是如何吸气、呼气的呢？引导学生思考，如果能有一个像黑板上的实物模型，这样就可以帮助我们更好认识这个过程。提供制作材料：橡皮膜、矿泉水瓶、玻璃管、橡皮筋等材料。引导学生利教师提供的材料，按照黑板上的设计，制作实物模型（如图 3）。通过表格对比，这些材料分别对应的是人體的哪些结构？

【设计意图】：通过体验式活动，引导学生透过现象关注知识本质。通过模型制作，将科学思想运用于显性化教学，向学生渗透学科思想，发展学生的学科思维。

3 利用实验模型，观察思考，培养学生科学探究能力

实验模型又称为模拟实验，是指通过创建相似的环境和研究对象，用创建的模型来替代被研究的对象，从而使研究得到研究数据或结果的方法[4]。通过上一个物理模型的构建，学生对模型结构有了清晰认识;通过问题，引导学生动手实践和思考。

设置问题：如何让气球鼓起来？

学生通过四人小组，按照自己的设想开始动手实验。通过小组汇报，总结出了二种方法：用嘴吹，拉橡皮膜。引导学生思考，气球为什么会鼓起来。通过已有的知识储备，学生马上想到是气压的问题。拉橡皮膜，是瓶子内的气体体积增大，压强减小，大气压将气体压入气球，气球变鼓，是气球内外的压强差导致气球变鼓的。

进一步提问：如何让气球变瘪呢？

通过刚才的体验，学生找到了三种方法：用嘴吸，捏瓶子，向上推橡皮膜，总结三种方法。提问：与我们的吸气和呼气比较相似的是？

一开始有学生说用嘴巴吹吸，但立马被其他同学否定了，这是人工辅助呼吸的方式，因为正常呼吸时无需借助外力。得出捏放矿泉水瓶和推拉橡皮膜更接近人体的呼吸的结论。

追问：这两种方式与我们真实的呼吸运动有什么区别？

通过讨论，学生明白在实验中是用外力改变塑料瓶内气体体积，但在真实呼吸运动中，我们是如何改变胸腔内气体体积呢？对照物理模型，学生很容易想到膈肌和肋间肌的收缩和舒张，产生了使肋骨和胸廓运动的动力。通过流程图，展示呼吸运动过程。

【设计意图】：通过实验模型，设置问题，循序漸进，逐步引导，将不可见的过程呈现在学生面前，将抽象原理可视化，大大降低学生理解难度，有利于清晰纠正学生模糊、错误的一些认识。

4 建构数学模型，数形结合，培养学生分析能力

数学模型是根据研究对象特有的内在规律，做出一些必要的简化假设，运用适当的数学工具，得到一个数学结构。其中最常用的方式是利用数学关系，建立图像。在本课中，利用数字传感器，将模拟实验中瓶内气压和时间的变化关系，展示在学生面前。（如图 5）

【设计意图】：通过传感器，呈现数据动态直观采集过程，再将数据合成图像，学生可清晰的从屏幕中看到气压随时间的变化的关系。通过数学模型的建构，加深了学生对呼吸运动过程中气压变化的理解，更重要的是渗透数学方法，尤其是在这部分数学知识不具备的情况下，将原有知识转化为简单的数学图像，帮助学生理解图像的由来，使学生的图像学习能力和方法得到了提升。

5总结和思考

通过这次的教学过程，在科学教学中积极运用模型构建，有利用学生的知识构建，有利于动手能力的提升，有利于科学探究能力的培养，以及思维能力的提高，但仍然存在一些问题值得总结和思考。

首先，模型构建需要了解原型本质，再将原型简化抽象，并进行逻辑转化，从而构建一个能体现原型本质的模型。这对初中生来说，由于认知水平有限，具有一定的难度，也对教师提出了更高的要求。在本节课中，本人采用画图的方式，通过观察讲解引导学生画出胸腔模型，设置这样的一个思维台阶，更贴近初中学生，也为物理模型的制作奠定了基础。

其次，模型构建虽然能呈现复杂的生物现象，但不是绝对的等同，在教学过程中要让学生认识到模型和原型的区别。在本节课中，通过设置问题，对比模型和真实情况，让学生了解呼吸运动的动力来源，以及横膈的变化情况。再好的模型也有它的局限性，在认知的过程中，需要不断的改进和修正，使之更贴近原型本质。

再次，模型构建是我们初中科学学习中最常用的方法之一。通过本节课的尝试，能否将这种方法进一步提炼，让它适用更多更广泛的教学过程中。

参考文献：

[1]谭永平.高中生物学新课程中的模型、模型方法及模型建构[J].生物学教学，2009，（1）：10-12

[2]程建军.关于新课程标准下的高中生物“模型建构”的教学思考[J].教育教学论坛，2010，（17）：97-98

[3]陈红.对“模型建构”的教育价值反思与再认识[J].福建基础教育研究，2009，（11）：46-47

[4]陈卫东.模型建构在高中生物新课程教学中的运用[J].教学与管理，2011，（4）：69-71