利用自制教具和DIS設備模擬影響血壓的因素的應用與探討

蔣嘉順

摘? 要 選擇“影響血壓的因素”進行教具開發和應用探究，并詳述教具的使用過程和產生的結果，結合DIS實驗設備產生現象，將原本抽象的概念轉變為具象的圖形和數字等實驗結果，引導學生思考，旨在培養學生對此類問題的理解和掌握能力，提升課堂效率。

關鍵詞 生命科學;DIS設備;自制教具;血壓;核心素養;實驗

中圖分類號：G632? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）13-0133-04

1 前言

在生命科學教學過程中經常會涉及一些微觀和抽象的概念，對此類概念從獲取到理解，建立在學生已熟悉相應具象概念的基礎上[1]，且需要通過大腦的再次加工。部分學生因缺失其中基礎部分的具象概念，導致無法引發聯想，進而難以理解。同時，學生對概念的聯想和再加工能力往往決定了其在課堂上的聽課效率。因此，對某些抽象概念建立具象模型，并在課堂上展現其自變量改變導致的因變量改變，最終獲得直觀的數據結果，將減少學生在課堂上對知識再加工的時間，提升學生對相應知識點的理解能力，具有提高課堂效率的作用。

“人體的內環境和自穩態”章節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節”這一小節內容入手，利用簡單的材料制作教具，模擬教材中出現的心輸出量和外周阻力變化。結合物理教學過程中普遍使用到的DIS教具進行數據分析，在課堂中講述三個抽象知識點，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;血管彈性變弱，收縮壓升高、舒張壓下降[2]。通過現象和數據兩種方式分別具象化地呈現在學生面前，嘗試尋找并應用一種方法，增加學生對此類抽象知識點的理解，提升學生模型與建模及演繹與推理的核心素養[3]，并對該方法在課堂教學實踐和應用中的優勢與劣勢進行探討。

2 教具的制作

教具模塊? 教材中提及的兩個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、血液模擬和數據采集分析四個模塊。

1）心臟模擬模塊。由于心臟搏動具有節律性，普通水泵無法模擬心臟規律跳動所造成的血壓周期性變化，因此，本教具采用卡默爾牌NKCP-S10B可調速小型蠕動泵模擬心臟向主動脈射血，改變蠕動泵的轉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燒杯代替，用來收集模擬血液，且方便觀察現象。

2）血管模擬模塊。不同延展性的管道，可用來模擬血管彈性變化后相同心室射血量對主動脈血管管壁側向壓力造成變化的情況。選材時考慮到較小的延展性差異可能無法通過數據有效展現，在嘗試了條形氣球、乳膠管、硅膠管和PVC管等多種材質后，發現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管所測得結果相近，考慮到蠕動泵中及回流入右心房的管道均為硅膠材質，最終采用橫截面積和長度均相同的硅膠管（硬）和剪開一端的條形氣球（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改變模擬血液的成分達到目的，通過查閱液體粘滯系數表，分別選用水、50%甘油模擬不同粘滯度的血液。

4）數據采集分析模塊。傳感器使用朗威牌壓強傳感器，由于傳感器連接處的管徑不變，因此可通過壓強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據采集器;分析軟件使用DISLab 6.0通用型軟件，可分別觀察數值和曲線兩個結果。

教具組裝? 將蠕動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直通接頭，直接連接在蠕動泵的出水處，在模擬主動脈的末端用三通接頭連接DIS壓強傳感器和回流入模擬右心房的硅膠管。為獲得較明顯的實驗結果，本教具還在回流入右心房的模擬血管后引入一個變徑接頭，將管徑減小一半，以增加壓力傳感器端的信號。搭建完成的教具如圖3所示。打開軟件，將縱坐標數值固定為100～120 kPa。

3 教具的使用過程

觀察模擬心輸出量變化? 心輸出量可分為心室射血量、心臟搏動和血容量三種變化因素，三種變化的結果均可視作改變單位時間內向主動脈射出的血量。所以在模擬此項變化時，在不改變其他條件的情況下，通過調節蠕動泵轉速，即調節心臟搏動頻率進行模擬。在綜合采集設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驗現象，最終以水為模擬血液，選取蠕動泵轉速的40%和60%二個擋位進行實驗。

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

2）40%～60%轉速下的曲線獲取。軟件頁面中出現新的記錄周期的40%曲線后，緩慢調解旋鈕至60%轉速，出現60%轉速曲線后，迅速保存圖像。

3）60%轉速下的曲線和數值獲取。觀察軟件上出現穩定的60%曲線后，點擊獲取圖像進行保存，隨后點擊數值按鈕，獲取數值并保存圖像。

觀察模擬外周阻力變化

1）血液粘滯度變化。實驗前向學生展示水和甘油兩種溶液的粘滯系數，并告知學生甘油的粘滯度要高于水。以水為模擬血液，觀察其在轉速40%～60%的結果后，將取水端從燒杯中取出，待觀察到出水端無液體流出后，關閉蠕動泵，將模擬血液替換為甘油，重復上述操作步驟，待曲線相對平穩后獲得相應數據和曲線。

2）血管彈性變化。實驗前向學生展示兩種材質導管的延展性，通過請學生上臺進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，在蠕動泵保持開啟的情況下，取出取水端，待觀察到出水端沒有液體流出后拔下連接硅膠管的直通接頭，替換為氣球后重復上述步驟，獲取相應的數據和圖形。

4 教具的應用結果

改變心輸出量產生的結果? 通過軟件繪制的曲線，可看到當蠕動泵轉速處于40%時，在以硅膠管作為模擬血管、以水為模擬血液的情況下，產生的圖形為一條有規律的曲線。告知學生，其最高點可被視為蠕動泵射出水時所產生的壓力，即模擬的收縮壓;其最低點可被視為蠕動泵不射水時，依靠模擬血管推進產生的壓力，即模擬的舒張壓（圖4）。當緩慢調整轉速至60%時，可看到曲線向上提升（圖5）。當轉速穩定在60%時，可看到模擬出的收縮壓和舒張壓均高于40%轉速時（圖6）。兩種情況所產生的最高壓強數值如表1所示，可讓學生觀察到心輸出量升高時收縮壓和舒張壓均升高。

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

改變血管彈性產生的結果? 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%轉速和60%轉速下的曲線和數值。其中，圖11為40%轉速下的硅膠管情況，圖12為40%轉速下的氣球情況。可讓學生觀察到，當血管彈性變小時，收縮壓升高，舒張壓降低。

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

5 自制教具應用優勢及現存不足的反思

在自制教具應用過程中，課堂形式由原本的敘述式轉變為實驗式，讓學生感到新奇，從而極大吸引學生的注意力，提升學生的學習興趣。實驗最后通過直觀的現象和數據呈現結果，替代原本抽象的敘述，切合日常思維中眼見為實的思想，產生一定視覺沖擊的同時也讓學生在潛意識中對相應知識點產生更為深刻的印象。從實驗結果的推測到結論的得出，都可在教師的引導下進行，形成一個循序漸進、不斷深化的過程，學生的相對參與度更高，自主性體現更多，理解也相對較為容易。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。

此自制教具現在依舊存在一些不足：

一是搭建和替換過程較為煩瑣，需要較多時間，在一定程度上影響了課堂的進行，降低了課堂的效率和容量;

二是現有教具尚不能模擬出全部的影響血壓的因素的情況，由于管徑統一，使因管徑變細而導致的收縮壓和舒張壓上升情況，需要通過教師敘述并帶領學生進行推測和分析;

三是操作過程煩瑣，需要教師完成，學生只能在觀察現象后進行探討和思考，不能實際動手操作，參與度不高可能會影響學生的積極性。

后期筆者將繼續改進自制教具及其使用過程，使其能夠更有效地服務教學。

參考文獻

[1]張雷.以“三貼近”原則具象化理論性課程教學：以《經濟學原理》為例[J].課程教學研究，2013（18）：59-60.

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

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