創(chuàng)新素養(yǎng)培育視角下的實(shí)驗(yàn)教具設(shè)計(jì)
——以新型“反射弧”演示器為例

梁曉紅 郭繼廣

山東省濟(jì)寧市豐泰中學(xué)(272000) 山東省濟(jì)寧市實(shí)驗(yàn)初中(272000)

教具設(shè)計(jì)是根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生的需求進(jìn)行有針對(duì)性的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì),以提供有效的教學(xué)輔助工具,促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展。在教具設(shè)計(jì)過(guò)程中,教師通過(guò)提供開(kāi)放性的工具、引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維、組織分工以及提供反饋和評(píng)估機(jī)制等方式,極大地鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和跨學(xué)科實(shí)踐能力。實(shí)踐充分證明,通過(guò)教具設(shè)計(jì)可以有效培育學(xué)生的創(chuàng)新素養(yǎng)。

1 膝跳反射實(shí)驗(yàn)

膝跳反射實(shí)驗(yàn)出自山東科學(xué)技術(shù)出版社生物7年級(jí)下冊(cè)第4單元第6章第3節(jié)“神經(jīng)調(diào)節(jié)”,在實(shí)驗(yàn)中,受測(cè)者坐在凳子上,一條腿著地,另一條腿自然地搭在這條腿上。當(dāng)測(cè)試者用手掌的內(nèi)緣快速地叩擊受測(cè)者膝蓋下緣的韌帶時(shí),受測(cè)者的小腿會(huì)突然地抬起,這就是膝跳反射。該反射通過(guò)脊髓就可以完成,是人生來(lái)就有的一種反射。

雖然該實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象比較明顯,但該實(shí)驗(yàn)涉及到的相關(guān)知識(shí)卻較為抽象,學(xué)生普遍較難理解。例如:膝跳反射是如何發(fā)生的?為何人在故意繃緊腿時(shí),不能完成膝跳反射?如果反射弧出現(xiàn)斷點(diǎn),結(jié)果會(huì)如何?大腦和脊髓有哪些關(guān)系,如何才能簡(jiǎn)單和直觀地解決以上問(wèn)題呢?傳統(tǒng)的圖片和普通的教具難以解決以上問(wèn)題?；诖?筆者帶領(lǐng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)開(kāi)啟了項(xiàng)目探究[1]——自制新型“反射弧”演示器。

2 教具設(shè)計(jì)

2.1 教具簡(jiǎn)述

自制新型膝跳反射“反射弧”演示器如圖1所示。

圖1 新型膝跳反射“反射弧”演示器

2.1.1 特點(diǎn)

該新型“反射弧”演示器運(yùn)用了樂(lè)高相應(yīng)的元器件[2],根據(jù)膝跳反射原理構(gòu)建物理模型,并在2臺(tái)EV3主機(jī)中裝入計(jì)算機(jī)軟件程序,能夠較好模擬人體的膝跳反射過(guò)程。使用該教具進(jìn)行教學(xué),教學(xué)形象化,模擬生物現(xiàn)象更科學(xué),且生動(dòng)有趣。

2.1.2 用途

①該教具不僅能讓學(xué)生直觀地了解組成反射弧的五部分,而且能較好地演示膝跳反射的過(guò)程,演示過(guò)程中還能夠讓學(xué)生理解脊髓具有反射和傳導(dǎo)兩種功能;②該教具能夠較好地演示當(dāng)反射弧5部分中的傳入神經(jīng)、傳出神經(jīng)、脊髓白質(zhì)出現(xiàn)斷裂時(shí),會(huì)發(fā)生何種結(jié)果;③該教具能完美地演示當(dāng)人故意繃緊腿時(shí),不能發(fā)生膝跳反射。

2.1.3 創(chuàng)新點(diǎn)

在教學(xué)中,運(yùn)用該教具能夠輕松突破“大腦和脊髓之間的關(guān)系”這一教學(xué)難點(diǎn),收到了非常好的教學(xué)效果,鍛煉了學(xué)生的抽象思維和邏輯思維能力,促進(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)的培育。

2.2 制作材料

樂(lè)高EV3主機(jī)2臺(tái)、大型電機(jī)1個(gè)、樂(lè)高拼裝積木、數(shù)據(jù)線、觸碰傳感器2個(gè)、計(jì)算機(jī)軟件程序。

2.3 制作方法

2.3.1 根據(jù)膝跳反射的原理,理清教具設(shè)計(jì)思路,構(gòu)建“反射弧”概念模型

構(gòu)建概念模型是對(duì)事物進(jìn)行抽象的提煉,讓知識(shí)進(jìn)行有序的編碼[3],再用系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)化的形式與學(xué)生的原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)接和整合,進(jìn)而形成清晰的、完整的知識(shí)體系,能夠極大地提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

膝跳反射反射弧概念模型如圖2所示。

圖2 膝跳反射反射弧概念模型

(1)反射弧的組成:膝跳反射是通過(guò)反射弧來(lái)完成的,反射弧包括5部分:感受器、傳入神經(jīng)、神經(jīng)中樞、傳出神經(jīng)、效應(yīng)器。反射弧缺少其中任何一個(gè)部分,反射均不能完成。

(2)膝跳反射過(guò)程:當(dāng)測(cè)試者快速叩擊韌帶時(shí),韌帶處的感受器感受刺激,并產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng),通過(guò)傳入神經(jīng)傳入脊髓中特定的神經(jīng)中樞,神經(jīng)中樞接受神經(jīng)信號(hào),立刻產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng),并將它傳給傳出神經(jīng),傳出神經(jīng)又將神經(jīng)沖動(dòng)傳至效應(yīng)器,引起肌肉收縮,產(chǎn)生膝跳反射。

(3)脊髓和大腦的關(guān)系:脊髓除了具有低級(jí)神經(jīng)中樞的反射功能,還通過(guò)脊髓白質(zhì)與大腦相連,具有傳導(dǎo)神經(jīng)信號(hào)的功能。大腦具有感覺(jué)、運(yùn)動(dòng)、語(yǔ)言等多種生命活動(dòng)中樞。大腦作為人體的最高“司令部”,對(duì)脊髓(低級(jí)神經(jīng)中樞)還具有控制作用。

2.3.2 選用樂(lè)高元器件,組建“反射弧”物理模型

如圖3所示,根據(jù)膝跳反射“反射弧”概念模型結(jié)合樂(lè)高元器件的特點(diǎn)和功能,項(xiàng)目小組確定了膝跳反射反射弧各部分與樂(lè)高相應(yīng)元器件的對(duì)應(yīng)關(guān)系。感受器選用觸碰傳感器,能夠接受觸碰產(chǎn)生電信號(hào)。傳入神經(jīng)和傳出神經(jīng)選用數(shù)據(jù)線,能夠傳導(dǎo)電信號(hào)。神經(jīng)中樞(脊髓和大腦)選用2臺(tái)EV3主機(jī)。EV3主機(jī)不僅能夠植入計(jì)算機(jī)編程程序,還自身帶有光電傳感器。光電傳感器可設(shè)置紅燈閃爍和恒亮兩種狀態(tài),可用來(lái)模擬神經(jīng)信號(hào)能否正常傳導(dǎo)(光電傳感器的紅燈閃爍代表神經(jīng)信號(hào)能夠正常傳導(dǎo),光電傳感器紅燈恒亮代表神經(jīng)信號(hào)傳導(dǎo)受阻)。效應(yīng)器(大型電機(jī)和積木)能夠接收信號(hào),自動(dòng)抬起后再落下。

圖3 利用樂(lè)高元器件組建膝跳反射“反射弧”模型

2.3.3 組裝零件,植入計(jì)算機(jī)編程程序

2臺(tái)EV3主機(jī):1臺(tái)模擬人體的脊髓、1臺(tái)模擬人體的大腦。

脊髓主機(jī)植入的計(jì)算機(jī)程序采用同步運(yùn)行架構(gòu),2個(gè)子程序同步運(yùn)行且互不干擾。該程序運(yùn)行流程:當(dāng)按下觸碰傳感器1(感受器),發(fā)送數(shù)字信息給脊髓主機(jī),1 s后,屏幕閃爍紅燈(模擬接收到信號(hào)),再過(guò)1 s,大型電機(jī)(效應(yīng)器)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°,模擬產(chǎn)生膝跳反射,再過(guò)1 s,大型電機(jī)(效應(yīng)器)再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°復(fù)位,同時(shí)主機(jī)閃爍綠燈。在植入該計(jì)算機(jī)程序后,該教具能夠較好地模擬人體膝跳反射產(chǎn)生的過(guò)程。

大腦主機(jī)植入程序,也使用了同步運(yùn)行架構(gòu),2個(gè)子程序同步運(yùn)行,且互不干擾。當(dāng)按下觸碰傳感器2,大腦主機(jī)閃爍紅燈(模擬大腦有意控制),1 s后,發(fā)送數(shù)字信息到脊髓主機(jī),脊髓主機(jī)得到信息后,就可以發(fā)出指令,強(qiáng)制電機(jī)和積木不完成轉(zhuǎn)動(dòng)(不完成膝跳反射)。在植入該計(jì)算機(jī)程序后,該教具能夠非常完美地模擬:當(dāng)人體故意繃緊腿時(shí),即使快速地叩擊膝蓋處的韌帶,也不能完成膝跳反射。

2.4 使用方法

2.4.1 演示膝跳反射過(guò)程,理解反射弧的組成及功能

如圖4所示,按壓①觸碰傳感器1(模擬叩擊韌帶),⑨光電傳感器1閃爍紅燈(模擬神經(jīng)沖動(dòng)經(jīng)過(guò)②③④),⑤電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)及積木抬起(模擬小腿抬起)。該過(guò)程演示了神經(jīng)沖動(dòng)由感受器、傳入神經(jīng)傳導(dǎo)至脊髓的神經(jīng)中樞,神經(jīng)中樞發(fā)出指令,將神經(jīng)沖動(dòng)通過(guò)傳出神經(jīng)傳至效應(yīng)器,完成膝跳反射。反復(fù)演示此過(guò)程,使學(xué)生對(duì)膝跳反射有了更深入的認(rèn)識(shí),并能加深對(duì)反射弧組成及各組成部分功能的理解。

圖4 新型膝跳反射“反射弧”演示器

2.4.2 切斷某些節(jié)點(diǎn),反證反射弧的完整性對(duì)反射的意義。

(1)斷開(kāi)②數(shù)據(jù)線1(模擬傳入神經(jīng)受損),按壓①觸碰傳感器1,觀察到⑤電機(jī)及積木(模擬小腿)無(wú)反應(yīng),光電傳感器1、2燈均不閃爍紅燈。該過(guò)程演示了傳入神經(jīng)受損,神經(jīng)沖動(dòng)不能傳到脊髓,反射不能發(fā)生,大腦也不能產(chǎn)生感覺(jué)。

(2)斷開(kāi)④數(shù)據(jù)線2(模擬傳出神經(jīng)受損),按壓①觸碰傳感器1,觀察到⑤電機(jī)及積木(模擬小腿)無(wú)反應(yīng),但⑨光電傳感器1、⑩光電傳感器2均閃爍紅燈。該過(guò)程演示了當(dāng)傳出神經(jīng)受損,脊髓仍能接收到神經(jīng)沖動(dòng),但無(wú)法將神經(jīng)沖動(dòng)傳導(dǎo)到效應(yīng)器,完成反射,但脊髓卻能將神經(jīng)沖動(dòng)通過(guò)白質(zhì)傳至大腦,在大腦中產(chǎn)生感覺(jué)。

(3)斷開(kāi)⑥數(shù)據(jù)線3(模擬高位截癱),按壓①觸碰傳感器1,觀察到⑤電機(jī)及積木(模擬小腿)做出反應(yīng),⑨光電傳感器1閃爍紅燈,但⑩光電傳感器2不閃爍紅燈。該過(guò)程演示了人在高位截癱時(shí),可以完成膝跳反射,但由于脊髓白質(zhì)斷裂,無(wú)法將神經(jīng)沖動(dòng)傳至大腦,不能在大腦中產(chǎn)生感覺(jué)。

2.4.3 演示大腦與反射的關(guān)系,突破難點(diǎn)中的難點(diǎn)。

(1)在使用該教具演示膝跳反射時(shí),⑨光電傳感器1先閃爍紅燈,電機(jī)及積木(模擬小腿)做出反應(yīng),緊接著,⑩光電傳感器2也閃爍紅燈。該過(guò)程演示了膝跳反射僅通過(guò)脊髓即可完成,但脊髓可將神經(jīng)沖動(dòng)通過(guò)白質(zhì)傳導(dǎo)至大腦產(chǎn)生感覺(jué)(即:先有動(dòng)作,后有感覺(jué))。

(2)先按壓⑧觸碰傳感器2(模擬大腦神經(jīng)中樞),此時(shí),光電傳感器2、1先后閃爍紅燈,再按壓①觸碰傳感器1,⑤電機(jī)及積木(模擬小腿)卻無(wú)反應(yīng)。該過(guò)程非常直觀演示了大腦在有意控制時(shí)(故意繃緊腿時(shí)),膝跳反射不能完成。學(xué)生輕松突破大腦對(duì)脊髓具有控制作用這一難點(diǎn)中的難點(diǎn)。

3 教具的教學(xué)意義和價(jià)值

該新型膝跳反射“反射弧”演示器采用了樂(lè)高機(jī)器人相關(guān)元器件,大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,有效地突破了“大腦和脊髓的關(guān)系”這一難點(diǎn)中的難點(diǎn)。在使用該教具教學(xué)時(shí),學(xué)生能將具體感知和抽象思維結(jié)合起來(lái),有助于理解一些抽象的概念,發(fā)展抽象思維和邏輯思維能力。同時(shí),該教具融合了生物、物理、信息技術(shù)等學(xué)科知道,滲透了STEM教學(xué)的理念[4],培養(yǎng)了他們?cè)诿鎸?duì)挑戰(zhàn)和解決問(wèn)題時(shí)的創(chuàng)意表達(dá)能力和創(chuàng)新思維。