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建构模型优化“人体血液循环”教学

建构模型优化“人体血液循环”教学

 Construct models of human circulatory system to improve teaching and learning

段玉佩      陈月艳

(北京市第四中学 北京 100034)

 

摘要  利用简易材料建构人体血液循环系统的模型,帮助7年级学生理解“人体血液循环”的结构和功能。降低教师教学难度,增加学生学习乐趣,优化教学效果。

 

关键词  生物模型  血液循环 教学

 

“人体血液循环”的知识是初中生物教学的重点,也是教师教授、学生学习的难点。在生物学课程标准(2011版)(以下简称“课标”)[[1]]列出的10大主题中,“人体血液循环”属于“生物圈中的人”这一主题。在北京地区广泛使用的三种版本教材(“人民教育出版社”版、“北京师范大学出版社”版、“北京出版社”版)中,都建议通过观察小鱼尾鳍中的血流情况来帮助学生认识“血液在心脏血管系统中循环流动”这一事实。这个活动的优势在于可以让学生看到血液是流动的,同时能让学生看到单个红细胞通过毛细血管的情况。

“课标”对于这部分的教学要求是“概述血液循环”,“观察小鱼尾鳍中的血流情况”活动对于这个目标的实现存在局限性:首先,观察对象是鱼而不是人;其次,实验现象只是呈现了动物体局部的血流情况而非整体血流情况。为了能优化教学效果,笔者尝试利用科学建模来辅助教学。科学建模是一套复杂的策略,可供运用的模型的形式和种类繁多,功能包括:描述复杂的现象;阐明系统中的核心概念;探索模型可以探索系统是如何协调工作的;预测未来的状况;为实际操作提供建议;促进理念的交流等[[2]]。笔者通过教学实践发现,在此部分教学时运用适恰的科学建模活动,能够让学生更好地概述血液循环,甚至能让学生通过建构模型来预测未来状况,降低了教学难度,增加了学习乐趣。

1        准备模型

1.1     模型的选择

笔者期待建构的人体血液循环模型能满足以下四个标准:体现人体、呈现全局、表现结构、预测功能。在进行文献检索工作之后,笔者选择改进香港学者研制的“气泵式心脏模型”[[3]],来试图实现以上四个标准。

1.2     材料用具

材料:气泵(图1),红色纸、蓝色纸、粉色气球、绿色气球、线、乳胶管、块状磁铁、条状软磁铁、白纸、两面胶带

用具:剪刀、胶条

图1 气泵

1.3     制作方法

1)制作模型:在“气泵式心脏模型”的基础上,笔者进行了以下改进:将原模型的塑料袋换成形变更明显的气球;将模拟主动脉和肺静脉的塑料管用红色纸包裹,将模拟上、下腔静脉和肺动脉的塑料管用蓝色纸包裹,以示其内部流动的血液含氧量不同;自制标示贴在气泵表面,让心脏结构更易识别;将块状磁铁粘在气泵后面,更方便固定在铁质黑板上进行讲解;使用模型的同时配合黑板上人体血液循环板图进行更形象化的讲解。

2)模型与实物的对应关系:在使用改进模型的过程中,让学生从人体心脏、血管、组织、细胞的结构特点出发,依次建立起实物与模型的对应关系,再根据模型的功能特点推知心脏各结构的功能特点。建构完成的模型如:图2。模型与实物的对应关系如:表1。

 

图2  教学任务完成后师生共同建构的血液循环途经途径模型

图2:人体血液循环建模图

 

 

表1:人体血液循环实物与模型对应关系表

实物

模型

左心室、右心室

左心房、右心房

气泵

心脏瓣膜

气泵阀门

主动脉、肺静脉

红色管

上、下腔静脉、肺动脉

蓝色管

身体组织细胞

粉色气球

肺部组织细胞

绿色气球

 

2        建构模型

 

2.1     建构人体的心脏模型

     1)人体的心脏结构:人体的心脏有四个腔,每个腔有两个开口。左心房一个开口连接肺静脉,另一个开口通向左心室;左心室一个开口连接左心房,另一个开口通向主动脉;右心房一个开口连接上、下腔静脉,另一个开口通向右心室;右心室一个开口连接右心房,另一个开口通向肺动脉。

     2)气泵结构:气泵有两个孔,一个为进气孔,另一个为出气孔,气流通过气孔上的阀门单向流通。

     3)用四个气泵来建构心脏模型:气泵中气体流动原理与心脏四个腔室中血液流动的原理是一致的,用一个气泵可以模拟心脏四个腔室中的任何一个。将一个气泵的出气孔和另一个气泵的进气孔用乳胶管连接起来可以分别模拟左心房和左心室,同理再用两个气泵连接模拟右心房和右心室。在黑板上画心脏结构的示意图,让学生将气泵模型摆放到示意图的相应位置上,心脏模型建构完成(图3)。此环节引导学生思考心脏中血流方向的情况,并可以尝试挤压气泵,观察气泵的形变情况,可知:左心房的血液只能流向左心室;右心房的血液只能流向右心室。

图3  建构完成的心脏模型

图3:建构完成的心脏模型

 

2.2     建构体循环模型:左心室泵出的血液通过主动脉流向身体组织细胞,并在组织细胞毛细血管处完成氧气和二氧化碳的交换。血液刚刚泵出左心室的时候是氧含量充足的富氧血,经过组织细胞后变为含氧量低的贫氧血。用红色和蓝色管分别模拟富氧血和贫氧血流经的血管,用粉色气球模拟组织细胞,建构体循环模型(图4)。此环节引导学生思考体循环的起点和终点,血液中的物质发生了哪些变化。可以尝试挤压左心室,发现粉色气球充气膨胀。可知:血液从左心室泵出,经过身体各部分组织,为其供给氧气和养料,带走二氧化碳和废物,最后汇集到上、下腔静脉,再流回右心房。

图4 建构完成的体循环模型

图4:建构完成的体循环模型

 

2.3     建构肺循环模型:体循环后的贫氧血通过右心房进入右心室,右心室收缩泵血,通过肺动脉将血液运输到肺部毛细血管完成气体交换,之前的贫氧血重新变为富氧血,通过肺静脉流回到左心房。用红色和蓝色管分别模拟富氧血和贫氧血流经的血管,用绿色气球模拟肺,建构肺循环模型(图5)。此环节引导学生思考肺循环的起点和终点,血液中的物质发生了哪些变化。可以尝试挤压右心室,发现绿色气球充气膨胀。可知:血液从左心室流向肺部,在肺部进行二氧化碳和氧气的交换,之前的贫氧血变为富氧血,通过肺静脉流回左心房。

 

图5  建构完成的肺循环模型

图5:建构完成的肺循环模型

 

2.4     运用模型总结人体血液循环系统的结构和功能:引导学生在黑板上标注模型各部分结构名称、过程说明、血液流动方向等细节信息,完善模型建构(图2)。尝试挤压心脏的不同腔室,观察血液流动状态,说明人体血液循环的功能。设置情景,预测人体血液循环系统会发生哪些状况,并利用模型做出模拟活动加以验证。

 

3        模型的局限与使用注意事项

 

3.1  模型的局限:本套模型能够很好地模拟人体血液循环的结构和功能特点,但“所有的类比都是蹩脚的”(德国民间谚语),本套模型的缺陷仍有很多,举例如下,待后续完善。

1)阀门与瓣膜的数量不同:模拟心房和心室的气泵有独立的阀门,但真实心脏的心房和心室则共享一个瓣膜。

2)绿色气球模拟的不是肺:绿色气球模拟的是肺部的毛细血管网,而并非真正的肺。绿色气球充气只能代表血液流动的情况,而并非肺部获得空气的过程,提醒学生注意。

3)管道的形态结构单一无法表示多样的血管:人体血液循环系统中的三种血管:动脉、静脉、毛细血管不能很好地通过管道分别模拟,而且管道缺乏弹性,不能更好地说明血管中承载血液及协助运送血液的事实。

 

3.2   模型使用注意事项

1)模型中充气而非液体:本套模型以气泵和管道为基础,内部流动的是空气,而非液体。如果想说明气泵的原理和水泵的原理是一致的,教师在使用本套模型的时候,可以尝试带领学生用气泵泵水,让学生明白如果内部流动的是液体的话,结果也是单向流动的。

2)四个气泵一样但心脏的四个腔不同:心脏的四个腔的体积、体壁厚度、结构均不同,提醒学生注意模型仅仅模拟了心脏的功能,心脏结构的精确性还需要图示来帮助提高。

3)心脏与血管连接的位置不同:为了建模的方便,将心脏和血管连接位置按照气泵的结构进行了调整。真正的心脏和血管连接的方式并非如此分散而是非常集中的,这也是心脏外科手术困难的原因之一。

4)根据实际情况调整模型的使用:笔者曾根据不同情况尝试过三种不同的模型使用方法。面对基础薄弱的群体:教师完成模型建构的主要环节,引导学生思考模型模拟的相应结果。面对基础中等的群体:教师引导,学生建构模型。面对基础优秀的群体:教师说明,学生自主分组自主建构并说明模型模拟的人体血液循环系统的结构和功能特点。

 

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]]  Svoboda, J., & Passmore, C. (2011). The strategies of modeling in biology education. Science & Education,22:1,119-142

[[3]]  Lee, Yeung Chung(2001) ‘Construction of heart models using simple air pumps’, Journal of Biological Education, 36:1,42-44

(本文引用信息:段玉佩, 陈月艳. 构建模型优化“人体血液循环”教学[J]. 生物学通报, 2015, 50(10):33-35.)

建构模型优化“人体血液循环”教学(PDF)

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