肌丝滑行模型的制作和应用

陈晓霞，卢元杰

(青岛卫生学校,山东 青岛 266071)

高职护理专业生理学课程中的肌肉收缩机制目前是用肌丝滑行学说来解释的,学说内容涉及肌细胞微细结构和生理功能。在生理学教学中,深感肌丝滑行等内容实乃抽象,教师难教,学生难学,传统的挂图缺乏立体感,模型体积太小,且无法显示动态的肌丝滑行过程,即使运用现代化教学手段,也多局限在二维展示［1］。然而,此内容又是肌细胞收缩功能的重点内容,在生理学教学中占有重要地位,客观上要求学生必须达到理解和掌握程度。

鉴于此,笔者仿照该学说原理,研制了一个肌丝滑行模型并应用于教学。该模型通过编程单片机控制舵机和电磁铁,启动肌丝滑行,模拟一个肌节的收缩与舒张过程,生动直观地揭示了肌肉收缩与舒张的机制［2］。此模型获第十三届全国中等职业学校“文明风采”大赛职业规划类——创新设计组一等奖。现介绍如下。

1 制作材料和设计原理

1.1 制作材料

单片机、亚克力板、亚克力条、舵机、电磁铁、继电器和铁条等。

1.2 设计原理

模型由肌节模型、动力装置、控制器和底座4部分组成。肌节模型中的粗肌丝、M线和Z线(为便于形象理解,M线和Z线制作成盘状)使用亚克力板制作,细肌丝使用铁条制作,舵机的摇臂和电磁铁代表横桥。动力装置主要由舵机和电磁铁组成,使用电磁铁吸附铁条(细肌丝)模拟横桥与细肌丝的结合,用舵机摇臂的摆动来模拟横桥臂的摆动。控制器为单片机(保存编写程序),通过控制舵机摆动,使电磁铁与铁条(细肌丝)结合或分离,导致肌节长度变化［3］。底座为亚克力板材料制作的中空底座,内装单片机、继电器和电源(见图1)。

2 制作过程和使用方法

2.1 制作过程

(1)将单片机、继电器和电磁铁连接在一起,通电、编程测试其连接、控制是否正确。(2)将舵机、按键开关连接到单片机上,通电、编程测试其连接和控制是否正常。(3)将粗肌丝安装到M线上并固定,再将舵机固定在粗肌丝上,然后将电磁铁固定在舵机摇臂上。(4)将模拟人体肌肉收缩频率和幅度而自行编写的程序烧写到单片机里,通电进行调试。(5)调试正常后,组装电池、开关、按键等其他零件,完成作品(见图2)。

图2 肌丝滑行模型

2.2 使用方法

(1)打开底座左侧面板上的电源开关,接通系统电源。(2)调节舵机摇臂上的电磁铁与细肌丝上相对应的位置,防止细肌丝阻碍舵机摇臂的摆动。(3)按住“肌节收缩”按钮,舵机摇臂摆动(使电磁铁吸附铁条),拖动细肌丝向粗肌丝靠近,细肌丝带动Z线向M线靠近,导致肌节变短,肌肉收缩。(4)按住“肌节舒张”按钮,舵机摇臂摆动(使电磁铁脱离铁条),拖动细肌丝远离粗肌丝,细肌丝带动Z线远离M线,导致肌节复位,肌肉舒张。(5)关闭底座左侧面板上的电源开关,切断系统电源。

3 功能与特性

3.1 科学性强

能充分准确地显示肌细胞中细肌丝、粗肌丝、横桥等微观结构,展示肌肉收缩和舒张的生理机制;能准确反映教材及教学大纲要求,设计科学合理,能满足教与学的实际需要［4］。

3.2 直观性强

借助具体的实物模型展示肌丝、横桥等微观结构,使微观结构宏观化、直观化,使抽象知识形象化、具体化、实物化,解决了学生学习中的重点和难点,使学习活动变得简单、有趣,理论知识变得通俗易懂,从而提高了学生探究与动手能力,激发了其探知生命科学奥秘的兴趣。

3.3 适用性强

此模型不仅弥补了教学仪器的不足,而且在一定程度上可培养学生的创新精神和实践能力,使学生学会求知,学会创造,为全面提高个人素质打下基础［5］。此外,此模型作为教具可广泛应用于普通中学、职业中学、中专及大专院校教学。

总之,作为一种学具和教具,肌丝滑行模型既能解决学生学习中的难点,又能用于多种教学活动,让学生通过“动手、动眼、动脑”积极主动地参与到教学活动中,达到“做中学、学中做”的目的［6］。同时,模型的研发既能培养学生获取知识、分析和解决实际问题的能力,又有助于其创新能力和科学素养的形成。此外,模型的制作方式对类似教具的开发有一定的启发意义,有利于更多、更好的教具被开发和使用到教学中,对提高教学质量起到应有的作用。