利用自制教具和设备模拟影响血压的因素的应用

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。

图1

图2

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。

图3

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。

文章来源：《生命科学仪器》 网址: http://www.smkxyq.cn/qikandaodu/2021/0313/477.html