使用運動心率傳感器測量鍛煉對心率的影響

摘要 近年來，隨著中學生物課標的不斷改革，國家和社會對學生的要求日益增高，傳統的教學方式與教學設備已不能很好地與之適應。與此同時，在生物科學、信息科學和材料科學發展的推動下，生物傳感器技術飛速發展。因此，為了更切合新課標的要求，筆者以一個中學實驗作為案例，簡述新興產品傳感器在中學實驗中的應用，并希望傳感器可以在中學實驗得到廣泛的應用，發揮它更多的用處，為中學實驗教學帶來新的契機。

關鍵詞 傳感器 鍛煉 心率

中圖分類號 G633.91

文獻標識碼 B

文件編號：1003－7586(2011)07－0041－03

人教版必修課程七年級生物(下)“活動與脈搏的關系”這一實驗中，采用血壓計和脈搏儀測量學生在運動后血壓和脈搏的變化。由于要進行兩項測試，實驗過程的操作過于繁瑣，也不能檢測到學生運動過程中脈搏的變化，使得實驗的實施和實驗的效果有一定的局限性。根據新課標的要求，實驗課既要培養學生的探究能力，又要加深學生對知識的掌握度，實驗操作要簡單、高效。脈搏的跳動與心率息息相關，測量脈搏的跳動實際上是測人的心率，為了讓學生更好地理解脈搏跳動的實質，將“活動與脈搏的關系”改為“鍛煉對心率的影響”，讓學生實驗操作的同時加深對脈搏與心率的理解，也明白了鍛煉對身體的重要性，從而實現了知識、能力和情感的統一。筆者采用最新引進的PPASPORT傳感器中的運動心率傳感器，全程記錄學生在運動過程中心率的變化，實驗結果更直觀，操作更方便，學生能更深刻地理解和掌握知識，取得更佳的教學效果。

1 探究背景

1.1傳感器

生物傳感器是近幾十年內發展起來的一種新的傳感器技術，各種生物傳感器都有以下共同特點：包含一種或多種生物活性材料及能把生物活性表達的信號轉化為電信號的物理或化學傳感器，兩者結合在一起，用現代化微電子的自動化儀表技術進行生物信號再加工，構成各種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統。

其工作原理是待測物質被生物活性材料的分子識別，發生生物學反應，產生相應的信息被物理或化學的換能轉換器轉變成可定量或可處理的電信號，并經第二個儀表再次輸出并放大。與傳統儀器相比，傳感器具有高靈敏度、高特異性、數據精準的優勢。

1.2測量背景

在一系列的醫學事件中，醫者常常通過探測患者的脈搏來確定心臟是否仍然能將血液輸送至全身。運動心率傳感器的作用是探測脈搏的跳動，將物理量轉化為數字信號，并傳送至數據采集器接口，進行實驗，數據的記錄和分析。可根據顯示的數據確定實驗者的血液循環系統以及自身的身體狀態。

1.3知識背景

心臟這個強有力的肌肉系統將血液(包含氧氣、營養物質、激素和抗體)通過循環系統和呼吸系統送達全身來維持生命。另外，血液也能將產生的廢物運送到腎臟然后排泄掉。了解鍛煉對心率的影響對學生將來保持自身的健康有著舉足輕重的作用。

心臟位于胸腔的中央，位于胸骨和兩片肺中間，形狀近似為錐形。心臟重約300g，由3層組成，分別為心外膜、心肌、心內膜。心臟被連接著的心瓣分為四個部分、兩個心房和兩個心室。心臟收縮(心跳)的一個周期中，分為兩個階段：①心室舒張的時候，心臟充滿了血液；②心室收縮時，血液由心室流向動脈。因此，可以通過測定動脈的脈搏跳動來測定心率。

2 問題預測

(1)鍛煉時心率會有怎么樣的變化?

(2)當鍛煉程度增加時心率會有怎樣的變化?為什么?

(3)靜止時的心率與休息后的心率有何不同?

(4)開始走路時的心率與走路結束時的心率有何區別?為什么?

(5)在各階段運動過程中，心率是否保持穩定?

(6)脈搏速率的恢復時間是多少?

3 實驗設備和材料

帶USB接口的計算機，數據采集器，數據心率傳感器，DataStudio軟件，秒表，棉簽，鹽水。

4 實驗步驟

4.1學生準備

將全部學生分組，四人一組，一名學生完成實驗過程，第二名學生輔助第一名學生實驗(拿采集器)，第三名學生負責完成實驗問答，第四名學生控制計算機。

4.2設備安裝

將運動心率傳感器與數據采集器連接。

將運動心率傳感器的三條探頭分別貼在手臂的動脈血管處。為了讓探頭與人體更好地接觸，可在粘貼前將電極用鹽溶液打濕。由于劇烈運動可能會導致探頭的脫落，筆者在實驗時采取了用透明膠輕輕將探頭固定在皮膚上的措施。

打開數據采集器，實驗者原地踏步，每分鐘心率(BRM)將得到顯示。

4.3記錄數據

實驗者原地站立，記錄者點擊采集器上的開始按鈕，記錄數據，時間為1min，此時為靜息時的心率。

1min休息后，實驗者開始以穩定的速度步行4min。

步行4min后，奔跑1min。

1min后慢慢減速，以一個穩定的速度步行。

步行4min后休息。

繼續休息直到心率恢復到實驗開始時(原地站立)的水平，按數據采集器上的開始按鈕來停止數據的采集。從鍛煉到恢復休息時的心率時間是脈搏速率恢復的時間。鍛煉間隔與完成時間見表1。

將采集器與電腦連接。

4.4Datastudio軟件的使用

(1)打開DataStudio軟件，單擊“恢復數據”。

(2)采集器里的數據都在圖表內顯示，若多于一個數據顯示，則點擊“Data”按鈕來找到圖表顯示，選擇“無數據”來隱藏所有數據，然后選擇所需要運行的文件。

(3)用注釋工具“A”來注釋下列心率數據：靜息，開始走路，開始奔跑，停止奔跑，停止走路，返回到開始休息時的心率。

(4)對于每一階段運動，選擇直線上具有代表性的一小部分數據，點擊“Fit”按鈕，選擇直線擬合，其斜率則是平均心率的最適直線。

(5)記錄鍛煉各階段的心率，得到表2和圖1。

4.5數據計算

計算鍛煉心率的范圍，方法如下：用220減去實驗者的年齡，這是心率最大值，然后用下面的公式計算最低鍛煉心率和最高鍛煉心率。

220-年齡=最大心率(MHR)；

MHR*0.6=最低鍛煉心率；

MHR*0.9=最高鍛煉心率。

4.5.1分析

最低鍛煉心率和最高鍛煉心率之間，便是個人鍛煉心率的范圍。若實驗結果在范圍之內，則身體狀況良好，鍛煉充足；實驗結果在范圍之外，則實驗者身體狀況欠佳，應加強鍛煉。運動員的運動時間更長、精力更旺盛的原因，是因為運動員常常鍛煉，所以在鍛煉時心臟的輸出量比常人更大，血液循環更快，同時也吸入了更多的氧，使肌肉細胞進行有氧呼吸產生更多的能量。

正常人脈搏恢復的時間是大于10min的，一般為12min～15min。鍛煉后的心率無法短時間內回復到運動前的水平，因為開始時的心率沒有任何復加運動，機體的損耗程度小，處于較低心率水平。

5 評估與擴展

通過實驗前設置的問題，學生在實驗的過程中根據實驗的現象探討現象產生的原因，從而理解體內的血液循環系統，鍛煉時心臟和肌肉的運動。不僅培養了學生思考問題的能力，也讓學生在實驗與學習的過程中更明確自身的身體條件，更加明白鍛煉對身體健康的重要性。

采用最新的技術和簡單方便的操作，讓學生理解外觀上身體的表現對健康狀況的反映，也讓學生學習到是怎樣的體內活動(血液循環，肺循環)導致了身體外在的表現，不僅加深了學生印象，而且鞏固了課堂上所學的理論知識。

生物傳感器經過幾十年的研究積累，技術改進，已進人開發應用的新時代，目前各種新的生物傳感器不斷開發出來，令人目不暇接。此外由于生物傳感器具有快速、高選擇性、高靈敏度、操作簡便等優點，在中學生物實驗中的應用前景將不可限量。