类比模型在“呼吸运动”建模教学中的应用

蔡营营+吴菱+张锋

摘 要 依托类比模型的建模教学，引导学生自主构建“呼吸运动”模型，将抽象知识形象化、具体化，进而加强学生的理解。

关键词 类比模型 建模教学 呼吸运动

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

建模教学是涉及模型构建、评价和修正的教学。主要表现在引导学生自主建构知识、减轻认知负担、促进形成科学概念、调动良好的课堂气氛等方面。类比模型是一种重要的模型，其建模教学通常包括明确建模目的、选择模型表达方式、建构模型、评价检验模型和修正模型五个步骤。下面以人教版生物学七年级下册“发生在肺内的气体交换”一节中“呼吸运动”的模型建构活动为例，尝试阐明构建类比模型在建模教学的应用。

1 类比模型的教学价值

赵萍萍等人认为，类比模型就是基于相似属性，用人们熟悉的事物类比和表征不熟悉的事物。在类比中，被表征的事物称为“目标”，用于类比的事物称为“资源”，资源和目标之间存在着相似或不同属性。常见有简单类比、丰富类比和扩展类比三类。这些模型通常是事物某些方面的简化或放大，即表征事物的某些方面，而非全部。在类比模型的建模教学中，教师要引导学生主动参与，动手操作，通过体验模型的运作过程，进而理解原型的属性特点或某种机制。

2 类比模型的教学尝试

2.1 明确建模目的

根据《义务教育生物学课程标准（2011版）》（以下简称《课标》），本节的教学目标为“概述肺与外界的气体交换过程”及“概述肺泡与血液的气体交换过程”。其中，肺与外界的气体交换过程是本节的重难点，因为胸廓容积的变化和气压的关系涉及物理知识，学生没有相关的知识储备，难以理解；学生刚刚开始学习人体的结构机能，对不能用眼睛直接看到的事物存在求知退缩心理。

传统教学通常是教师演示已有的教具模型或播放演示视频等，学生只能通过观看演示获得短暂的感性理解，记忆不深刻，不能有效地将前概念转化成科学概念。建模教学可引导学生用熟悉的事物自主构建并演示模型，在操作过程中将膈肌的运动、容积与气压的关系等知识化抽象为形象，进而逐步化解难点，减轻认知负担，形成科学概念。

2.2 选择表达方式

类比模型以相似的普遍性为基础，追求模型与原型的“神似、形似”，因此可根据原型的属性和特点，用简易的实物、图片或影像等来构建模型。在“呼吸运动”中，教师可用透明塑料瓶、橡胶手套、小气球、透明吸管分别类比胸廓、膈肌、肺和气管，并在建构静态模型的基础上，用动态演绎的形式表达模型的运作过程。

2.3 FAR策略指导模型建构

FAR是基于刘恩山等提出的帮助教师和学生有效构建和使用类比模型的指导策略，包括三个步骤：聚焦、行动、反思。

（1） 聚焦：主要发生在课前备课或课堂早期，教师要对所学新知识整体有充分的把握，在了解学生学情的基础上，判断新知识是否抽象或难以理解，学生是否熟悉即将构建的类比模型。学生已经学习了呼吸系统的组成，知道了膈肌、肺部、气管和支气管的位置，对用于构建模型的塑料瓶等事物比较熟悉，可采用这些事物进行类比。教师可设计若干问题进行前概念调查，以明确学生的前概念和错误概念，以便在建模过程中有侧重地引导和纠偏。如气体进入肺部经由哪些器官？呼出气体时，胸廓扩大还是缩小？膈肌怎样运动？吸进气体时，胸廓扩大还是缩小？膈肌怎样运动？先有呼吸，还是先发生呼吸运动？

（2） 行动：行动的基础是引导学生观察、总结模型与所类比概念的相同点和不同点，进而用相应的表征方式进行模型建构。考虑到学生收集材料的便利性，选择常见的替代性强的建模用具，如透明塑料瓶（带瓶盖）、剪刀、胶带、小气球、大气球，粗吸管。

学生以小组为单位，用课前收集到的模型材料在教师指导下制作模型（图1）：将透明塑料瓶底部整齐剪下，瓶盖钻出吸管管口大小的孔；将吸管的一端套上小气球，切勿漏气；吸管另一端从塑料瓶底部向上通过瓶盖孔径，用可溶胶封住缝隙；将大气球剪成片状做成橡胶膜，封住塑料瓶底部，用胶带封住边缘部分，确保装置密闭；不做密闭处理的装置向下拉动橡皮膜时，气球无明显变化。

完成模型制作后，学生先介绍模型和原型的关系，即能指出塑料瓶类比整个胸廓，橡皮膜类比膈肌，吸管类比气管，小气球类比肺部。介绍模型的过程也是学生对胸廓内部结构的再认识过程，为下一步模型的演示提供扎实的认知基础。《课标》强调生物学知识与现实生活的联系，倡导学生运用生物学的原理和方法解决生活中的问题。所以本节课中，教师设置了比较常见的医学状况及急救措施的模型演示，旨在增加学生的生活常识，提高学习兴趣。

演示正常呼吸：静置的模型虽有气体流动，但气球不会变大。将橡胶膜向下拉，观察塑料瓶内小气球鼓起膨胀，发生吸气运动；放开橡胶膜，使其恢复原位，气球也恢复原来状态，即发生呼气运动。学生演示后，用自己的语言描述模型对应的原型，即人体正常呼吸时，膈肌收缩（舒张）与肺部吸气（呼气）的关系。

演示异物堵塞气管（海默立克急救法）：将接近于吸管孔径的棉团塞进吸管内，模拟异物堵塞气管的情况。向下拉橡皮膜，观察气球大小，若无变化，则表示堵塞，即窒息。海默立克急救法是在异物堵塞气管时，用双手向内向上挤压腹部膈肌，产生向上压力，压迫两肺上部，利用肺部残留气体，形成气流冲出异物。学生利用模型演示海默立克急救法，即用手不断向内挤压橡皮膜和瓶身，观察气球的变化及纸团的位置。

（3） 反思：学生对知识的理解程度直接体现了模型的建构是否有价值，表现在能否将前概念成功转化成科学概念。教师可讓学生重新回答前概念调查问卷中的问题并增加难度稍大的问题，在问答过程中检验学生的理解及概念转换情况，引导学生形成科学概念。

如，师：吸气运动是怎样完成的？

生：由膈肌收缩完成的。

实际上，吸气运动主要有膈肌和肋间外肌收缩完成的。但由于模型只是简易的膈肌运动模型，很容易使学生产生误解，认为吸气只有膈肌收缩，在此教师应对模型之外的知识进行补充。endprint

师：气体进入肺部的物理原理是什么？

生：内外压力不一样。

由于学生缺乏相应的物理知识，语言描述不准确，教师需规范学生回答：膈肌收缩时胸腔体积增大，由于胸腔密闭，气体浓度降低，即压强变小，低于外界大气压，空气由高浓度流向低浓度，顺此压差进入肺部。

师：膈肌收缩和舒张时在胸廓中相对位置哪个高？

生：收缩（有的学生回答舒张）。

回答舒张的学生就是被模型中的橡皮膜所迷惑，主观直觉舒张是向下扩张，收缩是向上缩紧。这时，教师应解释胸廓图：膈肌并不像橡胶膜那样平展，而是向上拱起，吸气时膈肌收缩，表面积减少，自然向下缩紧，呼气则相反。

2.4 评价和修正模型

采用小组互评和自评的方式对模型进行评价，提出模型的缺点和局限性，并对模型的改进提出意见。模型修正过程也是学生拓展思维、加深理解的过程，教师可通过提出问题启发学生思考。如在模型演示过程中，教师要求学生思考使压力变化直观化和定量化的方法。学生会想到用仪器测量等方法，但对测量的方法原理并不熟悉，需要教师进行适当解释。得到在学生思考成果的基础上补充完善，从而帮助学生修正模型。

第二个演示完成后，教师可继续提问：保持肺泡膨胀的必要条件是胸内负压，当胸壁穿透可造成气胸，引起呼吸困难甚至死亡，模型可以演示消去胸内负压和气胸吗？由于简易模型限制较多，学生在无法演示这两种情况时便产生了继续探究的欲望，并积极思考如何改进模型。教师可在学生集思广益时，进行启发和引导，如简易模型抽象化，并增设一个T型管，一端连接测量压强的U型管装置，另一端用胶带封闭以控制瓶内气压，形成膈肌运动的改进模型（图2）。教师利用改进模型引导学生解释气胸时的气压变化原因：向下拉动橡皮膜，气球变大，撕掉T型管口的胶带，瓶外空气进入瓶内造成内部气压变大，大于气球内压力，气球变小，胸内负压消失；气胸是胸膜破裂后，气体进入胸腔导致胸腔积气，压迫肺部，造成呼吸困难甚至死亡。

在此基础上，教师可进一步引导学生观察记录演示前后U型管液面数值的变化，通过计算压强差来领会呼吸运动时压强的变化。学生因此体验了收集证据和数据、用证据和数据来分析解决问题的过程，修正后的模型有助于学生对于概念内涵的理解。

3 建模教学的意义

针对同一概念，采用学生亲自动手探究的教学策略比单纯教师演示的教学策略能更有效地帮助学生转变并形成科学概念。类比模型作为初中生物学众多模型中的一种，在帮助学生建构和理解知识时发挥着重要作用。它能改变学生的学习方式，使学生主动参与，积极思考，动手实践，使学生真正融入到教学过程中，充分体会概念的建构过程，内化知识并提升理性思维。

参考文献：

[1] 张静，郭玉英.物理建模教学的理论与实践简介[J].大学物理，2013：25-30.

[2] 赵萍萍，劉恩山.生物学建模教学研究进展及启示[J].生物学通报，2015：19-23.

[3] 赵萍萍，刘恩山.中学生物学中的类比模型及其构建[J].中学生物教学，2015（6）：4-7.endprint