“心臟的結構與功能”實驗改進與創新

周召路 陳淑香

（1 北京市育才學校通州分校 北京 101101 2 北京市通州區教師研修中心 北京 101100）

《義務教育生物學課程標準（2011 版）》[1]指出：要倡導探究性學習，引導學生主動參與、勤于動手、積極思考，培養學生分析和解決問題的能力，以及交流與合作的能力等，突出創新精神和實踐能力的培養。本節課“心臟的結構與功能”位于課程標準中第5 個一級主題“生物圈中的人”。與本節教學內容相關的課程標準要求為“概述人體血液循環系統的組成”。血液循環系統在人體的各大系統中位于核心地位，其將人體的消化系統、呼吸系統、泌尿系統等有機聯系，而心臟是血液循環的動力器官，因此，學習心臟的結構與功能，對學生理解人體血液循環，進而理解人是一個統一的整體具有重要意義。

心臟的各部結構與功能抽象復雜，是教師教授、學生學習的難點。在傳統的生物學教學中，常以哺乳動物的心臟為例幫助學生觀察、認識心臟的結構、理解其結構與功能是相適應的。其中，通過解剖，學生能觀察心臟內部瓣膜的位置、結構；然而，對于瓣膜的功能，多通過心臟注水實驗加以推測。例如，通過分析水流入及流出的位置，理解心臟內的瓣膜只能朝固定方向打開，從而確保心臟內部的血液只能定向流動而不能倒流。但學生并未實際觀察到瓣膜的動態開閉方向，因此，不易理解心臟瓣膜具有“防止血液倒流”的功能。針對這一教學難點，一些教師進行了教學優化。例如，段玉佩等[2]改進“氣泵式心臟模型”，用氣泵模擬心臟腔室，氣泵閥門模擬心臟瓣膜，以氣泵閥門控制氣流類比心臟瓣膜控制血流方向；張雷[3]用飲料瓶模擬心臟腔室，用硅膠地漏芯模擬瓣膜，通過灌水觀察水的流動和心臟瓣膜的開閉；張曉菲等[4]用吹氣球模擬心臟腔室，單向閥模擬瓣膜，通過演示、對比、分析成功模型與失敗模型，理解瓣膜的功能。

由原型結構構建模型，可使學生從感性體驗中升華理性認識，形成重要概念。然而，筆者思考能否依托原型、充分利用實驗材料，真實地觀察到心臟內瓣膜的動態開閉方向？

因此，筆者嘗試改進心臟的注水實驗并創設心臟瓣膜的動態演示實驗，使學生實際觀察到瓣膜的動態開閉，深入理解心臟內部的血液流動方向，進而認同結構與功能相適應的生命觀念。

1 實驗內容

通過觀察哺乳動物的心臟，認識心臟的各部分結構及與心臟相連接的血管；通過心臟注水實驗，探究心臟內部的血液流動方向；解剖心臟，觀察內部結構并進行瓣膜的動態開閉實驗，理解心臟壁的結構與心臟壁的功能及瓣膜結構與瓣膜功能是相適應的。通過實驗觀察，由實物轉為示意圖，總結提升，強化對心臟結構及功能的理解。

2 實驗器材

2.1 實驗材料：新鮮、完整的哺乳動物心臟。

2.2 實驗用具：鑷子、解剖刀、托盤、大燒杯、橡膠管、回形針、標簽紙、解剖剪、玻璃干燥器、漏斗、滴管、橡膠手套等。

3 實驗教學過程

以新鮮、完整的哺乳動物的心臟為實驗材料，4 人一組，采用任務驅動的形式探究心臟的各部分結構及功能。

任務1：實驗觀察——識別心臟的外形及基本結構。學生觀察哺乳動物的心臟，結合所學知識及教材，初步辨識心房、心室的位置并區分心臟的前后及左右。辨識與心臟相連接的血管，并用回形針將貼有心臟各部分結構名稱的標簽紙固定于對應位置上。小組內合作，明確與心臟相連的血管及其血流方向，并進行小組間交流。引導學生：1）沿靜脈血管的切口觀察心房壁的厚度并觸摸心房壁與心室壁，對比心壁的厚薄；2）沿動脈血管觀察位于心室與動脈之間的動脈瓣結構并推測其功能。

任務2：改進心臟注水實驗——探究并推測心臟內部的血流方向。在認識并正確粘貼心臟各部分結構的基礎上，學生連接如圖1所示的實驗裝置，探究心臟內部的血液流動方向。小組內合作，依次從肺靜脈、上（下）腔靜脈、主動脈、肺動脈注水，觀察并記錄水流出的位置（圖2），嘗試推測心臟內部的血液流動方向。

圖1 心臟注水裝置圖

圖2 心臟注水實驗結果記錄圖

以從肺靜脈注水為例，具體流程如下：1）將滴管的出水口放入肺靜脈中，緩慢打開水流，觀察并記錄水流出的位置；2）加大水流，觀察實驗現象；3）將心臟中的水倒出，更換入水位置重復實驗操作。

依據實驗現象推測心臟內部的血流方向。

任務3：解剖觀察——分析心臟壁的結構及功能特點。沿圖3中虛線方向解剖心臟（圖4），觀察心臟的內部結構并結合問題串引導學生分析心臟壁的結構及功能。

圖3 心臟解剖參考線

圖4 心臟解剖圖

問題1：觀察解剖后的心臟，心臟主要由什么組織構成，由此可見，心臟具有什么重要功能？

問題2：心房與心室相比，哪個心臟壁更厚？

問題3：結合任務1 中與心臟相連接的血管，分析心室壁比心房壁厚對應其功能有什么不同？

問題4：2 個心室中，哪個心臟壁最厚？

問題5：聯系與左、右心室連接的血管，分析左心室壁比右心室壁厚對應其功能有什么不同？

通過對以上問題的思考與探討，培養學生的邏輯思維能力，引導學生運用已有知識自主構建心臟壁結構與功能的相適應。

任務4：創設瓣膜的動態演示實驗——通過心臟內的瓣膜及其動態開閉方向驗證心臟內部的血液流動。在任務3 解剖觀察的基礎上進行心臟內瓣膜的動態演示實驗。

具體流程如下：①學生觀察解剖開的心臟并識別位于心房與心室之間的房室瓣結構；②將解剖開的心臟放入盛有清水的大燒杯中，從壁較薄的右心室方向觀察心房與心室之間的房室瓣及心室與動脈之間的動脈瓣結構；③觀看教師演示實驗，判斷心臟內瓣膜的動態開閉方向（圖5）。④進行學生分組實驗：用鑷子夾住右心室壁，在水中前、后晃動，直至能觀察到房室瓣及動脈瓣的開閉，聯系心臟注水實驗中推測出的心臟內部的血流方向，分析心臟內瓣膜的結構及其功能。

圖5 心臟內瓣膜的動態開閉

總結，瓣膜結構與瓣膜功能是相適應的，即房室瓣只能朝心室開；動脈瓣只能朝動脈開，從而確保心臟內的血液只能由靜脈→心房→心室→動脈而不能倒流。

任務5：識圖自測——心臟結構及功能的內化。結合實驗觀察，由實物轉為示意圖，進行識圖自測，學生在心臟結構示意圖上標出心臟的各部分結構名稱、與心臟相連接的血管及心臟內部的血流方向。

結合本節課學習內容，學生自主歸納出心臟的結構與其功能相適應的特點，實現知識的內化（圖6）。

圖6 心臟結構示意圖

4 討論

本文主要通過改進心臟注水實驗和創設心臟瓣膜的動態演示實驗，幫助學生通過實驗觀察與結果分析，進行觀察、推測、驗證一體化的探究活動，即觀察心臟注水實驗—推測內部的血流方向—通過瓣膜的動態開閉方向驗證推測。通過一系列的實驗觀察與探究，強化心臟結構與功能的相適應，即心臟壁的結構與心臟壁的功能相適應；瓣膜結構與瓣膜功能相適應。在探究過程中以任務驅動為引領，提升學生的實驗探究能力和邏輯思維能力的同時滲透結構與功能相適應的生命觀念。