基于建模教学的初中生物教学设计
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摘要：通过构建并使用优化的肾单位模型，化抽象为具体，帮助学生了解肾单位各个结构之间的空间关系，利用模型模拟肾单位的过滤和重吸收功能，培养学生形成“生物题结构与功能相适应”的生命观念。
关键词：肾单位 模型建构
《义务教育生物学课程标准（2022年版）》在课程理念中强调“教学过程重实践”，鼓励学生像科学家一样通过实践体验科学知识的形成过程。“建构和使用模型”是科学探究的一项重要实践活动之一，能够帮助学生简化对复杂抽象事物的认识，促进学生对科学概念的理解与迁移。笔者以“尿液的形成过程”为例，探寻如何进行有效的建模教学。
一、教材与学情分析
“尿液的形成过程”是人教版初中生物七年级下册第四单元第五章“人体内废物的排出”这一节的内容，也是本节教学的重难点。学生对于尿液形成的的理解难点在于很难直观的看到肾单位的结构，较难理解肾小球及肾小囊内壁的过滤作用和肾小管的重吸收作用这一抽象的过程是如何进行，模型构建能够化抽象为具体，突破这一难点。七年级学生有过制作动植物细胞模型的经历，具备模型建构的能力，为本节课打下了良好的能力基础。
二、教学目标与教学重难点
（一）教学目标
1、通过观看视频讲解、阅读书本相关图文资料以及小组合作构建肾单位模型，明确肾单位的组成及空间关系。
2、利用模型模拟尿液形成过程、观察分析物质变化，理解尿液的形成过程，培养观察能力、动手能力以及分析问题、解决问题、合作交流的能力。
3、分析尿液形成过程与肾单位结构息息相关，认同“生物体结构与功能相适应”的观点。
（二）教学重难点
1、肾单位的结构。
2、肾小球及肾小囊内壁的过滤作用；肾小管的重吸收作用。
三、教具准备
模拟血液成分的材料：红色、黄色大玻璃珠，银色、白色、黑色、蓝色小铁珠，白色、蓝色小玻璃珠，一次性透明塑料杯。模拟肾单位模型材料：红、蓝色扭扭棒，海洋球，漏斗，塑料管（外侧粘有强力磁铁块），胶带。
四、教学过程
（一）教师引导，明确模型建构目的
教师引导学生回顾上节课所学知识，引入肾脏结构与功能的基本单位——肾单位，讲述每一个肾脏内部大约由100万个肾单位构成，尿的形成与肾单位是分不开的，那么肾单位的组成与结构是怎样的呢？教师播放肾单位组成视频前提醒学生：接下来我们将分组完成一个活动，各小组同学利用塑料盘内已有的材料，进行肾单位模型的构建，制作的模型能够准确体现肾单位各结构的位置关系。
设计意图：使学生明确本次建模活动的内容和目的，并非只是简单的手工制作，激发学生建模的兴趣。
（二）小组合作，尝试建构肾单位模型
教师播放肾单位组成视频，帮助学生熟悉肾单位的组成。提示注意事项：各材料分别模拟哪个结构？血液在流经肾单位的过程中依次经过哪些结构？引导学生结合课本示意图及文字描述明确各种材料模拟的结构：海洋球模拟肾小球，漏斗模拟肾小囊，塑料管模拟肾小管，红、蓝色扭扭棒分别模拟流入肾单位的动脉血管和流出肾单位的静脉血管。在小组同学参与构建模型的过程中，教师在各小组间巡回指导，观察学生在构建模型过程中可能出现的问题，如扭扭棒如何连接、肾小球如何放置等，聆听学生构建的想法与依据，并适当给出建议。
设计意图：学生在教师指导下动手构建模型，在构建过程中调动思维、培养动手能力，深刻理解肾单位的结构，针对学生在构建过程中可能存在的困难用问题的形式进行提示，帮助学生明确模型制作要点，有利于准确构建模型。
（三）小组展示，检验、评价、修正模型
各小组成员讨论并建构完模型后， 选取两个小组代表上台展示肾单位模型并描述模型的组成以及位置关系，教师请其他小组同学对构建的模型以及同学讲解过程中不合理处进行评价并提出改进建议，接着教师总结强调肾单位模型构建要点：①结合血液的变化，将红蓝色扭扭棒以拧在一起，将其缠绕在肾小管外；②将缠绕有红色扭扭棒的海洋球放在漏斗内。最后通过希沃授课助手辅助学生一起修正模型（图1），接着教师通过肾单位板画引导学生巩固肾单位结构。
设计意图：结合小组展示及描述，能够检验学生是否准确明白肾单位的结构，根据小组及教师评价，学生能够思考模型不足之处并通过进一步亲身参与修正模型，加深对肾单位空间结构的理解。
（四）化静为动，巧用模型模拟分析尿液形成过程
1、资料分析血液与尿液的成分对比，结合肾单位板画引导学生明确血液经过肾单位流经路线，血液从肾动脉进入肾脏，不断分支形成一百多万个入球小动脉，经过肾小球这个毛细血管球，从出球小动脉出去，到达肾小管周围的毛细血管，之后汇集从肾静脉出去。可见流经肾单位的只有血液，那么当血液流经肾单位的时候究竟发生了什么变化使得血液中的尿素等废物减少呢？回顾血液主要成分包括血细胞和血浆，血浆主要包括：蛋白质、葡萄糖、水、无机盐、尿素等，引导学生利用刚刚构建的肾单位模型一探究竟。
2、各小组根据教师提供的模拟血液成分的材料介绍先明确不同类型的珠子代表的血液成分（图2），再利用构建的肾单位模型及模拟血液成分的材料完成“尿的形成过程”的模拟，教师通过导学案给出模拟过程中的观察任务：在模拟过程中观察掉落在杯子中有哪些珠子（物质）？其它珠子（物质）分别在肾单位的哪个结构中？完成表格中“珠子类型”“珠子数量”及“模拟血液成分”的填写（表1）。
3、小组合作根据提示合作完成模拟过程，认真观察并填写表1。教师根据模拟实验过程装置不同位置含有物质（图3）引导总结：红色大玻璃珠和黄色大玻璃珠留在了肾小球内，即血细胞和大分子蛋白质留在了肾小球中，即血液经过肾小球时，发生肾小球及肾小囊内壁的过滤作用，过滤掉血细胞及大分子蛋白质，在肾小囊中形成原尿。教师提问：在肾小囊中的原尿会继续流经肾小管，当原尿流经肾小管最终形成尿液时，原尿中葡萄糖等对人体有用的物质是否随尿液一同排出了？学生通过观察肾小管吸附的物质发现：肾小管内壁吸附3个模拟葡萄糖的银色小铁珠、2个模拟水的白色小铁珠、1个模拟无机盐的蓝色小铁珠，通过小铁珠数量对比发现，即全部的葡萄糖、大部分水、部分无机盐这些对人体有用的物质并没有随尿液排出。师生结合模型共同总结：刚才的模拟过程中，肾小管模型周围固定的磁铁，能够将有含铁的珠子进行吸附，这实际上就是模拟原尿流经肾小管时，肾小管把对人体有需要的物质（全部的葡萄糖、大部分的水、部分的无机盐等）重新吸收回血液中，继续随着血液循环运往全身。原尿中没有被重吸收的物质（水、无机盐、尿素等）形成尿液。
设计意图：通过分析血液与尿液的成分变化，学生对“肾小球的特殊结构和肾小管的功能”产生了探究的热情，在模拟过程中明确观察任务，学生在构建模型的过程中更有针对性。学生带着问题观察并填写肾单位模型不同位置含有珠子类型、数量及模拟血液成分的过程中，直观的体会血液流经肾单位内的变化，并在模拟过程中分析变化的原因，锻炼了科学思维与探究能力。学生发现红、黄大玻璃珠留在肾小球内，磁铁吸住了不同颜色的的小铁珠，直观的感受并理解“肾小球及肾小囊内壁的过滤作用”以及“肾小管的重吸收作用”。
五、教学反思
采用磁铁吸附铁珠模拟肾小管的重吸收作用，是本节课让肾单位模型“动起来”的关键，设置不同数量的珠子体会肾小管重吸收全部葡萄糖、大部分水、部分无机盐，化抽象为具体，这是模型创新的地方。教师在了解学生水平的基础上引导学生科学构建肾单位模型，明确肾单位结构，借助模型和板画，形象的理解并构建“尿的形成过程”知识体系，整个建模过程，遵循学生的认知规律，体现了学生为主体的生本课堂，充分调动学习的积极性，发展了科学思维与探究能力，深刻体会生物体结构与功能相适应的生命观念。
模型的制作和使用是一个不断修正的过程，有效的课堂建模，能够让教师与学生都能在建模过程中进一步提升自己的生物学素养，所以教师也应该加强学习相关的建模理论，在教学中不断实践、总结、优化模型，同时在了解学生水平的基础上，创设合理的建模情景，有效的组织课堂建模，真正将模型服务于课堂，实现课堂教学质量的最大化。
参考文献
许岳锋，阎晓飞，崔鸿.基于科学认知视角的生物学建模教学.生物学教学，2023，48（02）：7-10.
朱金静.基于模型建构的“尿的形成过程”教学设计.中学生物学，2020，36（01）：27-29.
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