人體神經(jīng)調(diào)節(jié)模擬演示裝置

◎長(zhǎng)沙市長(zhǎng)郡芙蓉中學(xué) 陳水章 陳鑫

一、研究背景

對(duì)于簡(jiǎn)單反射與復(fù)雜反射的特點(diǎn)、反射弧的神經(jīng)通路及關(guān)系等知識(shí)，人教版七年級(jí)下冊(cè)生物學(xué)教材只進(jìn)行了簡(jiǎn)單的描述。學(xué)生要準(zhǔn)確理解簡(jiǎn)單反射與復(fù)雜反射之間的聯(lián)系與區(qū)別，還是有困難，更別說對(duì)具體的案例進(jìn)行分析。

我們?cè)O(shè)計(jì)制作人體神經(jīng)調(diào)節(jié)模擬演示裝置，以排尿反射為例，通過演示正常成年人排尿是在大腦調(diào)控下的復(fù)雜反射，嬰兒尿床或脊髓損傷高位截癱患者小便失禁是在脊髓調(diào)控下的簡(jiǎn)單反射，形象、直觀、動(dòng)態(tài)地幫助學(xué)生理解簡(jiǎn)單反射與復(fù)雜反射之間的聯(lián)系與區(qū)別。

二、制作裝置

3D打印模擬大腦的模塊和模擬脊髓的模塊，用激光切割技術(shù)加工亞克力板底座1個(gè)，然后將它們和不銹鋼管支架、模擬膀胱的塑料容器、4路觸發(fā)繼電器、2路觸發(fā)繼電器、電磁閥、水位傳感器、微型水泵、開關(guān)、電池組和三極管等組裝成人體神經(jīng)調(diào)節(jié)模擬演示裝置。

三、模式演示

圖1 裝置實(shí)物圖

在課堂上，教師可以利用裝置，以多種模式演示人體排尿反射的神經(jīng)調(diào)節(jié)過程，也可以組織學(xué)生通過裝置進(jìn)行自主探究。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)圖

模式一：復(fù)雜反射——有尿意憋尿

閉合模擬大腦的控制電路板上的開關(guān)，模擬大腦的控制功能完善，按下水泵的開關(guān)，水泵抽水到模擬膀胱的塑料容器內(nèi)。

當(dāng)水位達(dá)到高位時(shí)，模擬膀胱內(nèi)尿液充盈，高位的水位傳感器發(fā)出信號(hào)，信號(hào)傳到模擬脊髓的控制電路板，同時(shí)向上傳到模擬大腦的控制電路板，模擬產(chǎn)生尿意。雖有尿意，但此時(shí)不是排尿的適時(shí)適地，不能排尿，模擬大腦的控制電路板則發(fā)出抑制性的低電平信號(hào)，下行到模擬脊髓的控制電路板。由于抑制信號(hào)的作用，模擬脊髓的控制電路板不發(fā)出信號(hào)到模擬膀胱排尿裝置的電磁閥，模擬膀胱內(nèi)的水不流出塑料容器（模擬憋尿）。

在這種模式下，分別模擬傳入神經(jīng)、脊髓的上下行傳導(dǎo)束的信號(hào)流水燈能清晰地展示信息傳遞的路徑與方向。因模擬憋尿，模擬大腦與模擬脊髓的模塊都亮紅燈。

圖3 裝置演示模式一

模式二：復(fù)雜反射——有尿意排尿

閉合模擬大腦的控制電路板上的開關(guān)，模擬大腦的控制電路板發(fā)出高電平信號(hào)（模擬神經(jīng)興奮），下行到模擬脊髓的控制電路板。由于高電平信號(hào)的作用，模擬脊髓的控制電路板發(fā)出信號(hào)到模擬膀胱排尿裝置的電磁閥，模擬膀胱內(nèi)的水流出塑料容器，模擬排尿。

當(dāng)模擬膀胱的塑料容器內(nèi)的水排空，低位的水位傳感器沒有信號(hào)傳到模擬脊髓的控制電路板，模擬脊髓的控制電路板不發(fā)出信號(hào)到模擬膀胱排尿裝置的電磁閥，模擬停止排尿。

在這種模式下，模擬傳入神經(jīng)、脊髓的上下行傳導(dǎo)束和傳出神經(jīng)的信號(hào)流水燈都呈現(xiàn)信息傳遞的路徑與方向，同時(shí)模擬大腦與模擬脊髓的模塊亮綠燈。

圖4 裝置演示模式二

模式三：簡(jiǎn)單反射——尿充盈就排尿

此模式是模擬脊髓損傷高位截癱患者小便失禁。將模擬大腦的控制電路板與模擬脊髓的控制電路板之間的上下行信號(hào)電纜的接線插頭拔出，切斷電源。模擬脊髓的初級(jí)排尿中樞不受大腦控制，則會(huì)出現(xiàn)只要模擬膀胱的塑料容器里的水位到達(dá)高位，有信號(hào)傳到模擬脊髓的控制電路板，模擬脊髓的控制電路板就會(huì)立即發(fā)出信號(hào)到模擬膀胱排尿裝置的電磁閥，排出塑料容器內(nèi)的水，模擬小便失禁。

在這種模式下，模擬傳入神經(jīng)、傳出神經(jīng)的信號(hào)流水燈呈現(xiàn)信息傳遞的路徑與方向，同時(shí)模擬大腦的模塊不亮燈，模擬脊髓的模塊亮藍(lán)燈。

圖5 裝置演示模式三

四、創(chuàng)新點(diǎn)

裝置彌補(bǔ)了目前大多數(shù)學(xué)校只利用教材中的文字與圖片進(jìn)行教學(xué)的不足，變平面為立體，變靜態(tài)為動(dòng)態(tài)，形象直觀地展示不同狀態(tài)下排尿的過程。

根據(jù)不同反射模式下的信息傳遞路徑和相應(yīng)位置的信號(hào)流水燈狀態(tài)，學(xué)生能更好地了解簡(jiǎn)單反射與復(fù)雜反射時(shí)神經(jīng)沖動(dòng)傳遞的路徑，理解人體神經(jīng)調(diào)節(jié)的簡(jiǎn)單反射與復(fù)雜反射的相關(guān)知識(shí)，輕松突破學(xué)習(xí)難點(diǎn)。

設(shè)計(jì)與制作裝置，利用電子與電路的相關(guān)知識(shí)解決生物教學(xué)問題，是STEAM課程的生動(dòng)呈現(xiàn)，為探索初中生物跨學(xué)科實(shí)踐教學(xué)提供了思路與參考。