创新素养培育视角下的实验教具设计——以新型“反射弧”演示器为例

梁晓红 郭继广

山东省济宁市丰泰中学(272000) 山东省济宁市实验初中(272000)

教具设计是根据教学目标和学生的需求进行有针对性的开发设计,以提供有效的教学辅助工具,促进学生的学习和发展。在教具设计过程中,教师通过提供开放性的工具、引导学生发散思维、组织分工以及提供反馈和评估机制等方式,极大地锻炼了学生的创新意识和跨学科实践能力。实践充分证明,通过教具设计可以有效培育学生的创新素养。

1 膝跳反射实验

膝跳反射实验出自山东科学技术出版社生物7年级下册第4单元第6章第3节“神经调节”,在实验中,受测者坐在凳子上,一条腿着地,另一条腿自然地搭在这条腿上。当测试者用手掌的内缘快速地叩击受测者膝盖下缘的韧带时,受测者的小腿会突然地抬起,这就是膝跳反射。该反射通过脊髓就可以完成,是人生来就有的一种反射。

虽然该实验的现象比较明显,但该实验涉及到的相关知识却较为抽象,学生普遍较难理解。例如:膝跳反射是如何发生的?为何人在故意绷紧腿时,不能完成膝跳反射?如果反射弧出现断点,结果会如何?大脑和脊髓有哪些关系,如何才能简单和直观地解决以上问题呢?传统的图片和普通的教具难以解决以上问题。基于此,笔者带领学生团队开启了项目探究[1]——自制新型“反射弧”演示器。

2 教具设计

2.1 教具简述

自制新型膝跳反射“反射弧”演示器如图1所示。

图1 新型膝跳反射“反射弧”演示器

2.1.1 特点

该新型“反射弧”演示器运用了乐高相应的元器件[2],根据膝跳反射原理构建物理模型,并在2台EV3主机中装入计算机软件程序,能够较好模拟人体的膝跳反射过程。使用该教具进行教学,教学形象化,模拟生物现象更科学,且生动有趣。

2.1.2 用途

①该教具不仅能让学生直观地了解组成反射弧的五部分,而且能较好地演示膝跳反射的过程,演示过程中还能够让学生理解脊髓具有反射和传导两种功能;②该教具能够较好地演示当反射弧5部分中的传入神经、传出神经、脊髓白质出现断裂时,会发生何种结果;③该教具能完美地演示当人故意绷紧腿时,不能发生膝跳反射。

2.1.3 创新点

在教学中,运用该教具能够轻松突破“大脑和脊髓之间的关系”这一教学难点,收到了非常好的教学效果,锻炼了学生的抽象思维和逻辑思维能力,促进了学生创新素养的培育。

2.2 制作材料

乐高EV3主机2台、大型电机1个、乐高拼装积木、数据线、触碰传感器2个、计算机软件程序。

2.3 制作方法

2.3.1 根据膝跳反射的原理,理清教具设计思路,构建“反射弧”概念模型

构建概念模型是对事物进行抽象的提炼,让知识进行有序的编码[3],再用系统化和结构化的形式与学生的原有的认知结构进行对接和整合,进而形成清晰的、完整的知识体系,能够极大地提高学生学习效率。

膝跳反射反射弧概念模型如图2所示。

图2 膝跳反射反射弧概念模型

(1)反射弧的组成:膝跳反射是通过反射弧来完成的,反射弧包括5部分:感受器、传入神经、神经中枢、传出神经、效应器。反射弧缺少其中任何一个部分,反射均不能完成。

(2)膝跳反射过程:当测试者快速叩击韧带时,韧带处的感受器感受刺激,并产生神经冲动,通过传入神经传入脊髓中特定的神经中枢,神经中枢接受神经信号,立刻产生神经冲动,并将它传给传出神经,传出神经又将神经冲动传至效应器,引起肌肉收缩,产生膝跳反射。

(3)脊髓和大脑的关系:脊髓除了具有低级神经中枢的反射功能,还通过脊髓白质与大脑相连,具有传导神经信号的功能。大脑具有感觉、运动、语言等多种生命活动中枢。大脑作为人体的最高“司令部”,对脊髓(低级神经中枢)还具有控制作用。

2.3.2 选用乐高元器件,组建“反射弧”物理模型

如图3所示,根据膝跳反射“反射弧”概念模型结合乐高元器件的特点和功能,项目小组确定了膝跳反射反射弧各部分与乐高相应元器件的对应关系。感受器选用触碰传感器,能够接受触碰产生电信号。传入神经和传出神经选用数据线,能够传导电信号。神经中枢(脊髓和大脑)选用2台EV3主机。EV3主机不仅能够植入计算机编程程序,还自身带有光电传感器。光电传感器可设置红灯闪烁和恒亮两种状态,可用来模拟神经信号能否正常传导(光电传感器的红灯闪烁代表神经信号能够正常传导,光电传感器红灯恒亮代表神经信号传导受阻)。效应器(大型电机和积木)能够接收信号,自动抬起后再落下。

图3 利用乐高元器件组建膝跳反射“反射弧”模型

2.3.3 组装零件,植入计算机编程程序

2台EV3主机:1台模拟人体的脊髓、1台模拟人体的大脑。

脊髓主机植入的计算机程序采用同步运行架构,2个子程序同步运行且互不干扰。该程序运行流程:当按下触碰传感器1(感受器),发送数字信息给脊髓主机,1 s后,屏幕闪烁红灯(模拟接收到信号),再过1 s,大型电机(效应器)逆时针旋转90°,模拟产生膝跳反射,再过1 s,大型电机(效应器)再顺时针旋转90°复位,同时主机闪烁绿灯。在植入该计算机程序后,该教具能够较好地模拟人体膝跳反射产生的过程。

大脑主机植入程序,也使用了同步运行架构,2个子程序同步运行,且互不干扰。当按下触碰传感器2,大脑主机闪烁红灯(模拟大脑有意控制),1 s后,发送数字信息到脊髓主机,脊髓主机得到信息后,就可以发出指令,强制电机和积木不完成转动(不完成膝跳反射)。在植入该计算机程序后,该教具能够非常完美地模拟:当人体故意绷紧腿时,即使快速地叩击膝盖处的韧带,也不能完成膝跳反射。

2.4 使用方法

2.4.1 演示膝跳反射过程,理解反射弧的组成及功能

如图4所示,按压①触碰传感器1(模拟叩击韧带),⑨光电传感器1闪烁红灯(模拟神经冲动经过②③④),⑤电机运转及积木抬起(模拟小腿抬起)。该过程演示了神经冲动由感受器、传入神经传导至脊髓的神经中枢,神经中枢发出指令,将神经冲动通过传出神经传至效应器,完成膝跳反射。反复演示此过程,使学生对膝跳反射有了更深入的认识,并能加深对反射弧组成及各组成部分功能的理解。

图4 新型膝跳反射“反射弧”演示器

2.4.2 切断某些节点,反证反射弧的完整性对反射的意义。

(1)断开②数据线1(模拟传入神经受损),按压①触碰传感器1,观察到⑤电机及积木(模拟小腿)无反应,光电传感器1、2灯均不闪烁红灯。该过程演示了传入神经受损,神经冲动不能传到脊髓,反射不能发生,大脑也不能产生感觉。

(2)断开④数据线2(模拟传出神经受损),按压①触碰传感器1,观察到⑤电机及积木(模拟小腿)无反应,但⑨光电传感器1、⑩光电传感器2均闪烁红灯。该过程演示了当传出神经受损,脊髓仍能接收到神经冲动,但无法将神经冲动传导到效应器,完成反射,但脊髓却能将神经冲动通过白质传至大脑,在大脑中产生感觉。

(3)断开⑥数据线3(模拟高位截瘫),按压①触碰传感器1,观察到⑤电机及积木(模拟小腿)做出反应,⑨光电传感器1闪烁红灯,但⑩光电传感器2不闪烁红灯。该过程演示了人在高位截瘫时,可以完成膝跳反射,但由于脊髓白质断裂,无法将神经冲动传至大脑,不能在大脑中产生感觉。

2.4.3 演示大脑与反射的关系,突破难点中的难点。

(1)在使用该教具演示膝跳反射时,⑨光电传感器1先闪烁红灯,电机及积木(模拟小腿)做出反应,紧接着,⑩光电传感器2也闪烁红灯。该过程演示了膝跳反射仅通过脊髓即可完成,但脊髓可将神经冲动通过白质传导至大脑产生感觉(即:先有动作,后有感觉)。

(2)先按压⑧触碰传感器2(模拟大脑神经中枢),此时,光电传感器2、1先后闪烁红灯,再按压①触碰传感器1,⑤电机及积木(模拟小腿)却无反应。该过程非常直观演示了大脑在有意控制时(故意绷紧腿时),膝跳反射不能完成。学生轻松突破大脑对脊髓具有控制作用这一难点中的难点。

3 教具的教学意义和价值

该新型膝跳反射“反射弧”演示器采用了乐高机器人相关元器件,大大激发了学生的学习兴趣,有效地突破了“大脑和脊髓的关系”这一难点中的难点。在使用该教具教学时,学生能将具体感知和抽象思维结合起来,有助于理解一些抽象的概念,发展抽象思维和逻辑思维能力。同时,该教具融合了生物、物理、信息技术等学科知道,渗透了STEM教学的理念[4],培养了他们在面对挑战和解决问题时的创意表达能力和创新思维。