肌絲滑行模型的制作和應(yīng)用

陳曉霞，盧元杰

(青島衛(wèi)生學(xué)校,山東 青島 266071)

高職護(hù)理專業(yè)生理學(xué)課程中的肌肉收縮機(jī)制目前是用肌絲滑行學(xué)說(shuō)來(lái)解釋的,學(xué)說(shuō)內(nèi)容涉及肌細(xì)胞微細(xì)結(jié)構(gòu)和生理功能。在生理學(xué)教學(xué)中,深感肌絲滑行等內(nèi)容實(shí)乃抽象,教師難教,學(xué)生難學(xué),傳統(tǒng)的掛圖缺乏立體感,模型體積太小,且無(wú)法顯示動(dòng)態(tài)的肌絲滑行過(guò)程,即使運(yùn)用現(xiàn)代化教學(xué)手段,也多局限在二維展示［1］。然而,此內(nèi)容又是肌細(xì)胞收縮功能的重點(diǎn)內(nèi)容,在生理學(xué)教學(xué)中占有重要地位,客觀上要求學(xué)生必須達(dá)到理解和掌握程度。

鑒于此,筆者仿照該學(xué)說(shuō)原理,研制了一個(gè)肌絲滑行模型并應(yīng)用于教學(xué)。該模型通過(guò)編程單片機(jī)控制舵機(jī)和電磁鐵,啟動(dòng)肌絲滑行,模擬一個(gè)肌節(jié)的收縮與舒張過(guò)程,生動(dòng)直觀地揭示了肌肉收縮與舒張的機(jī)制［2］。此模型獲第十三屆全國(guó)中等職業(yè)學(xué)校“文明風(fēng)采”大賽職業(yè)規(guī)劃類——?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)組一等獎(jiǎng)。現(xiàn)介紹如下。

1 制作材料和設(shè)計(jì)原理

1.1 制作材料

單片機(jī)、亞克力板、亞克力條、舵機(jī)、電磁鐵、繼電器和鐵條等。

1.2 設(shè)計(jì)原理

模型由肌節(jié)模型、動(dòng)力裝置、控制器和底座4部分組成。肌節(jié)模型中的粗肌絲、M線和Z線(為便于形象理解,M線和Z線制作成盤狀)使用亞克力板制作,細(xì)肌絲使用鐵條制作,舵機(jī)的搖臂和電磁鐵代表橫橋。動(dòng)力裝置主要由舵機(jī)和電磁鐵組成,使用電磁鐵吸附鐵條(細(xì)肌絲)模擬橫橋與細(xì)肌絲的結(jié)合,用舵機(jī)搖臂的擺動(dòng)來(lái)模擬橫橋臂的擺動(dòng)。控制器為單片機(jī)(保存編寫程序),通過(guò)控制舵機(jī)擺動(dòng),使電磁鐵與鐵條(細(xì)肌絲)結(jié)合或分離,導(dǎo)致肌節(jié)長(zhǎng)度變化［3］。底座為亞克力板材料制作的中空底座,內(nèi)裝單片機(jī)、繼電器和電源(見圖1)。

2 制作過(guò)程和使用方法

2.1 制作過(guò)程

(1)將單片機(jī)、繼電器和電磁鐵連接在一起,通電、編程測(cè)試其連接、控制是否正確。(2)將舵機(jī)、按鍵開關(guān)連接到單片機(jī)上,通電、編程測(cè)試其連接和控制是否正常。(3)將粗肌絲安裝到M線上并固定,再將舵機(jī)固定在粗肌絲上,然后將電磁鐵固定在舵機(jī)搖臂上。(4)將模擬人體肌肉收縮頻率和幅度而自行編寫的程序燒寫到單片機(jī)里,通電進(jìn)行調(diào)試。(5)調(diào)試正常后,組裝電池、開關(guān)、按鍵等其他零件,完成作品(見圖2)。

圖2 肌絲滑行模型

2.2 使用方法

(1)打開底座左側(cè)面板上的電源開關(guān),接通系統(tǒng)電源。(2)調(diào)節(jié)舵機(jī)搖臂上的電磁鐵與細(xì)肌絲上相對(duì)應(yīng)的位置,防止細(xì)肌絲阻礙舵機(jī)搖臂的擺動(dòng)。(3)按住“肌節(jié)收縮”按鈕,舵機(jī)搖臂擺動(dòng)(使電磁鐵吸附鐵條),拖動(dòng)細(xì)肌絲向粗肌絲靠近,細(xì)肌絲帶動(dòng)Z線向M線靠近,導(dǎo)致肌節(jié)變短,肌肉收縮。(4)按住“肌節(jié)舒張”按鈕,舵機(jī)搖臂擺動(dòng)(使電磁鐵脫離鐵條),拖動(dòng)細(xì)肌絲遠(yuǎn)離粗肌絲,細(xì)肌絲帶動(dòng)Z線遠(yuǎn)離M線,導(dǎo)致肌節(jié)復(fù)位,肌肉舒張。(5)關(guān)閉底座左側(cè)面板上的電源開關(guān),切斷系統(tǒng)電源。

3 功能與特性

3.1 科學(xué)性強(qiáng)

能充分準(zhǔn)確地顯示肌細(xì)胞中細(xì)肌絲、粗肌絲、橫橋等微觀結(jié)構(gòu),展示肌肉收縮和舒張的生理機(jī)制;能準(zhǔn)確反映教材及教學(xué)大綱要求,設(shè)計(jì)科學(xué)合理,能滿足教與學(xué)的實(shí)際需要［4］。

3.2 直觀性強(qiáng)

借助具體的實(shí)物模型展示肌絲、橫橋等微觀結(jié)構(gòu),使微觀結(jié)構(gòu)宏觀化、直觀化,使抽象知識(shí)形象化、具體化、實(shí)物化,解決了學(xué)生學(xué)習(xí)中的重點(diǎn)和難點(diǎn),使學(xué)習(xí)活動(dòng)變得簡(jiǎn)單、有趣,理論知識(shí)變得通俗易懂,從而提高了學(xué)生探究與動(dòng)手能力,激發(fā)了其探知生命科學(xué)奧秘的興趣。

3.3 適用性強(qiáng)

此模型不僅彌補(bǔ)了教學(xué)儀器的不足,而且在一定程度上可培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力,使學(xué)生學(xué)會(huì)求知,學(xué)會(huì)創(chuàng)造,為全面提高個(gè)人素質(zhì)打下基礎(chǔ)［5］。此外,此模型作為教具可廣泛應(yīng)用于普通中學(xué)、職業(yè)中學(xué)、中專及大專院校教學(xué)。

總之,作為一種學(xué)具和教具,肌絲滑行模型既能解決學(xué)生學(xué)習(xí)中的難點(diǎn),又能用于多種教學(xué)活動(dòng),讓學(xué)生通過(guò)“動(dòng)手、動(dòng)眼、動(dòng)腦”積極主動(dòng)地參與到教學(xué)活動(dòng)中,達(dá)到“做中學(xué)、學(xué)中做”的目的［6］。同時(shí),模型的研發(fā)既能培養(yǎng)學(xué)生獲取知識(shí)、分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力,又有助于其創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)的形成。此外,模型的制作方式對(duì)類似教具的開發(fā)有一定的啟發(fā)意義,有利于更多、更好的教具被開發(fā)和使用到教學(xué)中,對(duì)提高教學(xué)質(zhì)量起到應(yīng)有的作用。