運用STEM理念模擬降低高血壓的實驗創新

崔 欣 梁逸倫 杜程鵬

(1 復旦大學附屬中學 上海 200433； 2 上海市楊浦高級中學 上海 200092)

“血壓及其調節”一節的教學目標中提到：“理解血壓的形成及其影響因素，知道高血壓病及其防治，教學重點為血壓的形成及其影響因素”。然而，這部分內容對學生來說還是比較抽象的，難以理解。本文基于STEM教育理念進行了創新活動的設計，學生在探究過程中理解血壓的形成及其影響因素。在提出降低高血壓的方案過程中，能提高學生科學探究的核心素養。同時，為教學難點血壓的神經調節打下基礎。本文以“降低高血壓方式的探究”一節為例，探討如何將STEM理念與生物學課堂教學實踐相聯系[1]。

1 與STEM各項領域相關說明

本節課探究內容為：“血壓調節——利用人工心臟模型探究降低高血壓的方式”，兩節課時(連上)。通過本節課學生能學習血液循環系統、血壓的概念以及影響血壓的因素，體現STEM中的科學；學生在制作人工心臟裝置的過程中，使用TI圖形計算器和壓力傳感器，體現了技術；在課堂上，學生設計搭建可調節并檢測血壓的人工心臟模型，體現了工程；在完成實驗報告時對壓力傳感器的數據進行處理和分析，體現了數學。

2 設計方案

2.1 課前準備 TI圖形計算器與創新者系統、壓力傳感器、可調節轉速的水泵、可代表血管的橫截面積相同塑料管(硬管)和橡膠管(軟管)以及橫截面積更大的橡膠管(粗管)若干、可代表血液的甘油，甘油與水混合液，清水，代表心臟容器若干、三通裝置、電源。

2.2 課中探討 具體探討如下：

2.2.1 課堂引入 高血壓的現狀和危害： 醫學期刊《柳葉刀》上曾刊登一項研究結果，揭示與中國居民的死亡最相關的前十大危險因素，高血壓居首。我國每年死于高血壓和相關心腦血管疾病的患者占總死亡人數的41%，是我國第一大致死危險因素，被稱為“健康的隱形殺手”。

2.2.2 問題設置 心臟和血管構成的血液循環系統組成？血壓的概念？如何搭建人工心臟模型驗證血壓的存在，怎樣調節并檢測血壓的變化？

2.2.3 學習任務 利用人工智能心臟模型，探究如何降低高血壓，形成降低高血壓的具體文字方案。

2.2.4 模型搭建 引導學生基于探究任務，結合心臟和血管相關知識，小組討論人工心臟各部件功能，搭建可以調節并檢測血壓的人工心臟模型。在搭建之前，學生要預先了解實驗器材的各部分原理和用途，并學習如何使用TI圖形計算器預先輸入的程序，調節水泵的轉速，建議在TI圖形計算器中的轉速分別設為100和200；由于壓力傳感器只能測量氣體的壓力，不能接觸水，所以要引導學生使用三通設備在水管的側壁引出分支導管，通過血液流動時對側壁分支導管的氣體產生壓力來測量血壓。并建議學生調整傳感器的數值精確到小數點后一位；由于水泵與電線的焊接處裸露在外不夠結實，需提醒學生不要破壞裝置；由于提供了細軟管、粗軟管和粗硬管3種型號水管，探究過程中可通過粗細轉換接頭調換各種型號水管以探究不同血管的管徑和彈性對血壓的影響；以盛裝各種溶液的燒杯模擬左心室，便攜水杯模擬回收血液的右心房。模型主要元件以及建議搭建方式參考圖1。

圖1 人工心臟模型主要元件以及建議搭建效果圖

2.2.5 小組探究 具體探究過程如下：

(1) 提出問題： 用哪些方法可能降低高血壓？

(2) 提出假設： 減小水泵轉速、增大水管直徑、增大水管彈性、減小溶液濃度和減小液體體積等，使水管側壁壓力減小。

(3) 設計實驗： 學生分組實施探究活動，隨時記錄探究過程出現的特殊現象和存在問題。多數學生的實驗設計思路為： 先探究兩種水泵的轉速對血壓的影響，然后固定一種轉速，繼續探究水管管徑、彈性、溶液濃度以及體積的影響(表1)；也有些學生的設計方案更加細致嚴謹，如： 一組學生分別在水泵轉速為100和200兩種條件下探究水管管徑、彈性、溶液濃度和體積；另一組學生分別在清水、甘油清水混合液、甘油原液3種條件以及兩種水泵轉速下進行各組探究實驗，記錄的數據更加復雜和詳實。

(4) 實施實驗： 探究小組每組3位學生，分工明確，分別擔任操作員、觀察員和記錄員。由操作員實施過程。提醒操作員注意壓力傳感器不要接觸水，且每次實驗前先對壓力傳感器數值調零。

(5) 記錄數據： 由觀察員和記錄員配合進行，由于壓力傳感器顯示的是瞬時壓力數據，故觀察員需在10 s內把若干瞬時數據計算或估算成平均值，盡量減小誤差，由記錄員記錄。實驗過程中由一位記錄員全程記錄即可，提醒3位學生不要各自記錄(表1)。

表1 學生的實驗報告

2.2.6 實驗結論 分組展示學生的數據，根據實驗結果，分析、討論并總結降低高血壓的實際方案： ①減少水泵功率；②增大水管管徑；③增大水管彈性；④減小溶液黏稠度。

2.2.7 分析討論 討論防治高血壓的具體措施： ①減小心排血量，如通過藥物或者減少緊張感使心律減緩；②增大血管管徑，如通過藥物或者保暖措施以及治療動脈粥樣硬化等方式增大管徑；③增大血管彈性，如通過降低高血糖和高血脂恢復血管彈性；④降低血液黏稠度，如通過藥物和健康飲食降低血脂；⑤減小血漿容量，由于一些客觀原因，無法通過本次實驗得出結論。但高鹽飲食會使人飲水過多增加血漿容量而使血壓升高，故飲食應減少鹽的攝入量使血漿容量下降。

3 交流反思

通過教學實踐和反思，尚有許多需要改進之處，如： 事先應對學生進行TI圖形計算器培訓，再由學生親自編程調節水泵轉速的程序，這樣學生的參與度會更強，更能體現STEM中的技術；模擬心臟的容器也可由學生發揮創造性，教師提供堅硬的燒杯不能很好地體現心臟能夠收縮和舒張運動，并且教師提供的心室和心房容器是分開的，沒有形成閉合的回路；實驗中壓力傳感器出現了負值，教師建議要重新做一遍；目前數據處理是采用紙質報告，需要手動處理，如果能借鑒“云協作”技術全班同步錄入數據并自制Excel表自動生成圖表，就能有效地提升了課堂教學的效率[2]。

實驗過程中，學生的一些做法值得肯定，如： 每次更換水管后先開啟水泵若干次，把水管中空氣排凈再開始實驗；有的小組在每一個條件下重復測量3次取其平均值，實驗數據能更加可靠；還有一組學生建議先進行清水實驗，再用甘油清水混合液探究，最后用甘油探究，可防止甘油殘留阻塞水管而影響實驗結果。另外，本實驗通過預實驗探究得出甘油清水混合液合適的比例為1∶2，而純的甘油溶液濃度過大，在細軟管條件下是無法得出數值的。