基于生活化的初中生物实验创新模型建构

朱从义

摘 要：生物学是一门以实验为基础的自然科学，人教版初中生物学部分实验存在难度较大、日常操作不便、难以普及的问题。文章以七年级下册“发生在肺内的气体交换”实验为例，基于生活化的理念进行了创新模型建构，使用生活中常见材料自制仪器改进实验。改进后仪器直观简洁，实验现象明显，更好地帮助学生理解肺内气压变化这一抽象概念，更好地构建科学思维，培养生物学学科核心素养。

关键词：初中生物；生活化；实验教学；实验仪器

生物学是一门以实验为基础的自然科学，因此，实验探究是帮助学生理解生物相关理论知识、培养学生动手操作能力和实验验证能力、培养学生自主学习能力，进而提升学生生物学科核心素养的重要手段。但人教版初中生物学部分实验器材专业化，存在使用难度较大、日常操作不便、难以普及的问题，不利于学生掌握。因此，如何推进实验仪器的生活化，让更多学生切身感受实验过程，提高生物学学科素养，实现生物学实验的生活化、普及化、常态化，成为生物实验教学发展的重要课题。基于以上问题，本文将以“呼吸运动”为例，通过构建实验创新模型，探讨如何推进生物实验的生活化。

一、教材实验分析

（一）相关知识简介

呼吸运动即肺与外界的气体交换，它的动力来自于呼吸肌（肋间外肌和膈肌）的收缩和舒张。《义务教育生物学课程标准（2011年版）》（以下简称“课标”）将人的呼吸列入十大主题之一的“生物圈中的人”中，其中要求学生能够“描述人体呼吸系统的组成，概述发生在肺部及组织细胞处的气体变换过程，验证人体呼出的气体中含有较多的二氧化碳”。

人教版七年级下册生物学第四单元第三章第二节“发生在肺内的气体交换”介绍了“膈肌运动与呼吸有什么关系”演示实验，旨在通过一个简单的模拟实验，帮助学生掌握膈肌的收缩与舒张和肺内气体气压变化及气体进出肺部的关系。

（二）教材实验具体情况

教材中的实验装置如图1所示：运用模型模拟人体肺部大致结构，玻璃罩模拟胸廓，玻璃管模拟气管、支气管，气球模拟肺，底部橡皮膜模拟膈。

第一步：向上推模拟膈肌的橡皮膜，橡皮膜舒张，膈顶上升。此时会看到代表胸廓的玻璃罩内体积变小，同时代表肺的2个气球体积也变小了。

第二步：放松模擬膈肌的橡皮膜，橡皮膜收缩，膈顶下降。此时会看到代表胸廓的玻璃罩内体积变大，同时代表肺的2个气球体积也变大了。

通过两步实验，学生看到代表膈肌的橡皮膜，带动肺内气体运动，从而产生呼吸运动，借此理解“肺与外界怎样进行气体交换”。

（三）实验问题分析

1. 实验装置不方便操作和维护

无论是实验材料还是操作，都给操作的人员带来一定不便，对实验的普及产生极大影响。

该实验使用的材料——橡皮膜，由于材质本身限制，容易老化、风化而导致使用寿命较短。为避免这一问题出现，一般会在使用过后拆下来放在玉米淀粉中保存，这在一定程度上增加了实验的工序。此外，由于大块的橡皮膜不易购买，材料采购的限制，影响了实验的开展。

每次实验开始，都需要再次将橡皮膜固定在圆形玻璃罩上，要求气密性要好，否则容易导致实验失败。由于实验装置体积大，橡皮膜不易固定，教师或学生操作时往往花很长的时间，这种操作的不便也影响到了实验的顺利开展。

2. 实验对真实生物学现象解释不全面

实验通过模拟膈肌运动对肺内气体的影响，形象地说明了膈肌对呼吸运动的作用，学生容易理解。但是肋间肌对呼吸运动的影响，在该项实验中没有任何解释。因此，实验容易给学生造成呼吸仅靠膈肌运动推动的片面印象。模拟不够全面而导致对真实生物学现象解释不全面，影响学生生物学核心概念的形成和知识的建构。

3. 学生无法全员参与实验

“课标”中提出“中学生应具有能够发现现实世界中的生物问题，针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施以及结果的交流与讨论的科学探究能力”。但是原实验使用的实验装置粗大笨重、功能单一，一般学校都只会给教师少量配备，仅用于演示。学生在学习过程中只能看“实验”，难以亲自参与实验，得不到体验和尝试的机会，这在一定程度上不符合生物学科学探究的学科特性。

4. 实验相对抽象而难于理解

本实验中涉及一些概念，学生缺乏相应的前备知识基础，可能在理解方面存在困难。如“气压”概念，人教版教材安排在八年级下册物理第九章第三节“大气压强”。对于初一的学生来讲，这样抽象的物理知识难以理解。由于前备知识的缺乏，严重影响学生对呼吸运动过程的理解。

二、基于生活化的创新模型建构

（一）实验思考

针对上述生物实验操作难、维护难、普及度不够的问题，笔者按照“生物实验生活化”的原则，寻找、选择生活中常见易得的材料，特别是一些可回收的废弃物，来重新建构实验模型，提高实验的可行性，同时还培养学生热爱自然，保护环境的环保意识。

针对抽象概念难以理解、解释不全面的问题，拟借鉴物理模型改进生物实验。物理模型是指以实物或图像形式直观地表达认知对象的模型，具有一定的形态结构特征，是对原型的纯化和简化。依据“压力与压强”这一抽象概念学生难以理解的学情，拟通过建构模型帮助学生直观理解。

基于此，笔者利用一些生活中常见的材料，建构“简易呼吸运动模拟器”“膈肌运动模拟器”和“肋间肌运动模拟器”，对“探究胸廓体积变化与呼吸运动的关系”这一实验进行了改进。

（二）实验材料

依据课标要求和教学实际，建构的三种模型，实验材料有所不同，但均来自日常生活，简单易得。具体如下：

“简易呼吸运动模拟器”：矿泉水瓶一支、普通小气球一个，细线若干。

“膈肌运动模拟器”：透明乐扣保鲜盒一个、一次性橡胶手套、Y型玻璃管（或塑料吸管）、气球、橡胶塞、细线。

“肋间肌运动模拟器”：肉红色气球、细线、铁丝。

（三）实验创新模型

1. 简易呼吸运动模拟器

制作步骤如下：

（1）将一个气球用细线绑在一根玻璃管（可用硬吸管代替），气球模拟肺，玻璃管模拟气管。

（2）将有气球一端放进一个撕掉标签的矿泉水瓶中，另一端露在瓶外，水瓶模拟胸廓。

（3）玻璃管穿过瓶塞（可用橡皮泥代替），先将气球适度充气，再将瓶塞塞紧。如图2所示。

2. 膈肌运动模拟器

制作步骤如下：

（1）将橡胶手套沿小拇指方向剪开成一张大橡皮膜，保留大拇指处。将保鲜盒的盖子剪开只留下边缘1厘米宽的部分，在保鲜盒底部中心钻出适合胶塞大小的孔。

（2）将2个气球绑在玻璃管（可用硬吸管代替）上，气球适度充气，再塞好胶塞（可用橡皮泥代替）。气球模拟肺，玻璃管模拟气管。

（3）将剪开的手套橡皮膜盖在保鲜盒盖的反面，注意要全部盖住，大拇指放在中间，将保鲜盒子倒扣到盖子上盒子上，扣紧。橡皮膜模拟膈。如图3所示。

3. 肋间肌运动模拟器

制作步骤如下：

（1）将铁丝做成2个边长10厘米的正方形用来模拟前胸骨骼群和后背骨骼群，再剪4根10厘米长的铁丝，两端弯成环状做成连接铁丝模拟肋骨，套在2个正方形的对称位置，形成一个可以自由变形的立方体框架。

（2）将2个深红色的气球倾斜固定在立方体两侧模拟肋骨的连接铁丝上，气球模拟肋间肌。如图4所示。

（四）创新模型的实验操作

1. 简易呼吸运动模拟器

（1）用力捏矿泉水瓶模拟胸廓缩小，可以看到瓶子体积减小，瓶子内的气球体积缩小。

（2）放松矿泉水瓶模拟胸廓扩大，可以看到瓶子体积增大，瓶子内的气球体积扩大。

2. 膈肌运动模拟器

（1）抓住手套膜大拇指位置向上推橡皮膜模拟膈肌舒张膈顶上升，可以看到保鲜盒内空间减小，盒内的气球体积缩小。

（2）放开手套膜模拟膈肌收缩膈顶下降，可以看到手套膜向下恢复原状，盒内空间增大，盒内的气球体积扩大。

3. 肋间肌运动模拟器

（1）一只手握住代表后背骨骼群的一侧正方形铁丝，向下拉代表前胸骨骼群的另一侧正方形铁丝，模拟肋间肌舒张时胸部向内向下运动，可以看到模拟肋间肌的气球变长，模拟胸廓的铁丝围成的空间变小。

（2）放松代表前胸骨骼群的一侧正方形铁丝，模拟肋间肌收缩时胸部向外向上运动，可以看到模拟肋间肌的气球变短，模拟胸廓的铁丝围成的空间变大。

（五）如何借助新模型理解“胸廓的变化与呼吸运动的关系”

下面以“肋间肌运动模拟器”和“膈肌运动模拟器”为例，如图6，谈谈如何利用新模型进行实验，从而更好地理解“胸廓的变化与呼吸运动”的关系。

1. 肋间肌和膈肌同时舒张，胸骨向下向内运动同时膈顶上升，胸廓缩小胸廓内气体受到挤压气压升高，肺部随之回缩肺内气体受到挤压气压升高，气体被挤压出肺完成呼气。

2. 肋间肌和膈肌同时收缩，胸骨向上向外运动同时膈顶下降，胸廓扩大胸廓内气体受到拉张气压下降，肺部随之扩张肺内气体受到拉张气压下降，外界气体气压大于肺部气体进肺完成吸气。

三、基于生活化的创新实验模型建构意义

（一）从学科角度来看，帮助学生获得对学科知识的全面认知

创新模型增加了呼吸运动与肋间肌的关系实验，能有效地补充教材實验的不足，从而准确完整地演示呼吸运动。对学生而言，这样的实验有利于学科知识的系统建构，有利于学生从根本上全面认识呼吸运动，获得对学科本质性的认识。

（二）从实验效果来看，提高了生物实验的绿色化和普及化

创新模型采用了易得的生活物品作为实验材料，建构实验模型，真正实现了绿色化，自然渗透了绿色环保理念。同时，将实验与生活联系起来，从居家生活中取材，因材料易得，维护方便，显著降低了对实验材料的依赖性，有效降低了实验成本，确保了实验质量。

（三）从学生素养角度来说，培养了学生生物学高阶思维和探究能力

创新实验模型制作简单，学生可以自行制作、操作仪器，培养学生的动手能力，在学中做、在做中学，有效地解决了因仪器限制学生无法深度体验知识的困境，真正实现了学习与生活的深度融合。学生成为学习活动的主体，在模型的制作和操作过程中促进了高阶思维的发展和探究能力的提升。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.义务教育生物学课程标准（2011年版）［M］.北京：北京师范大学出版社，2012.

［2］彭亮.学生成为教学评价主体的探究［J］.湖南师范大学教育科学学报，2015（06）.