◆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(diào)節(jié)的方式，其中最先介紹的是神經(jīng)調(diào)節(jié)。

神經(jīng)最早出現(xiàn)在腔腸動物中，經(jīng)過發(fā)育進化，逐漸形成高級動物中的較復雜形式。神經(jīng)調(diào)節(jié)的方式于體液調(diào)節(jié)和免疫調(diào)節(jié)來說產(chǎn)生最早，也更具基礎性。神經(jīng)調(diào)節(jié)和體液調(diào)節(jié)，神經(jīng)—體液—免疫調(diào)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(jīng)調(diào)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(jīng)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(jīng)沖動產(chǎn)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(nèi)負的電位差，胞內(nèi)高鉀、胞外高鈉的離子分布情況；

（二）難以理解動作電位產(chǎn)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(chǎn)生后神經(jīng)沖動的傳導情況；

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

（五）不了解神經(jīng)調(diào)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(jīng)調(diào)節(jié)教具，輔助學生理解神經(jīng)電位的產(chǎn)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(jīng)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(zhì)，安全無毒，且能生物降解。

（二）開源電子原型平臺

興奮的產(chǎn)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(jīng)沖動傳導方向，用紅外發(fā)射與接收模擬神經(jīng)沖動的遞質(zhì)傳遞，用船型開關模擬毒扁豆堿與箭毒對神經(jīng)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(jīng)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(jīng)元結(jié)構(gòu)模式圖

基于該神經(jīng)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(jīng)元、中間神經(jīng)元及傳出神經(jīng)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(jīng)元

五、實踐測試

（一）教具使用方法

傳入神經(jīng)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(jīng)沖動用小燈泡展示，并傳到傳出神經(jīng)元，引發(fā)肌肉收縮。

神經(jīng)纖維上有觸覺傳感器，模擬各種刺激?？梢钥吹皆谕粋€神經(jīng)元上，神經(jīng)沖動（小燈泡亮）單向傳導，而神經(jīng)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(jīng)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(jīng)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(jīng)調(diào)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(jīng)調(diào)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(jīng)沖動的傳遞過程，實驗現(xiàn)象形象、直觀。

這項作品的產(chǎn)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(jù)動物體神經(jīng)元的形態(tài)、結(jié)構(gòu)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(jīng)元的形態(tài)，利用人工智能技術設計制作成模擬神經(jīng)沖動與神經(jīng)遞質(zhì)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(zhì)。

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。