“心脏的结构与功能”实验改进与创新

周召路 陈淑香

（1 北京市育才学校通州分校 北京 101101 2 北京市通州区教师研修中心 北京 101100）

《义务教育生物学课程标准（2011 版）》[1]指出：要倡导探究性学习，引导学生主动参与、勤于动手、积极思考，培养学生分析和解决问题的能力，以及交流与合作的能力等，突出创新精神和实践能力的培养。本节课“心脏的结构与功能”位于课程标准中第5 个一级主题“生物圈中的人”。与本节教学内容相关的课程标准要求为“概述人体血液循环系统的组成”。血液循环系统在人体的各大系统中位于核心地位，其将人体的消化系统、呼吸系统、泌尿系统等有机联系，而心脏是血液循环的动力器官，因此，学习心脏的结构与功能，对学生理解人体血液循环，进而理解人是一个统一的整体具有重要意义。

心脏的各部结构与功能抽象复杂，是教师教授、学生学习的难点。在传统的生物学教学中，常以哺乳动物的心脏为例帮助学生观察、认识心脏的结构、理解其结构与功能是相适应的。其中，通过解剖，学生能观察心脏内部瓣膜的位置、结构；然而，对于瓣膜的功能，多通过心脏注水实验加以推测。例如，通过分析水流入及流出的位置，理解心脏内的瓣膜只能朝固定方向打开，从而确保心脏内部的血液只能定向流动而不能倒流。但学生并未实际观察到瓣膜的动态开闭方向，因此，不易理解心脏瓣膜具有“防止血液倒流”的功能。针对这一教学难点，一些教师进行了教学优化。例如，段玉佩等[2]改进“气泵式心脏模型”，用气泵模拟心脏腔室，气泵阀门模拟心脏瓣膜，以气泵阀门控制气流类比心脏瓣膜控制血流方向；张雷[3]用饮料瓶模拟心脏腔室，用硅胶地漏芯模拟瓣膜，通过灌水观察水的流动和心脏瓣膜的开闭；张晓菲等[4]用吹气球模拟心脏腔室，单向阀模拟瓣膜，通过演示、对比、分析成功模型与失败模型，理解瓣膜的功能。

由原型结构构建模型，可使学生从感性体验中升华理性认识，形成重要概念。然而，笔者思考能否依托原型、充分利用实验材料，真实地观察到心脏内瓣膜的动态开闭方向？

因此，笔者尝试改进心脏的注水实验并创设心脏瓣膜的动态演示实验，使学生实际观察到瓣膜的动态开闭，深入理解心脏内部的血液流动方向，进而认同结构与功能相适应的生命观念。

1 实验内容

通过观察哺乳动物的心脏，认识心脏的各部分结构及与心脏相连接的血管；通过心脏注水实验，探究心脏内部的血液流动方向；解剖心脏，观察内部结构并进行瓣膜的动态开闭实验，理解心脏壁的结构与心脏壁的功能及瓣膜结构与瓣膜功能是相适应的。通过实验观察，由实物转为示意图，总结提升，强化对心脏结构及功能的理解。

2 实验器材

2.1 实验材料：新鲜、完整的哺乳动物心脏。

2.2 实验用具：镊子、解剖刀、托盘、大烧杯、橡胶管、回形针、标签纸、解剖剪、玻璃干燥器、漏斗、滴管、橡胶手套等。

3 实验教学过程

以新鲜、完整的哺乳动物的心脏为实验材料，4 人一组，采用任务驱动的形式探究心脏的各部分结构及功能。

任务1：实验观察——识别心脏的外形及基本结构。学生观察哺乳动物的心脏，结合所学知识及教材，初步辨识心房、心室的位置并区分心脏的前后及左右。辨识与心脏相连接的血管，并用回形针将贴有心脏各部分结构名称的标签纸固定于对应位置上。小组内合作，明确与心脏相连的血管及其血流方向，并进行小组间交流。引导学生：1）沿静脉血管的切口观察心房壁的厚度并触摸心房壁与心室壁，对比心壁的厚薄；2）沿动脉血管观察位于心室与动脉之间的动脉瓣结构并推测其功能。

任务2：改进心脏注水实验——探究并推测心脏内部的血流方向。在认识并正确粘贴心脏各部分结构的基础上，学生连接如图1所示的实验装置，探究心脏内部的血液流动方向。小组内合作，依次从肺静脉、上（下）腔静脉、主动脉、肺动脉注水，观察并记录水流出的位置（图2），尝试推测心脏内部的血液流动方向。

图1 心脏注水装置图

图2 心脏注水实验结果记录图

以从肺静脉注水为例，具体流程如下：1）将滴管的出水口放入肺静脉中，缓慢打开水流，观察并记录水流出的位置；2）加大水流，观察实验现象；3）将心脏中的水倒出，更换入水位置重复实验操作。

依据实验现象推测心脏内部的血流方向。

任务3：解剖观察——分析心脏壁的结构及功能特点。沿图3中虚线方向解剖心脏（图4），观察心脏的内部结构并结合问题串引导学生分析心脏壁的结构及功能。

图3 心脏解剖参考线

图4 心脏解剖图

问题1：观察解剖后的心脏，心脏主要由什么组织构成，由此可见，心脏具有什么重要功能？

问题2：心房与心室相比，哪个心脏壁更厚？

问题3：结合任务1 中与心脏相连接的血管，分析心室壁比心房壁厚对应其功能有什么不同？

问题4：2 个心室中，哪个心脏壁最厚？

问题5：联系与左、右心室连接的血管，分析左心室壁比右心室壁厚对应其功能有什么不同？

通过对以上问题的思考与探讨，培养学生的逻辑思维能力，引导学生运用已有知识自主构建心脏壁结构与功能的相适应。

任务4：创设瓣膜的动态演示实验——通过心脏内的瓣膜及其动态开闭方向验证心脏内部的血液流动。在任务3 解剖观察的基础上进行心脏内瓣膜的动态演示实验。

具体流程如下：①学生观察解剖开的心脏并识别位于心房与心室之间的房室瓣结构；②将解剖开的心脏放入盛有清水的大烧杯中，从壁较薄的右心室方向观察心房与心室之间的房室瓣及心室与动脉之间的动脉瓣结构；③观看教师演示实验，判断心脏内瓣膜的动态开闭方向（图5）。④进行学生分组实验：用镊子夹住右心室壁，在水中前、后晃动，直至能观察到房室瓣及动脉瓣的开闭，联系心脏注水实验中推测出的心脏内部的血流方向，分析心脏内瓣膜的结构及其功能。

图5 心脏内瓣膜的动态开闭

总结，瓣膜结构与瓣膜功能是相适应的，即房室瓣只能朝心室开；动脉瓣只能朝动脉开，从而确保心脏内的血液只能由静脉→心房→心室→动脉而不能倒流。

任务5：识图自测——心脏结构及功能的内化。结合实验观察，由实物转为示意图，进行识图自测，学生在心脏结构示意图上标出心脏的各部分结构名称、与心脏相连接的血管及心脏内部的血流方向。

结合本节课学习内容，学生自主归纳出心脏的结构与其功能相适应的特点，实现知识的内化（图6）。

图6 心脏结构示意图

4 讨论

本文主要通过改进心脏注水实验和创设心脏瓣膜的动态演示实验，帮助学生通过实验观察与结果分析，进行观察、推测、验证一体化的探究活动，即观察心脏注水实验—推测内部的血流方向—通过瓣膜的动态开闭方向验证推测。通过一系列的实验观察与探究，强化心脏结构与功能的相适应，即心脏壁的结构与心脏壁的功能相适应；瓣膜结构与瓣膜功能相适应。在探究过程中以任务驱动为引领，提升学生的实验探究能力和逻辑思维能力的同时渗透结构与功能相适应的生命观念。