人体神经调节模拟演示装置

◎长沙市长郡芙蓉中学 陈水章 陈鑫

一、研究背景

对于简单反射与复杂反射的特点、反射弧的神经通路及关系等知识，人教版七年级下册生物学教材只进行了简单的描述。学生要准确理解简单反射与复杂反射之间的联系与区别，还是有困难，更别说对具体的案例进行分析。

我们设计制作人体神经调节模拟演示装置，以排尿反射为例，通过演示正常成年人排尿是在大脑调控下的复杂反射，婴儿尿床或脊髓损伤高位截瘫患者小便失禁是在脊髓调控下的简单反射，形象、直观、动态地帮助学生理解简单反射与复杂反射之间的联系与区别。

二、制作装置

3D打印模拟大脑的模块和模拟脊髓的模块，用激光切割技术加工亚克力板底座1个，然后将它们和不锈钢管支架、模拟膀胱的塑料容器、4路触发继电器、2路触发继电器、电磁阀、水位传感器、微型水泵、开关、电池组和三极管等组装成人体神经调节模拟演示装置。

三、模式演示

图1 装置实物图

在课堂上，教师可以利用装置，以多种模式演示人体排尿反射的神经调节过程，也可以组织学生通过装置进行自主探究。

图2 装置结构图

模式一：复杂反射——有尿意憋尿

闭合模拟大脑的控制电路板上的开关，模拟大脑的控制功能完善，按下水泵的开关，水泵抽水到模拟膀胱的塑料容器内。

当水位达到高位时，模拟膀胱内尿液充盈，高位的水位传感器发出信号，信号传到模拟脊髓的控制电路板，同时向上传到模拟大脑的控制电路板，模拟产生尿意。虽有尿意，但此时不是排尿的适时适地，不能排尿，模拟大脑的控制电路板则发出抑制性的低电平信号，下行到模拟脊髓的控制电路板。由于抑制信号的作用，模拟脊髓的控制电路板不发出信号到模拟膀胱排尿装置的电磁阀，模拟膀胱内的水不流出塑料容器（模拟憋尿）。

在这种模式下，分别模拟传入神经、脊髓的上下行传导束的信号流水灯能清晰地展示信息传递的路径与方向。因模拟憋尿，模拟大脑与模拟脊髓的模块都亮红灯。

图3 装置演示模式一

模式二：复杂反射——有尿意排尿

闭合模拟大脑的控制电路板上的开关，模拟大脑的控制电路板发出高电平信号（模拟神经兴奋），下行到模拟脊髓的控制电路板。由于高电平信号的作用，模拟脊髓的控制电路板发出信号到模拟膀胱排尿装置的电磁阀，模拟膀胱内的水流出塑料容器，模拟排尿。

当模拟膀胱的塑料容器内的水排空，低位的水位传感器没有信号传到模拟脊髓的控制电路板，模拟脊髓的控制电路板不发出信号到模拟膀胱排尿装置的电磁阀，模拟停止排尿。

在这种模式下，模拟传入神经、脊髓的上下行传导束和传出神经的信号流水灯都呈现信息传递的路径与方向，同时模拟大脑与模拟脊髓的模块亮绿灯。

图4 装置演示模式二

模式三：简单反射——尿充盈就排尿

此模式是模拟脊髓损伤高位截瘫患者小便失禁。将模拟大脑的控制电路板与模拟脊髓的控制电路板之间的上下行信号电缆的接线插头拔出，切断电源。模拟脊髓的初级排尿中枢不受大脑控制，则会出现只要模拟膀胱的塑料容器里的水位到达高位，有信号传到模拟脊髓的控制电路板，模拟脊髓的控制电路板就会立即发出信号到模拟膀胱排尿装置的电磁阀，排出塑料容器内的水，模拟小便失禁。

在这种模式下，模拟传入神经、传出神经的信号流水灯呈现信息传递的路径与方向，同时模拟大脑的模块不亮灯，模拟脊髓的模块亮蓝灯。

图5 装置演示模式三

四、创新点

装置弥补了目前大多数学校只利用教材中的文字与图片进行教学的不足，变平面为立体，变静态为动态，形象直观地展示不同状态下排尿的过程。

根据不同反射模式下的信息传递路径和相应位置的信号流水灯状态，学生能更好地了解简单反射与复杂反射时神经冲动传递的路径，理解人体神经调节的简单反射与复杂反射的相关知识，轻松突破学习难点。

设计与制作装置，利用电子与电路的相关知识解决生物教学问题，是STEAM课程的生动呈现，为探索初中生物跨学科实践教学提供了思路与参考。