崔 欣 梁逸伦 杜程鹏

(1 复旦大学附属中学 上海 200433； 2 上海市杨浦高级中学 上海 200092)

“血压及其调节”一节的教学目标中提到：“理解血压的形成及其影响因素，知道高血压病及其防治，教学重点为血压的形成及其影响因素”。然而，这部分内容对学生来说还是比较抽象的，难以理解。本文基于STEM教育理念进行了创新活动的设计，学生在探究过程中理解血压的形成及其影响因素。在提出降低高血压的方案过程中，能提高学生科学探究的核心素养。同时，为教学难点血压的神经调节打下基础。本文以“降低高血压方式的探究”一节为例，探讨如何将STEM理念与生物学课堂教学实践相联系[1]。

1 与STEM各项领域相关说明

本节课探究内容为：“血压调节——利用人工心脏模型探究降低高血压的方式”，两节课时(连上)。通过本节课学生能学习血液循环系统、血压的概念以及影响血压的因素，体现STEM中的科学；学生在制作人工心脏装置的过程中，使用TI图形计算器和压力传感器，体现了技术；在课堂上，学生设计搭建可调节并检测血压的人工心脏模型，体现了工程；在完成实验报告时对压力传感器的数据进行处理和分析，体现了数学。

2 设计方案

2.1 课前准备 TI图形计算器与创新者系统、压力传感器、可调节转速的水泵、可代表血管的横截面积相同塑料管(硬管)和橡胶管(软管)以及横截面积更大的橡胶管(粗管)若干、可代表血液的甘油，甘油与水混合液，清水，代表心脏容器若干、三通装置、电源。

2.2 课中探讨 具体探讨如下：

2.2.1 课堂引入 高血压的现状和危害： 医学期刊《柳叶刀》上曾刊登一项研究结果，揭示与中国居民的死亡最相关的前十大危险因素，高血压居首。我国每年死于高血压和相关心脑血管疾病的患者占总死亡人数的41%，是我国第一大致死危险因素，被称为“健康的隐形杀手”。

2.2.2 问题设置 心脏和血管构成的血液循环系统组成？血压的概念？如何搭建人工心脏模型验证血压的存在，怎样调节并检测血压的变化？

2.2.3 学习任务 利用人工智能心脏模型，探究如何降低高血压，形成降低高血压的具体文字方案。

2.2.4 模型搭建 引导学生基于探究任务，结合心脏和血管相关知识，小组讨论人工心脏各部件功能，搭建可以调节并检测血压的人工心脏模型。在搭建之前，学生要预先了解实验器材的各部分原理和用途，并学习如何使用TI图形计算器预先输入的程序，调节水泵的转速，建议在TI图形计算器中的转速分别设为100和200；由于压力传感器只能测量气体的压力，不能接触水，所以要引导学生使用三通设备在水管的侧壁引出分支导管，通过血液流动时对侧壁分支导管的气体产生压力来测量血压。并建议学生调整传感器的数值精确到小数点后一位；由于水泵与电线的焊接处裸露在外不够结实，需提醒学生不要破坏装置；由于提供了细软管、粗软管和粗硬管3种型号水管，探究过程中可通过粗细转换接头调换各种型号水管以探究不同血管的管径和弹性对血压的影响；以盛装各种溶液的烧杯模拟左心室，便携水杯模拟回收血液的右心房。模型主要元件以及建议搭建方式参考图1。

图1 人工心脏模型主要元件以及建议搭建效果图

2.2.5 小组探究 具体探究过程如下：

(1) 提出问题： 用哪些方法可能降低高血压？

(2) 提出假设： 减小水泵转速、增大水管直径、增大水管弹性、减小溶液浓度和减小液体体积等，使水管侧壁压力减小。

(3) 设计实验： 学生分组实施探究活动，随时记录探究过程出现的特殊现象和存在问题。多数学生的实验设计思路为： 先探究两种水泵的转速对血压的影响，然后固定一种转速，继续探究水管管径、弹性、溶液浓度以及体积的影响(表1)；也有些学生的设计方案更加细致严谨，如： 一组学生分别在水泵转速为100和200两种条件下探究水管管径、弹性、溶液浓度和体积；另一组学生分别在清水、甘油清水混合液、甘油原液3种条件以及两种水泵转速下进行各组探究实验，记录的数据更加复杂和详实。

(4) 实施实验： 探究小组每组3位学生，分工明确，分别担任操作员、观察员和记录员。由操作员实施过程。提醒操作员注意压力传感器不要接触水，且每次实验前先对压力传感器数值调零。

(5) 记录数据： 由观察员和记录员配合进行，由于压力传感器显示的是瞬时压力数据，故观察员需在10 s内把若干瞬时数据计算或估算成平均值，尽量减小误差，由记录员记录。实验过程中由一位记录员全程记录即可，提醒3位学生不要各自记录(表1)。

表1 学生的实验报告

2.2.6 实验结论 分组展示学生的数据，根据实验结果，分析、讨论并总结降低高血压的实际方案： ①减少水泵功率；②增大水管管径；③增大水管弹性；④减小溶液黏稠度。

2.2.7 分析讨论 讨论防治高血压的具体措施： ①减小心排血量，如通过药物或者减少紧张感使心律减缓；②增大血管管径，如通过药物或者保暖措施以及治疗动脉粥样硬化等方式增大管径；③增大血管弹性，如通过降低高血糖和高血脂恢复血管弹性；④降低血液黏稠度，如通过药物和健康饮食降低血脂；⑤减小血浆容量，由于一些客观原因，无法通过本次实验得出结论。但高盐饮食会使人饮水过多增加血浆容量而使血压升高，故饮食应减少盐的摄入量使血浆容量下降。

3 交流反思

通过教学实践和反思，尚有许多需要改进之处，如： 事先应对学生进行TI图形计算器培训，再由学生亲自编程调节水泵转速的程序，这样学生的参与度会更强，更能体现STEM中的技术；模拟心脏的容器也可由学生发挥创造性，教师提供坚硬的烧杯不能很好地体现心脏能够收缩和舒张运动，并且教师提供的心室和心房容器是分开的，没有形成闭合的回路；实验中压力传感器出现了负值，教师建议要重新做一遍；目前数据处理是采用纸质报告，需要手动处理，如果能借鉴“云协作”技术全班同步录入数据并自制Excel表自动生成图表，就能有效地提升了课堂教学的效率[2]。

实验过程中，学生的一些做法值得肯定，如： 每次更换水管后先开启水泵若干次，把水管中空气排净再开始实验；有的小组在每一个条件下重复测量3次取其平均值，实验数据能更加可靠；还有一组学生建议先进行清水实验，再用甘油清水混合液探究，最后用甘油探究，可防止甘油残留阻塞水管而影响实验结果。另外，本实验通过预实验探究得出甘油清水混合液合适的比例为1∶2，而纯的甘油溶液浓度过大，在细软管条件下是无法得出数值的。