脊髓功能排尿反射教具的创新制作与使用

摘要

为使学生更好地理解人体排尿反射的原理和过程，利用带电磁阀门的水龙头、3个长方形的塑料容器、不同颜色的发光二极管、喇叭、PVC装饰材料板、半身人体神经系统分布图和泌尿系统模式图等材料制作成直观演示教具。该教具只需加入盐水，按下开关键即能自动完成人体排尿过程的演示，操作简单，直观形象，极易激发学生的学习兴趣，大大提升了教学效果。

Graphical abstract

关键词

排尿反射 / 脊髓 / 教具制作 / 泌尿系统 / 反射弧结构

教具在中学生物学教学中的应用有着广泛的优势和潜力。根据课程教学的要求，利用生活中常见的物品，设计与制作兼具新颖性和实用性的直观教具，适应不同的教学需求和场景，以促进学生核心素养的培养，是初中生物学教学改革研究的重要方向之一^［1］。笔者为帮助学生更好地理解人体排尿反射的原理和过程，在没有类似教具可参考的情况下，创新制作排尿反射的直观教具。

1 教具设计理念

笔者设计的教具是来自对初中生物学科教学人体生理卫生部分的神经系统调节作用章节的思考。由于教学内容与我们本身的直观感受存在一定距离，且教材上的示意图多为静态、平面的，难以给学生留下深刻的印象，因此，笔者思考如何使用直观教具来展示这个生理过程。

笔者在使用自动饮水机时获得了设计灵感。按下饮水机的出水按钮，水自动流出；一旦松开按钮，水流也停止了，这一现象与排尿反射在结构和功能上有某些相似之处。反射弧具有感受器、传入神经、传出神经和效应器等组成部分，而自动饮水机包含类似的结构：开关按钮、电路和水龙头。按下自动饮水机按钮类似于感受器发生作用，电路接通则类似于传入神经和传出神经的相互作用，传入神经和传出神经使用不同颜色的发光二极管来表示，而自动出水的水龙头则类似于反射弧的效应器。

2 教具的工作原理及图解

本教具原理如图1所示。

（1） 在本教具的电路设计中，S₁处于常闭状态，S₂处于常开状态。

（2） 当水位上升至上触点时，S₁支路接通，红色发光二极管发光。同时，电流流过干簧继电器（A、B）线圈，使干簧管中两簧片吸合，干簧管支路接通，小灯泡发光，喇叭发声。

（3） 闭合开关S₂，绿色发光二极管发光。同时，电流流过干簧继电器（C）线圈，使干簧管中两簧片吸合，干簧管支路接通，放水阀放水。当水位下降到低于上触点时，S₁支路自动断开。水位继续下降到低触点时，S₂支路自动断开。

3 教具制作材料和步骤

3.1 教具制作材料

带电磁阀门的水龙头、3个用透明板材制成的长方形塑料容器、不同颜色的发光二极管、喇叭、PVC装饰材料板、半身人体神经系统分布图和泌尿系统模式图。

3.2 教具制作步骤

（1） 教具支架的搭建。用PVC装饰材料板制成教具支架，由底部暗盒与背部展板构成，它的侧面呈“L”形，正面宽度60 cm，高度80 cm，贴着一幅半身人体神经系统分布图和泌尿系统模式图的电脑喷画（图2）。

（2） 泌尿系统组成的模拟建构。

①用透明塑料板和胶水拼接成2个长方体小容器，表示肾脏，并把它悬挂在画面肾脏的位置上。

②在以上小容器底部各打1个小孔，分别接上输液管，连通表示肾脏与膀胱的容器，这2根输液管表示输尿管。

③用透明塑料板和胶水拼接成一个大的长方体容器，表示膀胱，在它的正面底端钻孔装上带有电磁阀门的水龙头表示尿道，把该装置安放在画面膀胱的位置前方，教具底部的暗盒起承托作用（图3）。

④在膀胱装置侧面的顶端和底端分别打孔，各安装一组碳棒，既表示膀胱的感受器，又起控制水位和接通电路的作用（图4）。

（3） 反射弧结构的模拟建构。

①在画面脊髓的位置上安装系列发光二极管。一个黄色个大的发光二极管，安装在脊髓的尾端，表示排尿反射的神经中枢；用红色发光二极管表示脊髓向上传递神经冲动到达大脑；用绿色发光二极管表示大脑向下传递神经冲动到达脊髓；神经中枢大脑处安装有小灯泡。

②按照工作原理图将电子元件连接起来，其他的降压器、报警器、电磁阀门、电线均藏于教具正面的暗盒内，使教具外表整洁美观（图2）。

4 教具的使用步骤

当膀胱里的尿液储存满时，人体就会产生尿意。此时，大脑会根据周围环境作出判断，如果环境条件适宜，尿液可排出体外；否则，尿液继续留存在膀胱里。教具的操作步骤、出现的现象以及教学效果如下。

第一步，注入盐水，产生“尿意”。

①操作：把盐水注入表示肾脏的容器中，盐水经输尿管流入代表膀胱的大容器里，当膀胱内尿液的液面上升达到容器壁上的“上水位碳棒”时为止。

②现象：此时，电路自动接通，系列二极管发光并且报警器发出声响。可见脊髓排尿中枢的黄色指示灯亮起，脊髓处的红色二极管发光，光源从脊髓移动到大脑，大脑处的小灯泡发光，报警器声音不断提醒。

③教学效果：膀胱（容器）里的尿液（盐水）积存到一定量时，便会刺激膀胱壁上的感受器（碳棒），使感受器产生神经冲动（电路接通），神经冲动经过传入神经传到脊髓的排尿中枢（黄指示灯），同时，也有神经冲动经过神经纤维（红指示灯）向上传到大脑（小灯泡），使人产生尿意（报警器发声）。

人体依据周围环境是否适宜，作出下列两种生理反应。

第二步，按下“条件允许”开关按钮，产生排尿反射。

①操作：在环境条件适宜的情况下，按下“条件允许”开关按钮。

②现象：可见绿色二极管发光，光源从大脑向下移动到脊髓的排尿中枢，电磁阀门打开，水龙头排水，模拟排尿反射过程。

③教学效果：环境条件适宜，大脑发出神经冲动经过神经纤维（绿指示灯）传到脊髓的排尿中枢，神经冲动再沿着传出神经传到效应器，引起排尿反射。

第三步，按下“条件不允许”开关按钮，尿液继续留存在膀胱里。

①操作：重复操作第一步，注入盐水，使膀胱内尿液的液面上升至容器壁上的“上水位碳棒”位置。由于环境条件不适宜，按下“条件不允许”开关按钮。

②现象：可见系列二极管不发光，报警器不发声，水龙头不排水。

③教学效果：环境不适宜，大脑暂时抑制脊髓的排尿中枢而不排尿。

通过以上操作步骤，本教具实现了对人体生理机能的模拟，能够有效帮助学生深入理解人体排尿反射过程的原理和机制。

5 教具优点

5.1 使用方便，操作简单

本教具结构紧凑、美观，直接接通220 V电源，使用方便。实验过程操作简单，只需加入盐水，按下两个开关按钮即可自动完成人体排尿过程的演示。

5.2 教学演示效果好

教具演示过程形象直观，生动逼真。学生通过观察就能理解排尿反射的原理，轻松化解排尿反射受到脊髓和大脑共同调控的知识难点。抽象的知识转化为直观的知识，既激发了学生的学习兴趣，又提高了学生的科学探究能力，进而提升了教学效果。

5.3 使用范围广

本教具适合中小学人体生理卫生关于脊髓、反射弧的结构与功能等知识点教学时使用。利用该教具开展实验的过程声光并茂，演示效果惟妙惟肖，容易激发学生浓厚的兴趣，也适用于各类科技馆和展览馆的科普宣传。

模型应用于课堂教学让抽象难懂的概念、原理直观形象化；让零散的知识系统化，让教学主线清晰，各环节衔接顺畅；增强了课堂的趣味性，能有效引导学生积极主动参与课堂互动。

模型1作为板书的一部分方便授课过程中反复使用，采用磁力贴图的方式比传统板书绘图更美观，更能节约课堂时间。相比于传统的讲授和图形展示，模型2让血管鼓起的现象可视化，直观感更强。相比于传统自制的血管模型（常采用橡皮泥、超轻黏土、电线、毛线等材料进行构建），模型3更能体现3种血管的结构特点，且能动态模拟血流过程，更能从多方面多层次考查学生的掌握情况。3种血管模型所需的材料实惠易得，制作简单，操作方便，可视性强，携带方便又可重复使用，具有较高的可复制性和较好的推广应用价值。

在建模过程中也会存在不完美，如在利用模型3模拟血流过程时，观察到的现象是毛细血管的血流速度最快，这与事实相违背，学生由此产生思维冲突。原因是自制模型中毛细血管的数量比实际少得多，这就好比宽敞的河道突然变窄，水流会变得湍急。教师及时肯定学生的发现，同时指出要模拟人体这台世界上最精密的仪器，自制的血管模型难免存在缺陷，并借机鼓励学生继续分析该模型还存在哪些缺陷、该如何改进，培养学生的科学思维和创新精神。

参考文献

[1] 张玉婷.重庆市中学生物自制教具的应用现状及对策研究［D］.重庆：西南大学，2020. （上接第99页）

[2] 模型应用于课堂教学的优势与不足

基金资助

2022年度长泰区名师工作室基础教育教学专项研究课题“新课标下开展初中生物实践活动的校本课程研究”(Ctmskt22010)