研制膝跳反射模型 实现思维可视化

孙璟晗

摘  要 将抽象的机制形象化、将内隐的思维可视化是培养学生科学思维的重要方法。以此为出发点，选择初中生物中抽象性较强的膝跳反射神经机制作为切入点，成功研发膝跳反射兴奋传导模型，实现思维过程的可视化。对该模型的研发、制作、使用等方面进行介绍和归纳，以期利用该模型提升学生的理性思维。

关键词 膝跳反射;教具;初中生物学;理性思维;核心素养;思维可视化;模型

中图分类号：G633.91    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）21-0044-03

1 前言及背景

随着教育改革的推進，生物学科越来越重视学生的思维提升，理性思维也成为核心素养的重要组成部分。生物学是建立在大量实证的基础上，运用归纳概括、演绎推理、比较分类等理性思维方式进行机制发掘的基础理论学科。初中生的抽象思维能力还没有全面建立，极大地限制了他们对于生物学机制的深入理解和活学活用。因此，生物教师非常有必要引导学生通过模型制备等活动，将抽象的机制形象化、将内隐的思维可视化。

要想实现思维的可视化，笔者认为有两点关键因素：

1）将复杂机制抽丝剥茧，形象性地加以展示;

2）这种形象化的展示必须具有延展性，能够引导学生对机制进行更深入挖掘，进而解决一系列的科学问题。

膝跳反射是初中生物学“生命活动的调节”中的核心内容之一，该内容完整地展示了人体最基本的反射方式，并以此为基础，引导学生深入理解反射弧这一重要科学概念[1]。学生就膝跳反射神经传导机制进行深入剖析，是从神经系统结构学习转入生理功能理解过程中的重要一环。

但是，笔者发现，学生在理解膝跳反射神经传导机制方面普遍存在不同程度的困难。首先，初中生对兴奋以电信号形式进行传导缺乏认知;其次，神经传导的机制对于初中生来说非常抽象;最后，学生对兴奋传导过程中涉及的一些问题（如先膝跳还是先感觉到韧带被叩击，阻断反射弧某个特定组分导致的现象等）感到无从下手[2-3]。这三方面因素严重制约了学生对神经传导机制的正确理解。因此，研制膝跳反射模型，攻克教学中的重难点，就显得尤为迫切。

基于以上原因，笔者以膝跳反射内容为切入点，引导学生成功构建实现思维可视化的模型。

2 从学生实际出发，实现模型的可操作性

之前见到的一些膝跳反射模型过于复杂，如以电力驱动、用灯带等模拟神经纤维[4-6]。当然，这样的模型的优点在于形象展示了兴奋以电信号的形式进行传导。但是，灯带同时点亮不能模拟神经信号传递的连续性，更为重要的是，初一的学生还没有学过物理，更没有学习过电路方面的操作技能，很难要求每个学生都能设计并掌握电路连接并确保安全操作，因此只能用于演示，学生无法制备，推广性较差。

基于上述考虑，本膝跳反射模型的制备必须具有更好的可操作性，其材料工具（如硬纸板、塑料三通阀、橡胶管、矿泉水瓶、透明胶等）收集方便、价格低廉;制备手法和操作技能简便易行，符合初一年级学生的认知水平和操作能力。模型成品如图1A所示，模型详细制备过程见附件。正因为如此，每一个学生都具有制备该模型的物质条件、知识储备和操作基础。

3 从兴奋传导出发，实现机理解析的可视化

学生普遍对兴奋以电信号形式进行传导缺乏认知，而这正是制约他们对神经传导方式正确理解的关键因素。要突破这一难点，就要求模型一方面能形象模拟电信号的传导，另一方面要能体现出传导的连贯和快速。本模型以橡胶管模拟神经纤维，以红墨水模拟电信号，红墨水在橡胶管内的流动模拟了电信号在神经纤维上的传导，将电信号传导的连贯和快速体现得淋漓尽致，如图1B所示。

神经信号的传导是一个动态的过程，如果仅仅是以静态的图片拼凑成反射弧模型，将大大削弱兴奋传递的动态模拟，同时大大降低模型给学生带来的视觉冲击。因此，本模型用液体颜色的变化生动模拟感受器产生的动作电位（红色）、肌肉细胞产生的动作电位（橘黄色）和大脑皮层对膝盖韧带叩击的触觉感受（紫色），如图1B所示。

由漏斗处注入红墨水模拟膝盖下方韧带被叩击;红墨水模拟神经信号;橡胶管模拟神经纤维;塑料三通阀起到枢纽作用，位于“脊髓”区域;三通阀联结的一条橡胶管末端开口于“股四头肌”处，此处放置一盛有黄色颜料的透明容器，当红墨水流到此处时，染料变成橘黄色，形象模拟了在运动神经元中引发动作电位，引发膝跳反射;三通阀联结的另一条橡胶管末端开口于“大脑皮层”处，此处放置一盛有蓝色颜料的透明容器，当红墨水流到此处时，染料变成紫色，生动模拟了脊髓中有通向大脑的神经元会将这一神经冲动传向大脑，人感觉到膝盖被叩击。

这一连串的液体流动，将兴奋传导的快速和连贯体现得淋漓尽致。更关键的是，伴随着这些动态变化，抽象的机制被层层剖析并形象化展示，学生得以更具象地理解复杂的神经生物学机理。

4 从问题解决出发，实现演绎推理的可视化

膝跳反射的兴奋传导过程经常涉及一些需要深入思考的关键问题[1-2，7]，对这些抽象而复杂的问题，学生往往一时不知从何入手。本模型创造性地从问题解决出发，具有引导学生对机制进行更深入挖掘的前瞻性。

问题1：先膝跳还是先感觉到韧带被叩击？

由于“大脑皮层”在硬纸板上的位置高于“大腿肌肉”所在位置，当模拟神经兴奋的红墨水被注入后，学生可以形象地观察到红墨水会稍快地先到达“大腿肌肉”，由此可知，先膝跳后感觉到韧带被叩击。

问题2：阻断反射弧某个特定组分（如阻断传出神经功能）会导致哪些现象？

反射弧由五部分组成：感受器、传入神经纤维、神经中枢、传出神经纤维、效应器。学生能够理解将其中任意组分阻断后，反射均不能完成，但是阻断其中任一成分，被叩击的感觉还会被体会到吗？尤其是阻断传出神经纤维后，还能否感受到膝盖被叩击？这一问题的解答对学生来说是一个难点。在本模型中，学生只需要用一个燕尾夹夹住模拟传出神经纤维的橡胶管，就可以模拟该阻断过程的发生。学生可以清楚地看到红墨水无法再在“传出神经”中流淌，进而无法到达效应器，引起膝跳动作的产生;但是红墨水仍然可以通过“上行神经”到达“大脑皮层”，所以人们依然会感受到膝盖下方韧带被叩击。

这种直观形象的操作，水到渠成地完成了类似的机制阐述，使原本抽象的演绎推理过程得以形象化展示，学生轻松掌握相关知识。

5 总结及展望

理性思维是一个人面对纷繁复杂的世界作出正确判断的思维基础，而思维的培养不是一蹴而就的，是靠在长期的教学点滴中有意识地引导培养起来。作为教师，不仅要关注学生知识的获得，更重要的是关注学生思维能力的提升，这才是“授之以渔”。思维可视化的展示不仅是攻克教学重难点的重要途径，更是提升学生思维能力的重要手段。通过摸索，笔者成功研制了创新型膝跳反射模型，不仅实现将复杂机制抽丝剥茧，形象性地加以展示，而且这种展示具有延展性，能够引导学生对机制进行深入挖掘，真正实现思维的可视化。

本模型的研制原则还可以推而广之到更多教具、学具的制备。有些教师在研制学具、教具时，过分强调高新技术的使用，或过分注重模型的外观美观。诚然，高新技术可以开阔学生的眼界，外形的美观也能够反映生物体的美感，但教学模型研制的根本出发点更应该是科学实用，能用来攻克教学重难点，能尽可能地让所有学生都有能力和条件参与制作过程。只有这样，研制过程才能面向每一个学生，使每个学生都受益。

学生是教学的主体。在研制该膝跳反射模型过程中，笔者有如下几点体会：

1）要充分激发学生的求知欲和发散思维;

2）要充分肯定每个学生的奇思妙想;

3）要充分给予每个学生验证假设、实践操作的机会。

教师在引导学生完成类似模型制备的创新活动时，要尽可能落实以上三点，对学生充分鼓励、肯定、放手。这样一来，研制活动不仅完成了一个教具、学具的制备，更重要的是激发了学生的创造力、想象力，提升了学生的理性思维。

参考文献

[1]杨守菊，张杰芳.在主动探究中构建生物学概念：以“神经调节的基本方式”一节为例[J].生物学通报，2015（2）：38-41.

[2]步全红，谢念东.关于“神经调节的基本方式”教学的几点建议[J].生物学教学，2015（4）：67-68.

[3]王慧.第三节神经调节的基本方式[J].中学课程辅导：教学研究，2017（11）：182.

[4]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，1990（4）：90-93.

[5]李金芮.膝跳反射演示器[P].中国：CN201220522812.9，2012-10-13.

[6]侯建平，双灵仙.人体膝跳反射演示器[J].实验教学与仪器，2002（3）：22.

[7]张铭.有关膝跳反射的几个问题[J].生物学教学，2016（10）：60-61.

附件：模型制备步骤简介

1）在硬纸板的适当位置粘贴画好的或打印好的“膝盖下方韧带”“股四头肌”“脊髓”和“大脑皮层”等标签和图片。

2）将塑料三通阀与橡胶管联通，并在接口处涂502胶以密封，如图2A所示。

3）将塑料三通阀固定在“脊髓”处，三根橡胶管的末端分别固定在“膝盖下方韧带”“股四头肌”和“大脑皮层”处。注意调整橡胶管长度和橡胶管末端高度。

4）在“膝盖下方韧带”的橡胶管末端开口处联结并固定一个漏斗。

5）在“股四头肌”和“大脑皮层”的橡胶管末端下方固定兩个透明容器（矿泉水瓶瓶底剪成），如图2B所示。“股四头肌”处透明容器中放入浸有黄色染料的滤纸，“大脑皮层”处透明容器中放入浸有蓝色染料的滤纸。