利用自制教具和DIS设备模拟影响血压的因素的应用与探讨
蒋嘉顺
摘? 要 选择“影响血压的因素”进行教具开发和应用探究，并详述教具的使用过程和产生的结果，结合DIS实验设备产生现象，将原本抽象的概念转变为具象的图形和数字等实验结果，引导学生思考，旨在培养学生对此类问题的理解和掌握能力，提升课堂效率。
关键词 生命科学;DIS設备;自制教具;血压;核心素养;实验
中图分类号：G632? ? 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2020）13-0133-04
1 前言
在生命科学教学过程中经常会涉及一些微观和抽象的概念，对此类概念从获取到理解，建立在学生已熟悉相应具象概念的基础上[1]，且需要通过大脑的再次加工。部分学生因缺失其中基础部分的具象概念，导致无法引发联想，进而难以理解。同时，学生对概念的联想和再加工能力往往决定了其在课堂上的听课效率。因此，对某些抽象概念建立具象模型，并在课堂上展现其自变量改变导致的因变量改变，最终获得直观的数据结果，将减少学生在课堂上对知识再加工的时间，提升学生对相应知识点的理解能力，具有提高课堂效率的作用。
“人体的内环境和自稳态”章节中存在大量抽象概念，本文拟从其中的“影响血压的因素及其调节”这一小节内容入手，利用简单的材料制作教具，模拟教材中出现的心输出量和外周阻力变化。结合物理教学过程中普遍使用到的DIS教具进行数据分析，在课堂中讲述三个抽象知识点，即：心输出量升高，收缩压和舒张压升高;血液粘滞度变大，收缩压和舒张压升高;血管弹性变弱，收缩压升高、舒张压下降[2]。通过现象和数据两种方式分别具象化地呈现在学生面前，尝试寻找并应用一种方法，增加学生对此类抽象知识点的理解，提升学生模型与建模及演绎与推理的核心素养[3]，并对该方法在课堂教学实践和应用中的优势与劣势进行探讨。
2 教具的制作
教具模块? 教材中提及的两个影响血压的因素分别是心输出量和外周阻力，本教具将分成心脏模拟、血管模拟、血液模拟和数据采集分析四个模块。
1）心脏模拟模块。由于心脏搏动具有节律性，普通水泵无法模拟心脏规律跳动所造成的血压周期性变化，因此，本教具采用卡默尔牌NKCP-S10B可调速小型蠕动泵模拟心脏向主动脉射血，改变蠕动泵的转速则可模拟心输出量的变化（如图1所示），左心室和右心房分别用两个烧杯代替，用来收集模拟血液，且方便观察现象。
2）血管模拟模块。不同延展性的管道，可用来模拟血管弹性变化后相同心室射血量对主动脉血管管壁侧向压力造成变化的情况。选材时考虑到较小的延展性差异可能无法通过数据有效展现，在尝试了条形气球、乳胶管、硅胶管和PVC管等多种材质后，发现条状气球因其具有极大的延展性，可用于软管模拟。而硅胶管、乳胶管和PVC管所测得结果相近，考虑到蠕动泵中及回流入右心房的管道均为硅胶材质，最终采用横截面积和长度均相同的硅胶管（硬）和剪开一端的条形气球（软）两种为模拟血管（如图2所示，自左向右分别为条形气球、硅胶管、乳胶管、PVC管）。
3）血液模拟模块。血液粘滞度是影响外周阻力的重要因素，模拟不同血液粘滞度通过改变模拟血液的成分达到目的，通过查阅液体粘滞系数表，分别选用水、50%甘油模拟不同粘滞度的血液。
4）数据采集分析模块。传感器使用朗威牌压强传感器，由于传感器连接处的管径不变，因此可通过压强直接反映出传感器所受的液体压力变化。采集器使用朗威牌数据采集器;分析软件使用DISLab 6.0通用型软件，可分别观察数值和曲线两个结果。
教具组装? 将蠕动泵取水端插入模拟左心室的烧杯中，为保证单一变量，此处均采用硅胶管。将模拟血管按需求通过直通接头，直接连接在蠕动泵的出水处，在模拟主动脉的末端用三通接头连接DIS压强传感器和回流入模拟右心房的硅胶管。为获得较明显的实验结果，本教具还在回流入右心房的模拟血管后引入一个变径接头，将管径减小一半，以增加压力传感器端的信号。搭建完成的教具如图3所示。打开软件，将纵坐标数值固定为100～120 kPa。
3 教具的使用过程
观察模拟心输出量变化? 心输出量可分为心室射血量、心脏搏动和血容量三种变化因素，三种变化的结果均可视作改变单位时间内向主动脉射出的血量。所以在模拟此项变化时，在不改变其他条件的情况下，通过调节蠕动泵转速，即调节心脏搏动频率进行模拟。在综合采集设备的精度以及管道因突破其延展性阈值后造成的瞬间失压等情况后，为获取较为明显的实验现象，最终以水为模拟血液，选取蠕动泵转速的40%和60%二个挡位进行实验。
1）40%转速下的曲线和数值获取。将蠕动泵的取水端放入模拟左心室的烧杯，转速调整为40%，观察到模拟右心房的烧杯中出现液体后，开始观察软件上的曲线和读数，待获得稳定的数值和稳定的曲线后，利用软件中的保存图像按钮保存曲线和读数。
2）40%～60%转速下的曲线获取。软件页面中出现新的记录周期的40%曲线后，缓慢调解旋钮至60%转速，出现60%转速曲线后，迅速保存图像。
3）60%转速下的曲线和数值获取。观察软件上出现稳定的60%曲线后，点击获取图像进行保存，随后点击数值按钮，获取数值并保存图像。
观察模拟外周阻力变化
1）血液粘滞度变化。实验前向学生展示水和甘油两种溶液的粘滞系数，并告知学生甘油的粘滞度要高于水。以水为模拟血液，观察其在转速40%～60%的结果后，将取水端从烧杯中取出，待观察到出水端无液体流出后，关闭蠕动泵，将模拟血液替换为甘油，重复上述操作步骤，待曲线相对平稳后获得相应数据和曲线。
2）血管弹性变化。实验前向学生展示两种材质导管的延展性，通过请学生上台进行拉伸并选出两种材料中较易拉伸的一种，以水为模拟血液，以硅胶管为模拟血管，分别完成上述操作步骤。获得曲线后，在蠕动泵保持开启的情况下，取出取水端，待观察到出水端没有液体流出后拔下连接硅胶管的直通接头，替换为气球后重复上述步骤，获取相应的数据和图形。
4 教具的应用结果
改变心输出量产生的结果? 通过软件绘制的曲线，可看到当蠕动泵转速处于40%时，在以硅胶管作为模拟血管、以水为模拟血液的情况下，产生的圖形为一条有规律的曲线。告知学生，其最高点可被视为蠕动泵射出水时所产生的压力，即模拟的收缩压;其最低点可被视为蠕动泵不射水时，依靠模拟血管推进产生的压力，即模拟的舒张压（图4）。当缓慢调整转速至60%时，可看到曲线向上提升（图5）。当转速稳定在60%时，可看到模拟出的收缩压和舒张压均高于40%转速时（图6）。两种情况所产生的最高压强数值如表1所示，可让学生观察到心输出量升高时收缩压和舒张压均升高。
改变血液粘滞度产生的结果? 在其余条件不变的情况下，对比以水为模拟血液和以甘油为模拟血液的两种结果。其中，图7为40%转速水曲线，图8为40%转速甘油曲线，图9为60%转速水曲线，图10为60%转速甘油曲线，最高压强变化如表2所示。可看到，将模拟血液的材质由水替换为甘油后，其产生的模拟收缩压和模拟舒张压均上升，且转速越高越明显。可让学生观察到，当血液粘滞度升高时，收缩压和舒张压均升高。
改变血管弹性产生的结果? 以水为模拟血液，在其余条件不变的情况下，分别获取硅胶模拟血管和气球模拟血管在40%转速和60%转速下的曲线和数值。其中，图11为40%转速下的硅胶管情况，图12为40%转速下的气球情况。可让学生观察到，当血管弹性变小时，收缩压升高，舒张压降低。
收缩压的形成展示? 对比蠕动泵启动前后，可观察到条形气球形态变化，用以解释血管弹性可用于缓冲收缩压。去除模拟主动脉及其后部分，可观察到水间歇性从蠕动泵出水端射出;连接模拟血管及其后部分，可观察到水连续射出，用以解释舒张压由主动脉产生。关闭蠕动泵后，可观察到依旧有水从模拟血管的出水端射出，此时，模拟主动脉的条形气球发生收缩，用以解释舒张压的产生依靠主动脉收缩。
5 自制教具应用优势及现存不足的反思
在自制教具应用过程中，课堂形式由原本的叙述式转变为实验式，让学生感到新奇，从而极大吸引学生的注意力，提升学生的学习兴趣。实验最后通过直观的现象和数据呈现结果，替代原本抽象的叙述，切合日常思维中眼见为实的思想，产生一定视觉冲击的同时也让学生在潜意识中对相应知识点产生更为深刻的印象。从实验结果的推测到结论的得出，都可在教师的引导下进行，形成一个循序渐进、不断深化的过程，学生的相对参与度更高，自主性体现更多，理解也相对较为容易。因此，选择合理有效的教具不仅可以降低教师上课的工作量，更能增加课堂容量，提升课堂效率。
此自制教具现在依旧存在一些不足：
一是搭建和替换过程较为烦琐，需要较多时间，在一定程度上影响了课堂的进行，降低了课堂的效率和容量;
二是现有教具尚不能模拟出全部的影响血压的因素的情况，由于管径统一，使因管径变细而导致的收缩压和舒张压上升情况，需要通过教师叙述并带领学生进行推测和分析;
三是操作过程烦琐，需要教师完成，学生只能在观察现象后进行探讨和思考，不能实际动手操作，参与度不高可能会影响学生的积极性。
后期笔者将继续改进自制教具及其使用过程，使其能够更有效地服务教学。
参考文献
[1]张雷.以“三贴近”原则具象化理论性课程教学：以《经济学原理》为例[J].课程教学研究，2013（18）：59-60.
[2]上海市中小学（幼儿园）课程改革委员会.生命科学拓展型课程教学参考资料[M].上海：上海科学技术出版社，2017：63.
[3]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2017.
