神經調節(jié)演示教具

◆西安市第一中學 趙思滔 趙韻怡 田晨曦

人教版高中生物必修三《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》中講解了動物和人體生命調節(jié)的方式，其中最先介紹的是神經調節(jié)。

神經最早出現(xiàn)在腔腸動物中，經過發(fā)育進化，逐漸形成高級動物中的較復雜形式。神經調節(jié)的方式于體液調節(jié)和免疫調節(jié)來說產生最早，也更具基礎性。神經調節(jié)和體液調節(jié)，神經—體液—免疫調節(jié)的相互作用也是維持生物體穩(wěn)態(tài)的重要因素。因此，學好神經調節(jié)方式對了解生物體穩(wěn)態(tài)、增強學生對生命健康的認識具有重要作用。

一、學習中存在的問題

經過對課堂教學中學生的表現(xiàn)以及多次測試的成績進行分析，我們發(fā)現(xiàn)學生在學習神經沖動產生、傳導和傳遞等知識點時，存在以下問題。

（一）記不住靜息電位狀態(tài)下外正內負的電位差，胞內高鉀、胞外高鈉的離子分布情況；

（二）難以理解動作電位產生的原因、離子的流動方向及電位的變化；

（三）記不住動作電位產生后神經沖動的傳導情況；

（四）記不住神經沖動在兩個神經元間的傳遞，由神經遞質作為化學信號從神經元軸突末梢的突觸前膜傳遞到下一個神經細胞的突觸后膜，以及相應的電位變化；

（五）不了解神經調節(jié)受什么因素影響、會被什么促進或阻遏等。

鑒于上述難點，我們決定制作一件神經調節(jié)教具，輔助學生理解神經電位的產生、傳導、傳遞以及抑制方面的相關問題。

二、人員分工

在本次探究過程中，趙思滔主要負責項目的整體設計與規(guī)劃、電路設計、程序編寫。趙韻怡主要負責作品前期的設計、后期的美化以及文字資料的整理。田晨曦主要負責作品外觀的設計以及模型搭建。

三、器材準備

（一）3D 打印

3D 打印技術可將突觸等部位精確到微米，能準確、立體地還原我們設計的神經元模型。3D 打印的材料為聚乳酸（PLA），聚乳酸是由乳酸聚合的聚酯類物質，安全無毒，且能生物降解。

（二）開源電子原型平臺

興奮的產生、傳導與傳遞需要一定的程序來運行，我們采用Arduino 進行操作編程。Arduino可接受多種計算機語言控制，能廣泛融合多種開源硬件。

用觸碰傳感器模擬感受器，用小燈泡演示神經沖動傳導方向，用紅外發(fā)射與接收模擬神經沖動的遞質傳遞，用船型開關模擬毒扁豆堿與箭毒對神經沖動傳遞的作用，用馬達和KT 板模擬肌肉的行為。

（三）KT 板

KT 板的主要成分是聚苯乙烯，基本對人體無害，可用于教學。

四、制作過程

（一）繪制圖紙

經過多方商討，決定以生物必修三《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》第17 頁插圖為基礎進行設計。

圖1 趙韻怡繪制的神經元結構模式圖

基于該神經元圖像，我們決定制作以所受反射為例的三元反射，清晰地表達傳入神經元、中間神經元及傳出神經元的效果與功用。

（二）打印模型

在建模軟件中繪制好設計圖后打印。設計電路并將打印好的模塊進行組裝。

圖2 田晨曦繪制的建模圖

圖3 3D 打印過程圖

圖5 中間神經元

五、實踐測試

（一）教具使用方法

傳入神經元前有溫度傳感器、觸覺傳感器、震顫傳感器、壓力傳感器、模擬感受器。接受刺激后，教具模仿反射活動，將神經沖動用小燈泡展示，并傳到傳出神經元，引發(fā)肌肉收縮。

神經纖維上有觸覺傳感器，模擬各種刺激。可以看到在同一個神經元上，神經沖動（小燈泡亮）單向傳導，而神經元間只能由突觸前膜傳向突觸后膜。

在突觸前膜和突觸后膜上有兩個船型開關，分別代表毒扁豆堿與箭毒的作用。觸發(fā)毒扁豆堿，紅外線常亮不滅，后神經元持續(xù)感受刺激；觸發(fā)箭毒，紅外線失去功能，興奮無法在突觸傳遞。

圖6 趙韻怡給大家介紹教具

圖7 同學們探討模型

（二）利用教具嘗試教學

我們將裝置帶到課堂進行演示、介紹以及授課。在實踐過程中，同學們的學習積極性較高，加深了對知識點的理解，起到了事半功倍的效果。

同學們對神經元模型有著強烈的興趣，還一致認為短暫的講解讓他們印象深刻，加深了他們對神經調節(jié)相關重點、難點的理解。

專家點評

趙思滔、趙韻怡、田晨曦三位同學的神經調節(jié)演示教具，是一項具有原創(chuàng)性的發(fā)明作品。該項發(fā)明能動態(tài)演示神經沖動的傳遞過程，實驗現(xiàn)象形象、直觀。

這項作品的產生：其一，從選題方法分析，采用的是適應需求法，即針對自身生物課程學習的某一需要進行發(fā)明創(chuàng)新。其二，三位同學能針對學習中的難點進行深入分析，并創(chuàng)造性地提出突破難點的方案。其三，團隊成員分工合作，充分發(fā)揮了各自的特長與優(yōu)勢。其四，依據動物體神經元的形態(tài)、結構及生理功能的特點，利用3D 打印技術進行建模。其五，模擬中間神經元的形態(tài)，利用人工智能技術設計制作成模擬神經沖動與神經遞質傳遞信號的過程。其六，突出體現(xiàn)了同學們“協(xié)同創(chuàng)新”的創(chuàng)新型拔尖人才潛質。

值得商榷的是，模型中用兩個船型開關分別代表毒扁豆堿與箭毒的作用，這樣的模擬有些牽強。希望同學們能進一步研究，以增強模型與原型之間的相似度，進一步提高其科學性。