甲襞微循環儀用于教學的設計和實踐

趙林芃 韓 爍 劉佳瑀 孫天予

（1北京匯文中學 北京 100061 2北京匯文中學朝陽學校 北京 100122）

“血流的管道——血管”這一節位于人教版《生物》7年級下冊第4 單元第4 章第2 節。在本節課教材中安排了小魚尾鰭的學生實驗。這一實驗可幫助學生直觀地觀察到血管的真實形態，鍛煉學生使用顯微鏡的技能。但在教學實踐中，開展這一實驗存在以下幾方面的問題[1]：1）大量購買實驗材料（金魚Carassius auratus）時，很難保證其體型大小適合在顯微鏡下觀察。即使根據教材要求選取了色素含量少的魚類，也無法避免仍有個別存在色素干擾的個體出現。2）學生觀察時，小魚十分活潑。初一學生容易產生恐懼或擔心小魚死亡的心理，影響實驗操作。3）雖然按照教材要求覆蓋了濕棉絮或紗布，但仍無法避免小魚在觀察過程中掙扎，導致需要重新對焦。4）操作時間過長，小魚容易死亡，導致無法觀察到血液流動現象。5）想要清晰地觀察到小魚尾鰭中的毛細血管一般需要將視野調節得較明亮且需要使用高倍鏡。對于學生而言，操作難度較大。基于以上幾點原因，學生進行該實驗的成功率不高。觀察到小魚尾鰭內毛細血管的學生很少，課堂效果不理想。

針對以上問題，筆者查閱了已報道的教學文獻。一線教師在教學實踐中，解決問題的方法大致可分為2 類。1）更換實驗材料：例如，使用斑馬魚（Danio rerio）改進實驗[1]；使用麻醉后的“金蟾”［非洲爪蟾（Xenopus laevis）的白化品系］改進實驗[2]；或使用麻醉后的泥鰍（Misgurnus anguillicau‐datu）進行實驗[3]。2）通過改進實驗裝置，固定小魚尾鰭：例如，可使用自制裝置和大頭針固定小魚尾鰭[4]或使用石蠟改進培養皿[5]；以上方法確實可解決學生在觀察小魚尾鰭的教學實踐中遇到的問題，但仍然存在準備實驗材料或準備實驗裝置過程中的其他問題。此外，金魚、金蟾、斑馬魚或泥鰍這類生物與人的親緣關系較遠，與人體內的情況可能差異較大，學生更渴望觀察到人體內血管的真實圖像。因此，筆者認為在進行此部分的教學時，可選擇性增加觀察人體甲襞微循環的實驗，以期達到更好的教學效果。

1 甲襞微循環觀察

甲襞內的毛細血管，結構較簡單。甲襞微循環觀察是臨床常用的觀察活體微循環動態的窗口。甲襞是覆蓋在指甲根部的皮膚皺褶，內有皮膚真皮突起形成乳頭，各個乳頭區對應一支呈袢狀的毛細血管，形成毛細血管袢，鱗狀上皮覆蓋形成表面。甲襞在位于皮下約200 μm 處，平行于皮膚表面生長，因所處位置較淺，且周圍組織的吸收、散射性較低，是觀察微循環的良好部位。甲襞微循環是沿小動脈→細動脈→毛細血管輸入枝→毛細血管輸出枝→細靜脈→小靜脈方向流動的。甲襞毛細血管輸入枝和輸出枝形如發夾，統稱毛細血管袢（簡稱“管袢”）。借助甲襞微循環觀察儀（圖1）能觀察到甲襞所顯示的微循環的清晰度、流速、流態及其微血管周圍狀態等，可在一定程度上反映大循環的狀態。

多項研究表明，根據甲襞處毛細血管的管袢清晰度、管袢數、管袢長度、管徑、血液流態、管袢周圍狀態等多項指標獲得的統計數據與高血壓、肝病、系統性硬化癥均存在某些相關性。相關研究[6-7]常采用根據微循環各項指標改變的程度進行加權積分從而判斷異常等級，不同的管袢狀態獲得不同的積分。例如，正常管袢為發夾形，異常管袢為交叉、角狀或畸形；正常為線流（血流快，呈光滑索條狀，無顆粒感），異常為粒流（血流較慢，似泥沙流，紅細胞聚集在血流中）（部分形態在圖1中展示）[7]。

圖1 利用甲襞微循環觀察儀觀察到的筆者及學生的甲襞末端毛細血管圖像

近年來，我國臨床微循環研究已積累了豐富的資料和經驗，有助于輔助臨床診斷或進行療效檢驗[6]。目前，甲襞微循環檢查異常已被加入了新的風濕病診斷標準中，可借助在顯微鏡下觀察患者甲襞毛細血管結構的正常與否幫助區分患者是原發性雷諾病還是繼發性雷諾病[7]。研究顯示，微循環的改變對微血管病變的發生有重要影響，糖尿病患者、燒傷患者及嗜鉻細胞瘤患者經相應藥物治療后，甲襞微循環指標的總積分均和對照組有顯著差異，說明甲襞微循環可輔助用于藥物的療效檢驗[6]。

筆者結合實際生活經驗，認為可將甲襞微循環觀察儀用于中學教學設計和教學實踐。使用甲襞微循環觀察儀可幫助學生親眼觀察到自身末端的毛細血管，該實驗可在講解血管時或在觀察小魚尾鰭實驗時加以補充。該實驗有效彌補了學生難以觀察到真實毛細血管的遺憾，也為解決學生在進行小魚尾鰭實驗時遇到的問題，拓寬了思路。

甲襞微循環觀察儀（圖2）實則是一臺顯微鏡，其放大倍數約600 倍。與普通光學顯微鏡不同的是其光源在觀察對象的上方。使用時需要在甲襞上涂抹一層薄薄的松柏油以增加對光的透性。其實，直接利用普通光學顯微鏡也可觀察到甲襞，但不夠清晰[8]。筆者期望未來嘗試將普通光學顯微鏡加以改造，例如，使用中心波長為415 nm 的LED 貼片燈珠[9]作為光源，以實現類似的功能。

圖2 市售甲襞微循環觀察儀及配套松柏油（示上光源）

2 教學流程（圖3）

圖3 教學設計流程圖

2.1 引入 教師展示我國居民主要死因的餅圖，說明心血管疾病是“第一殺手”，對心血管疾病的研究至關重要，進而引發學生的探究欲望和學習興趣。

2.2 漫步科學史話，啟迪科學思維 教師出示一系列科學史資料。教師希望學生在學習科學史的過程中，既能獲得基礎的生物學知識，又能領悟生物學家在研究過程中所持有的觀點及解決問題的思路和方法。期待學生主動參與學習過程、養成理性思維習慣、形成積極的科學態度[10]。

1）公元前3世紀，古希臘解剖學派創始人赫羅菲拉斯（Herophilus）發現人體內有2 種血管：一種是會搏動的，一種是不會搏動的。他將會搏動的稱為“動脈”，不會搏動的稱為“靜脈”。教師引導學生觸摸并感受自己的動脈和靜脈。

2）在哈維（William Harvey）的《心血運動論》中，他用蛇和魚進行動脈或靜脈斷流實驗。實驗發現：結扎動脈時，血管連通心臟的一端很快會充盈血液，而遠離心臟的一端血液很快就會排空；而結扎靜脈時，靠近心臟的一端血管血液很快就會排空，而遠離心臟的另一端發生鼓脹[11]。教師提問：此實驗說明會跳動的血管（動脈）或不會跳動的血管（靜脈）里的血流方向是怎樣的？學生根據實驗現象得出結論：動脈將血液從心臟送至身體各部分去，靜脈將血液從身體各部分送回心臟。

3）只在動物身上做實驗是不全面的，哈維進而在一些較瘦弱的人身上重復了這一實驗，現象和結果與2）中相同。

4）哈維還對血液進行計算并得出：若一個人每分鐘心跳72 次，則在1 h 內，從左心室流出255 L血液。若一個成年人體重約為60 kg，這相當于一個人體重的4 倍[12]。如此多血液為何不會將人體脹破？多出人體體重的這部分血液又流向何處？哈維提出血液循環理論。但當時僅通過解剖學觀察的哈維缺少實驗證據。

5）馬爾皮基（Marcello Malpighi）通過解剖活的青蛙，觀察到肺泡壁上的毛細血管網絡，證實了毛細血管的存在，并證明了哈維的血液循環理論。

2.3 巧用甲襞實驗，觀察人體血管 馬爾皮基使用青蛙做的實驗，人體內是不是這樣的？教師介紹甲襞位置，介紹松柏油的用途，請學生志愿者進行觀察自己手指甲襞處毛細血管的實驗。學生通過實驗能清晰地觀察到人體末端的毛細血管，并有一定概率觀察到紅細胞單行通過某些毛細血管的現象。在學生觀察甲襞微循環的動態圖像時，教師提問：屏幕上從下向上流動的血管是毛細血管的哪一端？從上向下流動的血管是毛細血管的哪一端？教師進而利用課上的實景演示和課前提前錄制好的視頻進行講解。通過實證，學生觀察到人體末端存在著極細的毛細血管，以及毛細血管中的血液流回的現象。學生得出結論：血液在人體內確實是循環的，毛細血管是連通最小動脈和最小靜脈之間的血管。

2.4 觀察實物模型，展示真實數據，總結得出結論 為了使學生更加直觀地感受不同血管的結構特點，筆者設計制作了一組實物模型。用相同外徑但不同內徑的硅膠管模擬同級別的動脈和靜脈，用彈性很小的空心玻璃絲模擬毛細血管，分別編號為1～3 放置在密封袋中，課前發至學生。課堂中學生通過對這套血管模型的觀察、觸摸、拉伸等多種方式的實際感受，能快速比較并總結出不同血管的結構特點。

通過模型可幫助學生快速直觀地獲取信息，但模型并不能代表真實數據。教師提供科學文獻中實際測得的人體3 種血管，即動脈、靜脈、毛細血管的平均內徑、管壁厚度、管壁內含組織的種類及數量等數據。學生得以驗證通過血管實物模型獲得的結論。

2.5 拓展延伸應用，回歸健康生活 學生學習完血管的結構和功能后，教師帶領學生分析血管如果出現問題會怎樣，進而介紹常見的心血管疾病。通過對心血管疾病的分析，聯系生活實際，進一步幫助學生體會結構與功能相適應的觀點。課后作業：希望感興趣的學生課下查閱相關心血管疾病在臨床上的治療手段和方法，探究應如何預防這些疾病的發生。

3 教學反思

課程設計在多層級，多維度上體現了生物學學科核心素養。本節課的教學以史為鑒，通過問題鏈幫助學生探索與構建知識。學生在此過程中可體會科學家解決問題的思路和方法，感受科學與技術相互促進的關系，進而幫助學生初步形成科學思維，體會科學探究的過程。

基于教學實踐中發現的實際問題，筆者結合日常生活經驗，引入了新的實驗儀器。通過甲襞微循環實驗，串聯科學史，從動物實驗進一步過渡至人的實驗，基于實證驗證了哈維的血液循環理論。通過這一實驗，學生可清晰地觀察到自己或教師甲襞末端毛細血管的形態、其中正在流動的血液，以及紅細胞正在單行通過某些毛細血管的現象。這將極大地激發學生的學習興趣和探索真實生命現象的熱情。但在實際教學中，由于時間和儀器數量所限，甲襞微循環的實驗僅由個別學生志愿者參與實驗。后續筆者將對現有顯微鏡加以改進，學生可幾人一組，親自清晰地觀察到身體末端的毛細血管，提高學習效果。

學生通過對實物模型的親身觀察、觸摸等方式，直觀獲取信息。以此引導學生歸納總結不同血管和靜脈瓣的結構與功能上的特點，從而使學生形成結構與功能相適應的生命觀念，有效突破了教學重、難點。

關注生命健康是每位合格的社會公民應具備的基本素養。教學設計引入心血管疾病的真實情境，在學習過血管的結構和功能后，再引導學生將理論知識應用于解決此情境的實際問題，以此結尾，前后呼應。學生通過分析問題，解決問題，提高了生物學學科核心素養和自身的健康素養。