基于核心素养的初中生物自制教具开发与应用研究

引言

《义务教育生物学课程标准》（2022 版 ） 高度关注学生学习过程中的实践经历，强调学生的学习过程，选择恰当的真实情境，设计学习任务，让学生积极参与动手和动脑的活动。能够结合学生的生活经验，通过教具模型展示，引导学生识别和推断结构功能，帮助学生形成结构和功能相适应的观念。

一、“人体呼吸运动模拟装置”的制作与原理

为了将人体呼吸过程中不可见的生理机制转化为清晰可操作的物理模型，本装置在设计上注重结构的简明性与原理的科学性，力求贴近初中学生的认知水平，便于在常规课堂环境中实施与应用。

（一）材料准备

制作该模拟装置所需的材料都是日常生活中容易获得的物品。主要包括一个透明塑料瓶、一个 Y 形玻璃管、两个小气球、一块弹性较好的橡胶膜以及适量橡皮泥。其中橡胶膜若不便直接获取，也可以用剪开的皮代替，关键是要具备良好的弹性与密封性能。这些材料成本低廉，准备简单，完全符合中学生物实验教学的实际条件，便于教师课前准备或组织学生自行准备。

（二）制作步骤

制作该模拟装置的过程可分为几个明确的阶段，每个阶段都需要注意细节以确保装置的演示效果。第一阶段是处理塑料瓶，需要用一个 500 毫升左右的透明塑料瓶，使用剪刀或美工刀将其底部平整地切除。切割时要保持切口边缘光滑，避免留下尖锐棱角或毛刺，以免后续操作时划伤手部或损坏橡胶膜。第二阶段是安装膈肌模型，取一块厚度适中的橡胶膜，尺寸要略大于瓶底切口，将其紧密覆盖在瓶底开口处，使用橡皮筋或防水胶带进行固定，固定时要注意保持橡胶膜的平整度和适度张力，使其能够灵活上下移动。第三阶段是组装肺部模型，将两个小型气球分别套在 Y 形玻璃管的两个分支端口上，用细线或橡皮圈扎紧接口防止漏气，注意气球不要充气，保持自然松弛状态。第四阶段是整体组装，将带有气球的 Y 形管从瓶口缓缓插入，使两个气球自然垂挂在瓶体内，注意调整位置避免相互缠绕。最后阶段是密封处理，使用橡皮泥或热熔胶仔细填充瓶口与玻璃管之间的所有空隙，确保整个装置完全密封。完成组装后，需要轻轻拉动橡胶膜测试气密性，观察气球是否随着操作规律性地膨胀和收缩，确认无误后即可用于课堂教学演示。

（三）工作原理

该装置的工作原理基于物理学中的气压变化原理。当向下拉动橡胶膜时，相当于模拟人体膈肌收缩的状态，此时瓶内胸腔容积增大，导致内部气压降低，形成负压环境。外界大气压高于瓶内气压，于是空气通过 Y 形管进入气球内，使气球膨胀鼓起，这一过程模拟的是人体吸气机制。当松开橡胶膜时，橡胶膜依靠自身弹性回弹，相当于膈肌舒张的状态，导致瓶内容积减小，内部气压升高形成正压，压迫气球收缩，将内部气体通过 Y 形管排出，这一过程模拟的是人体呼气机制。通过这样动态直观的演示，将胸腔容积变化、气压改变与气体流动三者之间的因果关系清晰地呈现出来，帮助学生理解呼吸运动的物理本质。

二、教具在教学实践中的应用与价值

自制教具的开发最终需服务于课堂教学实践，其真正价值在于能否有效促进学生对知识的理解与素养的生成。本装置在初中生物教学中的应用，展现出其独特的教学功能与育人潜力。

（一）化抽象为具体，构建科学模型

呼吸运动原理因其涉及体内不可见的压力变化与肌肉协同作用，一直是学生理解的难点。教材中的图文叙述往往显得静态而抽象。本模拟装置的应用则有效地解决了这一困境。在课堂教学中，教师可以组织学生以小组合作的形式，亲手操作装置。当学生向下拉动橡胶膜时，他们会立即观察到两个气球同时鼓起的现象；松开手后，气球则随之萎缩。这一可视化的动态过程，将“膈肌收缩”、“胸腔容积扩大”、“肺扩张”等一系列抽象术语转化为具象的、可感知的操作与现象。学生通过亲身实践，能够自然而然地建立起胸腔容积变化与气体流动之间的因果逻辑关系，从而实现对“呼吸是呼吸肌收缩和舒张引起的主动过程”这一核心概念的深刻理解。这个过程本质上是引导学生经历了一次完整的模型构建与认知过程，帮助他们从具体的物理模型中抽象出普适的生物学规律，极大地锻炼了其模型与建模的科学思维，这正是核心素养中“生命观念”与“科学思维”的体现。

（二）激发探究兴趣，培养科学思维

该教具的价值不仅仅在于验证已知结论，更在于它能够成为一个激发学生深度思考的平台。在学生初步验证了呼吸运动的基本原理后，教师可以适时提出更具挑战性的问题，引导学生对模型的局限性进行批判性审视。例如，教师可以询问学生，当前的装置是否完美模拟了人体全部情况，装置是否存在漏气的可能以及漏气会导致什么结果，或者如何对现有模型进行改进以模拟肋间肌在呼吸中的作用。这些问题会促使学生进入分析、评估与创造的高阶思维层面。他们会尝试用手堵住 Y 形管口来模拟呼吸道阻塞，会讨论如何在瓶侧增加活动结构来代表肋骨的运动。在这一系列猜想、设计、验证与修正的探索过程中，学生不仅加深了对呼吸系统结构与功能相适应的整体认识，更重要的是，其科学探究的兴趣被有效激发，实事求是的科学态度和勇于创新的批判性思维得以潜移默化地培养。这种以学生为主体、以问题为导向的探究式学习，正是将核心素养的培养目标真正融入课堂教学实践的有效途径。

结语

利用“人体呼吸运动模拟装置”进行教学，是将核心素养培育落地课堂的一次有效实践。它以其低成本、高效益的优势，打破了教学条件的限制，使学生在观察、操作和思考中主动完成了知识的建构与内化。未来，我们将继续探索更多贴近教学实际的自制教具，让生物课堂更加生动、深刻，真正肩负起培养学生核心素养的使命。

参考文献

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[3] 李彦菊 . 初中生物自制模具在实验教学中的应用方法探析 [J].考试周刊 ，2023（1）：120-123.