利用自制教具和DIS設(shè)備模擬影響血壓的因素的應(yīng)用與探討

蔣嘉順

摘? 要 選擇“影響血壓的因素”進(jìn)行教具開(kāi)發(fā)和應(yīng)用探究，并詳述教具的使用過(guò)程和產(chǎn)生的結(jié)果，結(jié)合DIS實(shí)驗(yàn)設(shè)備產(chǎn)生現(xiàn)象，將原本抽象的概念轉(zhuǎn)變?yōu)榫呦蟮膱D形和數(shù)字等實(shí)驗(yàn)結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生思考，旨在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)此類(lèi)問(wèn)題的理解和掌握能力，提升課堂效率。

關(guān)鍵詞 生命科學(xué);DIS設(shè)備;自制教具;血壓;核心素養(yǎng);實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：G632? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）13-0133-04

1 前言

在生命科學(xué)教學(xué)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)涉及一些微觀和抽象的概念，對(duì)此類(lèi)概念從獲取到理解，建立在學(xué)生已熟悉相應(yīng)具象概念的基礎(chǔ)上[1]，且需要通過(guò)大腦的再次加工。部分學(xué)生因缺失其中基礎(chǔ)部分的具象概念，導(dǎo)致無(wú)法引發(fā)聯(lián)想，進(jìn)而難以理解。同時(shí)，學(xué)生對(duì)概念的聯(lián)想和再加工能力往往決定了其在課堂上的聽(tīng)課效率。因此，對(duì)某些抽象概念建立具象模型，并在課堂上展現(xiàn)其自變量改變導(dǎo)致的因變量改變，最終獲得直觀的數(shù)據(jù)結(jié)果，將減少學(xué)生在課堂上對(duì)知識(shí)再加工的時(shí)間，提升學(xué)生對(duì)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的理解能力，具有提高課堂效率的作用。

“人體的內(nèi)環(huán)境和自穩(wěn)態(tài)”章節(jié)中存在大量抽象概念，本文擬從其中的“影響血壓的因素及其調(diào)節(jié)”這一小節(jié)內(nèi)容入手，利用簡(jiǎn)單的材料制作教具，模擬教材中出現(xiàn)的心輸出量和外周阻力變化。結(jié)合物理教學(xué)過(guò)程中普遍使用到的DIS教具進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，在課堂中講述三個(gè)抽象知識(shí)點(diǎn)，即：心輸出量升高，收縮壓和舒張壓升高;血液粘滯度變大，收縮壓和舒張壓升高;血管彈性變?nèi)酰湛s壓升高、舒張壓下降[2]。通過(guò)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)兩種方式分別具象化地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，嘗試尋找并應(yīng)用一種方法，增加學(xué)生對(duì)此類(lèi)抽象知識(shí)點(diǎn)的理解，提升學(xué)生模型與建模及演繹與推理的核心素養(yǎng)[3]，并對(duì)該方法在課堂教學(xué)實(shí)踐和應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)進(jìn)行探討。

2 教具的制作

教具模塊? 教材中提及的兩個(gè)影響血壓的因素分別是心輸出量和外周阻力，本教具將分成心臟模擬、血管模擬、血液模擬和數(shù)據(jù)采集分析四個(gè)模塊。

1）心臟模擬模塊。由于心臟搏動(dòng)具有節(jié)律性，普通水泵無(wú)法模擬心臟規(guī)律跳動(dòng)所造成的血壓周期性變化，因此，本教具采用卡默爾牌NKCP-S10B可調(diào)速小型蠕動(dòng)泵模擬心臟向主動(dòng)脈射血，改變?nèi)鋭?dòng)泵的轉(zhuǎn)速則可模擬心輸出量的變化（如圖1所示），左心室和右心房分別用兩個(gè)燒杯代替，用來(lái)收集模擬血液，且方便觀察現(xiàn)象。

2）血管模擬模塊。不同延展性的管道，可用來(lái)模擬血管彈性變化后相同心室射血量對(duì)主動(dòng)脈血管管壁側(cè)向壓力造成變化的情況。選材時(shí)考慮到較小的延展性差異可能無(wú)法通過(guò)數(shù)據(jù)有效展現(xiàn)，在嘗試了條形氣球、乳膠管、硅膠管和PVC管等多種材質(zhì)后，發(fā)現(xiàn)條狀氣球因其具有極大的延展性，可用于軟管模擬。而硅膠管、乳膠管和PVC管所測(cè)得結(jié)果相近，考慮到蠕動(dòng)泵中及回流入右心房的管道均為硅膠材質(zhì)，最終采用橫截面積和長(zhǎng)度均相同的硅膠管（硬）和剪開(kāi)一端的條形氣球（軟）兩種為模擬血管（如圖2所示，自左向右分別為條形氣球、硅膠管、乳膠管、PVC管）。

3）血液模擬模塊。血液粘滯度是影響外周阻力的重要因素，模擬不同血液粘滯度通過(guò)改變模擬血液的成分達(dá)到目的，通過(guò)查閱液體粘滯系數(shù)表，分別選用水、50%甘油模擬不同粘滯度的血液。

4）數(shù)據(jù)采集分析模塊。傳感器使用朗威牌壓強(qiáng)傳感器，由于傳感器連接處的管徑不變，因此可通過(guò)壓強(qiáng)直接反映出傳感器所受的液體壓力變化。采集器使用朗威牌數(shù)據(jù)采集器;分析軟件使用DISLab 6.0通用型軟件，可分別觀察數(shù)值和曲線兩個(gè)結(jié)果。

教具組裝? 將蠕動(dòng)泵取水端插入模擬左心室的燒杯中，為保證單一變量，此處均采用硅膠管。將模擬血管按需求通過(guò)直通接頭，直接連接在蠕動(dòng)泵的出水處，在模擬主動(dòng)脈的末端用三通接頭連接DIS壓強(qiáng)傳感器和回流入模擬右心房的硅膠管。為獲得較明顯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本教具還在回流入右心房的模擬血管后引入一個(gè)變徑接頭，將管徑減小一半，以增加壓力傳感器端的信號(hào)。搭建完成的教具如圖3所示。打開(kāi)軟件，將縱坐標(biāo)數(shù)值固定為100～120 kPa。

3 教具的使用過(guò)程

觀察模擬心輸出量變化? 心輸出量可分為心室射血量、心臟搏動(dòng)和血容量三種變化因素，三種變化的結(jié)果均可視作改變單位時(shí)間內(nèi)向主動(dòng)脈射出的血量。所以在模擬此項(xiàng)變化時(shí)，在不改變其他條件的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速，即調(diào)節(jié)心臟搏動(dòng)頻率進(jìn)行模擬。在綜合采集設(shè)備的精度以及管道因突破其延展性閾值后造成的瞬間失壓等情況后，為獲取較為明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，最終以水為模擬血液，選取蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速的40%和60%二個(gè)擋位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1）40%轉(zhuǎn)速下的曲線和數(shù)值獲取。將蠕動(dòng)泵的取水端放入模擬左心室的燒杯，轉(zhuǎn)速調(diào)整為40%，觀察到模擬右心房的燒杯中出現(xiàn)液體后，開(kāi)始觀察軟件上的曲線和讀數(shù)，待獲得穩(wěn)定的數(shù)值和穩(wěn)定的曲線后，利用軟件中的保存圖像按鈕保存曲線和讀數(shù)。

2）40%～60%轉(zhuǎn)速下的曲線獲取。軟件頁(yè)面中出現(xiàn)新的記錄周期的40%曲線后，緩慢調(diào)解旋鈕至60%轉(zhuǎn)速，出現(xiàn)60%轉(zhuǎn)速曲線后，迅速保存圖像。

3）60%轉(zhuǎn)速下的曲線和數(shù)值獲取。觀察軟件上出現(xiàn)穩(wěn)定的60%曲線后，點(diǎn)擊獲取圖像進(jìn)行保存，隨后點(diǎn)擊數(shù)值按鈕，獲取數(shù)值并保存圖像。

觀察模擬外周阻力變化

1）血液粘滯度變化。實(shí)驗(yàn)前向?qū)W生展示水和甘油兩種溶液的粘滯系數(shù)，并告知學(xué)生甘油的粘滯度要高于水。以水為模擬血液，觀察其在轉(zhuǎn)速40%～60%的結(jié)果后，將取水端從燒杯中取出，待觀察到出水端無(wú)液體流出后，關(guān)閉蠕動(dòng)泵，將模擬血液替換為甘油，重復(fù)上述操作步驟，待曲線相對(duì)平穩(wěn)后獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)和曲線。

2）血管彈性變化。實(shí)驗(yàn)前向?qū)W生展示兩種材質(zhì)導(dǎo)管的延展性，通過(guò)請(qǐng)學(xué)生上臺(tái)進(jìn)行拉伸并選出兩種材料中較易拉伸的一種，以水為模擬血液，以硅膠管為模擬血管，分別完成上述操作步驟。獲得曲線后，在蠕動(dòng)泵保持開(kāi)啟的情況下，取出取水端，待觀察到出水端沒(méi)有液體流出后拔下連接硅膠管的直通接頭，替換為氣球后重復(fù)上述步驟，獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)和圖形。

4 教具的應(yīng)用結(jié)果

改變心輸出量產(chǎn)生的結(jié)果? 通過(guò)軟件繪制的曲線，可看到當(dāng)蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速處于40%時(shí)，在以硅膠管作為模擬血管、以水為模擬血液的情況下，產(chǎn)生的圖形為一條有規(guī)律的曲線。告知學(xué)生，其最高點(diǎn)可被視為蠕動(dòng)泵射出水時(shí)所產(chǎn)生的壓力，即模擬的收縮壓;其最低點(diǎn)可被視為蠕動(dòng)泵不射水時(shí)，依靠模擬血管推進(jìn)產(chǎn)生的壓力，即模擬的舒張壓（圖4）。當(dāng)緩慢調(diào)整轉(zhuǎn)速至60%時(shí)，可看到曲線向上提升（圖5）。當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在60%時(shí)，可看到模擬出的收縮壓和舒張壓均高于40%轉(zhuǎn)速時(shí)（圖6）。兩種情況所產(chǎn)生的最高壓強(qiáng)數(shù)值如表1所示，可讓學(xué)生觀察到心輸出量升高時(shí)收縮壓和舒張壓均升高。

改變血液粘滯度產(chǎn)生的結(jié)果? 在其余條件不變的情況下，對(duì)比以水為模擬血液和以甘油為模擬血液的兩種結(jié)果。其中，圖7為40%轉(zhuǎn)速水曲線，圖8為40%轉(zhuǎn)速甘油曲線，圖9為60%轉(zhuǎn)速水曲線，圖10為60%轉(zhuǎn)速甘油曲線，最高壓強(qiáng)變化如表2所示。可看到，將模擬血液的材質(zhì)由水替換為甘油后，其產(chǎn)生的模擬收縮壓和模擬舒張壓均上升，且轉(zhuǎn)速越高越明顯。可讓學(xué)生觀察到，當(dāng)血液粘滯度升高時(shí)，收縮壓和舒張壓均升高。

改變血管彈性產(chǎn)生的結(jié)果? 以水為模擬血液，在其余條件不變的情況下，分別獲取硅膠模擬血管和氣球模擬血管在40%轉(zhuǎn)速和60%轉(zhuǎn)速下的曲線和數(shù)值。其中，圖11為40%轉(zhuǎn)速下的硅膠管情況，圖12為40%轉(zhuǎn)速下的氣球情況。可讓學(xué)生觀察到，當(dāng)血管彈性變小時(shí)，收縮壓升高，舒張壓降低。

收縮壓的形成展示? 對(duì)比蠕動(dòng)泵啟動(dòng)前后，可觀察到條形氣球形態(tài)變化，用以解釋血管彈性可用于緩沖收縮壓。去除模擬主動(dòng)脈及其后部分，可觀察到水間歇性從蠕動(dòng)泵出水端射出;連接模擬血管及其后部分，可觀察到水連續(xù)射出，用以解釋舒張壓由主動(dòng)脈產(chǎn)生。關(guān)閉蠕動(dòng)泵后，可觀察到依舊有水從模擬血管的出水端射出，此時(shí)，模擬主動(dòng)脈的條形氣球發(fā)生收縮，用以解釋舒張壓的產(chǎn)生依靠主動(dòng)脈收縮。

5 自制教具應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及現(xiàn)存不足的反思

在自制教具應(yīng)用過(guò)程中，課堂形式由原本的敘述式轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)驗(yàn)式，讓學(xué)生感到新奇，從而極大吸引學(xué)生的注意力，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。實(shí)驗(yàn)最后通過(guò)直觀的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)結(jié)果，替代原本抽象的敘述，切合日常思維中眼見(jiàn)為實(shí)的思想，產(chǎn)生一定視覺(jué)沖擊的同時(shí)也讓學(xué)生在潛意識(shí)中對(duì)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)產(chǎn)生更為深刻的印象。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果的推測(cè)到結(jié)論的得出，都可在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行，形成一個(gè)循序漸進(jìn)、不斷深化的過(guò)程，學(xué)生的相對(duì)參與度更高，自主性體現(xiàn)更多，理解也相對(duì)較為容易。因此，選擇合理有效的教具不僅可以降低教師上課的工作量，更能增加課堂容量，提升課堂效率。

此自制教具現(xiàn)在依舊存在一些不足：

一是搭建和替換過(guò)程較為煩瑣，需要較多時(shí)間，在一定程度上影響了課堂的進(jìn)行，降低了課堂的效率和容量;

二是現(xiàn)有教具尚不能模擬出全部的影響血壓的因素的情況，由于管徑統(tǒng)一，使因管徑變細(xì)而導(dǎo)致的收縮壓和舒張壓上升情況，需要通過(guò)教師敘述并帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行推測(cè)和分析;

三是操作過(guò)程煩瑣，需要教師完成，學(xué)生只能在觀察現(xiàn)象后進(jìn)行探討和思考，不能實(shí)際動(dòng)手操作，參與度不高可能會(huì)影響學(xué)生的積極性。

后期筆者將繼續(xù)改進(jìn)自制教具及其使用過(guò)程，使其能夠更有效地服務(wù)教學(xué)。

參考文獻(xiàn)

[1]張雷.以“三貼近”原則具象化理論性課程教學(xué)：以《經(jīng)濟(jì)學(xué)原理》為例[J].課程教學(xué)研究，2013（18）：59-60.

[2]上海市中小學(xué)（幼兒園）課程改革委員會(huì).生命科學(xué)拓展型課程教學(xué)參考資料[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2017：63.

[3]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2017.