林晓玲 肖冬燕 李刚 朱慧 刘静怡

摘  要 基于STEAM教育理念制作膝跳反射模型注重各个领域知识的结合，联系生物、化学、物理学科的相关知识，直观展示反射弧的五部分结构及模拟反射活动的过程，并利用该模型探究反射弧某一部分结构受损对反射活动的影响。在课堂中利用该模型进行探究，可帮助学生在推导出抽象结论、突破重难点的同时提高科学素养。

关键词 STEAM教育；膝跳反射模型；生物学

中图分类号：G633.91   文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）13-0021-03

0  引言

生物学科核心素养重视对学生科学思维的培养，注重学生分析能力、推理能力、归纳能力和解决问题能力的提高[1]。膝跳反射模型以STEAM教育理念作为基础，有机结合生物、化学、物理学科的知识[2]，可以模拟膝跳反射活动过程。利用该模型探究“反射弧某一部分结构受损对反射活动能否完成的影响”，将学生不可见的、抽象的过程转化成直观的、可操作的过程，将复杂的反射机制用模型进行演示，学生可以在活动中推导、感知课本中“反射活动需要完整的反射弧来实现”的结论，促进思维发展。

1  功能说明[3]

生物学教学过程中通常会采用模型使抽象的知识具体化。膝跳反射是学生所接触的最为简单的反射活动，虽然可以在课堂上组织学生感受膝跳反射的活动，但这个过程存在两个不足之处：一是初中生对反射弧是完成反射活动的结构基础及反射活动的过程并不了解；二是组织初中生在课堂上进行膝跳反射活动所耗费的时间比较多。

而膝跳反射模型清晰可以直观地展示反射弧的五部分结构，首先深化学生对反射弧五部分结构的了解，同时使学生清楚地认识到反射弧是完成反射的结构基础；其次，在使用模型的过程中，学生可以通过探究活动直观地观察、了解反射弧完成反射活动的过程，实现“做中学”。

2  制材作料

制作材料见图1～图8。

3  设计思路及原理

3.1  设计思路

初中学生的特点是形象思维发达，但抽象思维不够完善，对抽象理论的理解不够深刻。在“神经调节的基本方式”这一节中，反射弧的结构、反射活动的过程以及“反射活动需要完整反射弧来实现”这一结论比较抽象。膝跳反射模型将通过直观可见的化学颜色反应，引导学生理解反射弧这一重要概念[4]，并设计活动由学生小组进行合作探究：反射弧某一结构受损对反射活动的影响。学生通过动手得出结果并对结果进行分析，突破对抽象理论“反射活动需要完整的反射弧来实现”的理解。

3.2  设计原理

1）呈碱性的苏打溶液遇到酚酞溶液会变红。

2）碳酸钠与过量醋酸反应的化学方程式：

Na2CO3+2CH3COOH==2CH3COONa+CO2↑+H2O

碳酸钠与少量醋酸反应的化学方程式：

Na2CO3+CH3COOH==CH3COONa+NaHCO3

3）在“效应器”中装入含有酚酞、苏打溶液和过量醋的混合液，刺激“感受器”（推动注射器），空气经由“传入神经”后将“神经中枢”中的苏打溶液压入“传出神经”，最终进入“效应器”，使其中溶液先变红再褪色，模拟膝跳反射的过程。同理，“大脑”中的溶液先变红后又褪色，模拟由“神经中枢”传出的冲动信号刺激“大脑”产生感觉。

4  制作步骤[5]

4.1  调配试剂

1）调配苏打溶液，装于“神经中枢”。

2）调配酚酞、苏打溶液和过量醋的混合溶液，装于“效应器”和“大脑”。（注意：混合溶液为加入酚酞的醋酸-醋酸钠缓冲溶液，以更好地观察先变红再褪色的效果。）

4.2  材料组装

1）用注射器模拟“感受器”，在“传入神经”和“传出神经”之间用密闭容器模拟“神经中枢”，用玻璃瓶子模拟“效应器”和“大脑”，用硅胶软管模拟“传入神经”和“传出神经”。

2）在纸盒上的合适部位打孔，将模拟反射弧各部分结构的材料和锁水夹连接、组装成模型，并贴上标签纸和图案，其中用锁水夹的闭合来模拟相应结构的损坏（图9）。

4.3  预实验

调试模型，通过模拟效应器的瓶子溶液变红来模拟产生效应；通过模拟“大脑”的瓶子溶液变红模拟产生感觉，保证学生能够直观观察到结果。

5  模型使用說明

5.1  推动注射器模拟刺激感受器

空气被压入管内模拟冲动信号在“传入神经”上传导，再经由其传到“神经中枢”，将其内的苏打溶液压出，模拟冲动信号在反射弧上的传导和传递。最后，苏打溶液“传出神经”传到代表效应器和大脑的瓶子中，若是“效应器”和“大脑”中液体变红，则代表产生效应和产生感觉（图10）。此过程可以深化学生对反射弧结构的理解，清晰直观地展示反射活动经过反射弧来完成，学生形成认知：反射弧是反射活动的结构基础。同时，学生可以直接观察到冲动信号在反射弧上的传导和传递是具有一定方向性的。

5.2  该模型还可以被用来探究“反射弧某一结构对反射活动的影响”

教师可以先进行示范：将注射器破坏模拟“感受器”损坏，再刺激“感受器”。学生进行观察和记录。剩余其他四个部分则组织学生进行小组合作探究，通过关闭各个相应结构上的锁水夹的方式，模拟对应结构的损坏。教师可以将学生分成四个小组进行合作探究，学生结合所有探究结果进行分析、推导出结论，突破重难点（表1）。在此过程中，教师需要做的是引导学生利用这个模型进行模拟探究，组织学生在使用模型的同时深化对知识的认识，突出学生的主体地位以及教师的主导地位，培养学生的动手操作能力、分析和解决问题能力，增强学生的合作意识。

6  思考与改进方向

6.1  该模型的突出优点

1）基于STEAM教育理念和生物学科核心素养的要求，该模型将各学科知识进行融合，巧妙地利用苏打溶液遇酚酞变红，醋酸溶液又可以使其褪色的原理，将复杂的生理机制转化成直观现象，将抽象的理论知识实验化，让学生在直观感受和探究的过程中深化对知识的理解。

2）该模型基于简单的化学和物理原理，采用生活中随处可见的醋和苏打作为材料，既安全又贴近学生的实际生活，可以激发学生的创造和创新意识，鼓励学生在生活中发现实验，在实验中感受知识。

3）学科与学科之间不是相互独立的。基于STEAM教育理念的要求，在制作过程中，本模型运用了物理学科中气压的相关知识；在效果上，本模型结合化学颜色反应的相关知识，通过常见的颜色反应直观演示反射活动的过程，将反射过程可视化，符合新课标学科交融的要求。

4）通过学生动手合作探究“反射弧某一结构受损对反射活动的影响”，从而将课本中理论“反射活动需要完整的反射弧来实现”实验化、探究化，促使学生在动手过程中分析和解决问题，提高学生的分析能力和促进其科学思维的发展。

6.2  该模型也存在一些不足，日后将从以下方向进行改进

1）该模型只能观察到反射弧单个结构损坏后对反射活动造成的影响，探究内容较为单一。日后可以对该模型进行改进，寻找更合适的材料进行替换，从而使得模型可以从传入神经、神经中枢到传出神经或者是效应器开始进行刺激，引导学生探索在各类可能发生的情况下反射活动的完成情况，进而得出结论，突出学生的主体地位。

2）思考课堂结束之后模型该如何處理，该模型在选材方面可以进一步完善：纸箱和纸板容易受潮发霉，在日后对模型的改进过程中可以考虑采用更好的、更便于保存的材料来替代纸箱。

3）在教学过程中发现纸箱原本的颜色（暗黄色）不利于学生观察，日后可以在模型的表面附上白纸，将模型的背景改成白色，利于学生观察颜色变化。

参考文献

[1]刘文胜，王程程.普通高中生物课程标准的新理念和新要求[J].基础教育参考，2018（16）：52-53.

[2]龙子翅.基于案例分析的STEAM课堂教学模型构建研究[J].中国教育技术装备，2020（6）：81-83，86.

[3]杨善禄，张文霞，赵枚.膝跳反射电动教具的研制[J].北京师范学院学报（自然科学版），1990（4）：90-93.

[4]孙璟晗.研制膝跳反射模型 实现思维可视化[J].中国教育技术装备，2019（21）：44-45，50.

[5]徐彤，施启迪.简易流动镶嵌模型学具的制作[J].中学生物教学，2020（5）：56-57.