神经调节演示教具

赵思滔 赵韵怡 田晨曦

人教版高中生物必修三《稳态与环境》中讲解了动物和人体生命调节的方式，其中最先介绍的是神经调节。

神经最早出现在腔肠动物中，经过发育进化，逐渐形成高级动物中的较复杂形式。神经调节的方式于体液调节和免疫调节来说产生最早，也更具基础性。神经调节和体液调节，神经—体液—免疫调节的相互作用也是维持生物体稳态的重要因素。因此，学好神经调节方式对了解生物体稳态、增强学生对生命健康的认识具有重要作用。

一、学习中存在的问题

经过对课堂教学中学生的表现以及多次测试的成绩进行分析，我们发现学生在学习神经冲动产生、传导和传递等知识点时，存在以下问题。

（一）记不住静息电位状态下外正内负的电位差，胞内高钾、胞外高钠的离子分布情况；

（二）难以理解动作电位产生的原因、离子的流动方向及电位的变化；

（三）记不住动作电位产生后神经冲动的传导情况；

（四）记不住神经冲动在两个神经元间的传递，由神经递质作为化学信号从神经元轴突末梢的突触前膜传递到下一个神经细胞的突触后膜，以及相应的电位变化；

（五）不了解神经调节受什么因素影响、会被什么促进或阻遏等。

鉴于上述难点，我们决定制作一件神经调节教具，辅助学生理解神经电位的产生、传导、传递以及抑制方面的相关问题。

二、人员分工

在本次探究过程中，赵思滔主要负责项目的整体设计与规划、电路设计、程序编写。赵韵怡主要负责作品前期的设计、后期的美化以及文字资料的整理。田晨曦主要负责作品外观的设计以及模型搭建。

三、器材准备

（一）3D打印

3D打印技术可将突触等部位精确到微米，能准确、立体地还原我们设计的神经元模型。3D打印的材料为聚乳酸（PLA），聚乳酸是由乳酸聚合的聚酯类物质，安全无毒，且能生物降解。

（二）开源电子原型平台

兴奋的产生、传导与传递需要一定的程序来运行，我们采用Arduino进行操作编程。Arduino可接受多种计算机语言控制，能广泛融合多种开源硬件。

用触碰传感器模拟感受器，用小灯泡演示神经冲动传导方向，用红外发射与接收模拟神经冲动的递质传递，用船型开关模拟毒扁豆碱与箭毒对神经冲动传递的作用，用马达和KT板模拟肌肉的行为。

（三）KT板

KT板的主要成分是聚苯乙烯，基本对人体无害，可用于教学。

四、制作过程

（一）绘制图纸

经过多方商讨，决定以生物必修三《稳态与环境》第17页插图为基础进行设计。

基于该神经元图像，我们决定制作以所受反射为例的三元反射，清晰地表达传入神经元、中间神经元及传出神经元的效果与功用。

（二）打印模型

在建模软件中绘制好设计图后打印。设计电路并将打印好的模块进行组装。

五、实践测试

（一）教具使用方法

传入神经元前有温度传感器、触觉传感器、震颤传感器、压力传感器、模拟感受器。接受刺激后，教具模仿反射活动，将神经冲动用小灯泡展示，并传到传出神经元，引发肌肉收缩。

神经纤维上有触觉传感器，模拟各种刺激。可以看到在同一个神经元上，神经冲动（小灯泡亮）单向传导，而神经元间只能由突触前膜传向突触后膜。

在突触前膜和突触后膜上有两个船型开关，分别代表毒扁豆碱与箭毒的作用。触发毒扁豆碱，红外线常亮不灭，后神经元持續感受刺激；触发箭毒，红外线失去功能，兴奋无法在突触传递。

（二）利用教具尝试教学

我们将装置带到课堂进行演示、介绍以及授课。在实践过程中，同学们的学习积极性较高，加深了对知识点的理解，起到了事半功倍的效果。

同学们对神经元模型有着强烈的兴趣，还一致认为短暂的讲解让他们印象深刻，加深了他们对神经调节相关重点、难点的理解。（指导老师：卢晓琦）

专家点评

赵思滔、赵韵怡、田晨曦三位同学的神经调节演示教具，是一项具有原创性的发明作品。该项发明能动态演示神经冲动的传递过程，实验现象形象、直观。

这项作品的产生：其一，从选题方法分析，采用的是适应需求法，即针对自身生物课程学习的某一需要进行发明创新。其二，三位同学能针对学习中的难点进行深入分析，并创造性地提出突破难点的方案。其三，团队成员分工合作，充分发挥了各自的特长与优势。其四，依据动物体神经元的形态、结构及生理功能的特点，利用3D打印技术进行建模。其五，模拟中间神经元的形态，利用人工智能技术设计制作成模拟神经冲动与神经递质传递信号的过程。其六，突出体现了同学们“协同创新”的创新型拔尖人才潜质。

值得商榷的是，模型中用两个船型开关分别代表毒扁豆碱与箭毒的作用，这样的模拟有些牵强。希望同学们能进一步研究，以增强模型与原型之间的相似度，进一步提高其科学性。

（栏目编辑  秦银银）