科学模型是教师教学时依托的实物、符号或者思维模式的认识媒介，用以解释教学活动中涉及的一些不容易直接接触或难理解的实物客体的性质规律或变化
［1］。《义务教育科学课程标准（2022年）》指出，模型认知是初中科学核心素养中科学思维的重要组成部分。在初中科学教学中，教师可运用科学模型开展丰富的教学活动，帮助学生深入理解科学原理，切实提高其科学思维能力。基于模型的实验教学，有助于培养学生解决问题的能力和创新意识。教师可以以模型为载体，在教学中融入社会热点或生活实例，在解析科学原理的同时，潜移默化地培养学生的社会责任感，全面提升其科学核心素养。
“人体血液循环”是浙教版科学九年级上册第四章第3节“体内物质的运输”中的内容。由于学生在课堂与生活中无法直接观察心脏的结构与功能及血液循环的过程，缺乏感性认识，造成该部分内容在教学中具有较大难度。通过模型建构，可以生动地反映心脏的结构及工作原理，深化学生对结构与功能相适应这一基本原理的认识。同时，基于模型开展探究实验，引导学生自主建构血液循环的过程，不仅可以弥补静态模型教学造成的认识不足，还有利于培养学生的科学思维能力，提升其科学思维品质。此外，通过建构高血压模型并结合实际生活，学生可以在学习过程中理解健康生活的重要性，从而提升他们的社会责任感。
1 传统教学存疑
为解决该节教学内容不易观察、较为抽象的问题，教材编排了心脏结构与血液循环的图片模型（
图1）。
为使学生产生感性认识，教师在教学实践中通常会借助实物模型引导学生认识心脏的结构与功能。心脏的实物模型与血液循环亮灯模型如
图2所示。
在教学实施过程中，教师虽已采用模型法进行教学，使抽象的内容具象化，但仍存在以下问题：①静态的心脏模型使得心脏瓣膜防止血液倒流的功能与其结构难以建立起联系；②不能动态模拟心脏的工作原理；③不能模拟动脉血与静脉血的转化过程；④亮灯模型虽能在一定程度上模拟血液循环的动态过程，但学生对该过程仍停留在记忆阶段，属于浅层学习。因此，基于上述模型进行优化与创新，引导学生在学习中建构出反映结构与功能相适应的心脏基础结构模型，并基于模型开展模拟实验，解决教学中的上述问题是十分必要的。在实验教学中，教师还可以结合小组合作、讨论交流、评价反思等环节，提升学生的科学思维能力与探究实践能力，并促使学生进入深度学习状态。
2 实验模型的设计和制作
基于上述分析，设计和制作合适的模型来模拟血液循环过程，帮助学生认识并理解血液循环过程及规律，一直是教师在该节课教学中希望解决的问题。目前，已有许多教师致力于该装置的设计与制作。不同的装置各具优点与局限，其不足主要有以下几点：基本集中在血液循环的整体过程上，忽略了心脏结构与功能的教学；所选用的材料存在局限性，如用硬质塑料瓶或缺乏弹性的输液瓶模拟心房与心室
［2］，不能模拟心房与心室的收缩与舒张；用注射器提供血液流动动力
［2］，但这与客观事实存在较大的差异；用红、蓝墨水模拟动脉血与静脉血
［3］，但不能模拟毛细血管网处动静脉血转变的过程。
笔者对现有实验装置进行了以下优化：选用弹性较好且大小不同的咽鼓管吹张球模拟心房与心室，瓣膜式单向阀模拟房室瓣与动静脉瓣，将模拟血管的输液管与咽鼓管吹张球连接成一个封闭的系统，在其中加入稀盐酸与紫甘蓝色素提取液的混合液模拟动脉血，氢氧化钠与紫甘蓝色素提取液的混合液模拟静脉血，最后将系统固定在塑料板上。
实验药品与器材：紫甘蓝色素提取液、稀盐酸溶液、氢氧化钠溶液、咽鼓管吹张球、输液管、单向阀、注射器等。
优化后的血液循环装置如
图3所示，通过咽鼓管吹张球的收缩与舒张模拟心房与心室的收缩与舒张，为系统内液体的循环提供动力，利用酸碱反应带来的颜色变化模拟动脉血与静脉血之间的转化。
3 实验模型的创新与应用
科学教学离不开实验，无论是实验装置还是实验方案的设计，都是科学思维的产物，蕴含着丰富的思维教育因素
［4］。在课堂教学中，合理运用优化与创新的实验，让学生在提出问题、研发构造、优化方案、解决问题的过程中掌握心脏的结构与血液循环的原理，体验并认同生物的结构与功能相适应，从而培养其不畏艰难的探索精神和创新精神
［5］。该实验可梳理为3个模块，以“建构基础结构模型—建构血液循环模型—建构高血压模型”的教学路径展开教学实践，促进学生从低阶思维向高阶思维转变
［6］。
3.1 建构基础结构模型，内化结构与功能观
“结构与功能观”是生物学的基本观点，在科学教学中，教师巧妙地运用模型建构知识，即推动学生从不同层面提取和整合信息，将复杂的事物进行简化并抽象出其本质属性，从而理解和掌握复杂的生物学知识，促进“结构与功能”观念的形成，感悟生命的本质
［7］。建构心脏基础结构模型并开展模拟实验的教学实践，可以帮助学生深化对生物体结构与功能观的认知。
教材通过图文展示以及解剖牛心脏活动，帮助学生认识心脏的基本构造。教师也可以借助实验室的心脏实物模型进行教学，但静态模型使学生对瓣膜的结构与功能的关系以及心脏工作原理缺乏理解。因此，教师应引导学生在教材认知的基础上，建构心脏的模型。基础结构模型的建构，需要学生观察结构的实物或示意图，据此将生动的实物转化为抽象的特点，并选择合适的器材进行建模，这样的学习过程能够促进学生由形象思维向抽象思维转化，借助演绎实现思维的发散与延伸，从而内化结构与功能观。
学生基于模型开展探究实验：①观察瓣膜式单向阀的结构（
图4-a）；②逆向给单向阀注入空气，观察单向阀瓣膜的形状（
图4-b）；③模拟动脉瓣和静脉瓣的功能（
图4-c）；④模拟房室瓣的功能（
图4-d）；⑤模拟心脏的收缩与舒张，呈现心脏的工作原理（
图4-e）。通过递进式活动的开展，学生对瓣膜结构与功能、心脏工作原理的认识从认知记忆的思维向分析类比、推理论证进阶，利于学生科学思维能力的提升，同时使学生在活动中体验瓣膜结构与功能相适应的特点，感悟生命体结构的精妙绝伦。
3.2 建构血液循环模型，提升科学思维品质
模拟动脉血与静脉血的转化过程，以及肺循环与体循环的过程，有利于提升学生思维的创造性与批判性。
（1） 建构血液转化模型，提升思维的创造性。
在实践中，除善于发现问题、思考问题外，更重要的是要创造性地解决问题。教材通过图片和文字阐述毛细血管中动脉血与静脉血之间的转化（
图5），但学生无法观察到这一变化过程，缺乏感性认识，仍停留在记忆层次。
在已有的实验改进中，有向新鲜的鸭血中通入氧气和二氧化碳进行模拟的，但其实验效果并不理想。对此，教师在教学中应充分调动学生运用所学知识，自主解决探究中的问题，理解血液变化的过程。在引导学生开展实验活动时，可向模拟毛细血管的茂非式滴管中加入氢氧化钠溶液，向模拟动脉的塑料管中注入稀盐酸和紫甘蓝色素提取液的混合液，就可以观察到红色液体流经滴管后变成黄绿色，模拟血液从动脉血转化成静脉血。同理，在模拟静脉血转化为动脉血的过程中，可以观察到液体由黄绿色变成红色。
在实验中，对于如何生动模拟动静脉血之间的变化问题，学生能积极思考，突破固有思维的束缚，将已有的化学知识进行迁移，创造性地提出用紫甘蓝色素提取液作为酸碱指示剂，利用酸碱溶液与指示剂的化学变化来模拟血液颜色的变化，其新颖的组合，能深化学生对动脉血与静脉血转化过程的认识。学生在具象的模拟实验中动手动脑，锻炼了思维的创造性。
（2） 建构整体循环模型，提升思维的批判性。
批判性是思维活动中独立发现和批判的程度，来自对思维活动各环节、各方面进行调整、校正的自我意识。在教学中应用图片或亮灯模型，虽能帮助学生认识血液循环过程，但静态模型教学缺乏生动性，造成学生对循环过程仅停留在记忆阶段。基于基础结构模型，学生可用输液管模拟血管，动手操作进行连接。在实践中，学生会将左心房与左心室连接，右心房与右心室连接，发现这样连接会导致全身血液不能形成整体的循环（
图6-a）；引导学生逐步修正方案，最终连接出符合事实的方式（
图6-b），遂借助模型模拟了血液循环的整个过程。
建构模型和模拟血液循环的过程，能极大地增强学生对体循环和肺循环路径的理解。在活动中，教师鼓励学生积极提出疑问。例如：为什么血液必须经过肺部进行气体交换？体循环和肺循环之间有何关联和区别？在解答问题的过程中，引导学生运用批判性思维，不仅要其接受事实，更要理解背后的原理和机制。学生在学习过程中善于反思、善于质疑，既培养了思维的批判性，又真正进入了深度学习。
3.3 建构高血压模型，培养态度与责任意识
建构模型的目的，是将生物学概念内化为解决问题的能力。学生能否利用模型解释生命现象，并对生命现象作出推断和分析，是评价学习有效性和思维达成情况的途径之一。教材简要介绍了高血压的成因与危害，但介绍处于较浅层水平。高血压是人群中的高发疾病，在课堂教学中，教师可以引导学生建构高血压模型，运用该模型阐述高血压的产生及危害。基于血液循环模型，在一部分管道内嵌入物体模拟动脉硬化斑块；挤压咽鼓管吹张球，模拟心室收缩，可以观察到，在“病变”区域，血管狭窄，导致血液对血管壁的压强增大。学生结合实验与教师提供的补充资料，讨论血管阻塞或硬化的原因，引申出高血压的预防和治疗措施。
通过生动直观的模型建构和模拟实验，学生不仅能掌握高血压的生理病理机制，还能认识到高血压的风险因素和防治措施，将所学知识应用于日常生活中，养成良好的生活习惯，树立起关爱自身健康的意识。此外，学生通过了解我国高血压疾病的高发状况和防治工作的重要性，能意识到健康教育的社会价值，有助于树立关心社会公共健康、积极参与健康宣教活动的社会责任感。
4 结语
基于模型认知的实验教学以素养立意为导向，注重深度学习的实现。教师引导学生建构和运用模型，学生能直观感受结构与功能的联系，促使他们从单纯接受知识到主动建构知识。利用模型开展模拟实验，结合小组合作、讨论交流和评价反思，有利于锻炼学生的分析、综合、评价和创新能力，实现思维由低阶向高阶转化。此外，延伸与拓展模型，亦能使其成为涵育态度责任观的良好载体。在教学实践中，教师可以结合自身的实践经验创设更多合适的基于模型的实验优化与创新方案，如尿液形成的动态模型、生态系统中能量流动的动态模型等。这种方式不仅能调动学生的学习兴趣，激发其学习动机，更能在实验探究中促使其挑战自我，打破传统的思维定式，培养其勇于探索和创新的精神。
京公网安备11010202008535号
PDF
(648KB)
