人體神經調節模擬演示裝置

◎長沙市長郡芙蓉中學 陳水章 陳鑫

一、研究背景

對于簡單反射與復雜反射的特點、反射弧的神經通路及關系等知識，人教版七年級下冊生物學教材只進行了簡單的描述。學生要準確理解簡單反射與復雜反射之間的聯系與區別，還是有困難，更別說對具體的案例進行分析。

我們設計制作人體神經調節模擬演示裝置，以排尿反射為例，通過演示正常成年人排尿是在大腦調控下的復雜反射，嬰兒尿床或脊髓損傷高位截癱患者小便失禁是在脊髓調控下的簡單反射，形象、直觀、動態地幫助學生理解簡單反射與復雜反射之間的聯系與區別。

二、制作裝置

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

三、模式演示

圖1 裝置實物圖

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調節過程，也可以組織學生通過裝置進行自主探究。

圖2 裝置結構圖

模式一：復雜反射——有尿意憋尿

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

當水位達到高位時，模擬膀胱內尿液充盈，高位的水位傳感器發出信號，信號傳到模擬脊髓的控制電路板，同時向上傳到模擬大腦的控制電路板，模擬產生尿意。雖有尿意，但此時不是排尿的適時適地，不能排尿，模擬大腦的控制電路板則發出抑制性的低電平信號，下行到模擬脊髓的控制電路板。由于抑制信號的作用，模擬脊髓的控制電路板不發出信號到模擬膀胱排尿裝置的電磁閥，模擬膀胱內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、脊髓的上下行傳導束的信號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：復雜反射——有尿意排尿

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

當模擬膀胱的塑料容器內的水排空，低位的水位傳感器沒有信號傳到模擬脊髓的控制電路板，模擬脊髓的控制電路板不發出信號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、脊髓的上下行傳導束和傳出神經的信號流水燈都呈現信息傳遞的路徑與方向，同時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電纜的接線插頭拔出，切斷電源。模擬脊髓的初級排尿中樞不受大腦控制，則會出現只要模擬膀胱的塑料容器里的水位到達高位，有信號傳到模擬脊髓的控制電路板，模擬脊髓的控制電路板就會立即發出信號到模擬膀胱排尿裝置的電磁閥，排出塑料容器內的水，模擬小便失禁。

在這種模式下，模擬傳入神經、傳出神經的信號流水燈呈現信息傳遞的路徑與方向，同時模擬大腦的模塊不亮燈，模擬脊髓的模塊亮藍燈。

圖5 裝置演示模式三

四、創新點

裝置彌補了目前大多數學校只利用教材中的文字與圖片進行教學的不足，變平面為立體，變靜態為動態，形象直觀地展示不同狀態下排尿的過程。

根據不同反射模式下的信息傳遞路徑和相應位置的信號流水燈狀態，學生能更好地了解簡單反射與復雜反射時神經沖動傳遞的路徑，理解人體神經調節的簡單反射與復雜反射的相關知識，輕松突破學習難點。

設計與制作裝置，利用電子與電路的相關知識解決生物教學問題，是STEAM課程的生動呈現，為探索初中生物跨學科實踐教學提供了思路與參考。