心脏和血液实验器材的改进与创新

摘要

传统的心脏与血液循环实验器材，往往难以动态模拟血液循环过程，且缺乏实时数据监测功能。为此，对该实验器材进行改进：利用单向阀模拟心脏瓣膜功能，配合液体流量计、液体压强计和透明塑料管，组装一套新型血液循环实验装置。该装置操作简便，学生可直观观察心脏搏动时血液在血管中的流动过程，并同步获取血液流量与血压变化数据，不仅能探究运动中心跳快慢与血液流量的关系，还能理解不同个体心脏收缩强度的差异如何影响运动后呼吸恢复时间，从而提升探究能力与科学思维水平。通过可视化与数据化的呈现方式，该装置可帮助学生扎实建构关于心脏与血液循环的科学概念。

Graphical abstract

关键词

心脏 / 血液循环 / 可视化 / 证据 / 实验器材

心脏和血液是生命系统的重要组成部分。在小学阶段，通过实际操作模拟器材，学生认识了心脏跳动与输送血液的关系，进而认识到心脏跳动和血液循环的作用，从而树立维护心脏健康、追求健康生活的意识。然而，传统实验器材存在缺失血液循环过程和缺乏可视化数据支撑等问题。从教学效果看，基于实验器材的改进，突出心脏跳动与血液循环，学生可在操作活动中获得血液循环中的流量和压强变化的可视化数据，再通过直观体验，能有效认识心脏跳动与血液循环的关系。

1 传统实验器材的操作及不足

在教科版科学教材中，“心脏和血液”编排在科学五年级上册第四单元“健康生活”第3课^［1］。教材中的实验装置采用洗耳球模拟心脏，单根乳胶管模拟血管，塑料盒盛放血液，用手挤压洗耳球促进血液流动。在教学中，笔者有3个困惑：其一，洗耳球缺少心脏室瓣的单向阀结构，血液在血管中回流，没有循环流动，这与血液循环的基本事实不符；其二，没有观察到心脏跳动过程中血液流量和压强变化，因而没有认识到运动前后心脏跳动快慢对血液流量的影响；其三，对心脏跳动和血液循环的认识，缺少必要的证据支持。

为解决上述问题，笔者设计了研究心脏跳动快慢、力度和输出血液流量关系的实验装置，直接观察到血液的循环流动，以及在循环过程中每分钟的流量流速、某一处的压强大小变化数据，由此认识到同一个体心脏跳动快慢、不同个体心脏跳动的力度对运动过程中血液循环的影响，从而促进学生认识到心脏跳动与健康生活的关系。

2 创新实验装置和使用方法

2.1 创新实验装置

该实验的设计灵感源于学生的学习痛点：学生在观察血液循环时，没有直观地观察到血液的流量和血压的变化。笔者精选电子数显的液体流量计和液体压强计，设计制作了此套实验器材（图1）。学生用手挤压心脏模拟器，可以看到血液在血管内的流动，流量计显示出单位时间内的血液流量，以每分钟80次的频率挤压模拟心脏，测得每分钟血流量约为2 L。同时，压强计会实时显示该处的血压，用较大的力挤压时产生的血压约为20 kPa，相当于150 mmHg，而用较小的力挤压时产生的血压约是10 kPa，相当于75 mmHg，这与人体的血压大致相当。

该实验装置包括：装有单向阀的心脏模拟器（心脏）、透明塑料管（血管）、红水（血液）、流量计、压强计、计时器等器材。

用手按压心脏模拟器以模拟心脏的跳动，可驱动模拟血液（红水）在模拟血管的透明塑料管中循环流动，从而直观展现血液在全身的流动情况。液体流量计能显示每分钟的泵出血液量；压强计能显示模拟装置中的压强变化，从而观察到心脏跳动过程中泵出血液量和血压变化的可视化数据。

2.2 使用方法

（1） 实验一：探究心脏跳动快慢与血液流量的关系。

使用时，学生1 min按压90次，模拟运动时的心跳，测得血液流量和最大压强；1 min按压60次，模拟平静时的心跳，测得血液流量和最大压强。学生将测得的数据记录在表1中，并比较两组数据，分析运动时心跳次数和血液流量的关系。

从实验结果可以看出，心脏跳动为血液流动提供了动力。1 min心脏跳动60次，最大压强是18 kPa，每分钟泵出的血液量是1.55 L；1 min心脏跳动90次，最大压强是22 kPa，每分钟泵出的血液量是2.00 L。由此推测，心脏跳动得越快，产生的压强也越大，输出的血液量更多，血液循环的加快能满足运动时人体对氧气和能量的需求。

（2） 实验二：探究心脏跳动力度与泵出血液流量的关系。

学生1 min按压60次，轻轻按压模拟心脏跳动，模拟不太运动的学生，测得最大压强和血液流量；1 min按压60次，用力按压模拟心脏跳动，模拟经常运动的学生，测得最大压强和血液流量。将测得的数据记录在表2中，并比较两组数据，分析心脏跳动力度与血液流量的关系。

从实验结果可以看出，每分钟心脏跳动60次，轻轻跳动时，最大压强是9 kPa，每分钟泵出的血液量是1.00 L；用力跳动时，此时的最大压强是18 kPa，泵出的血液量是1.55 L。由此可以看出，心脏跳动的力度越大，泵出的血液量更多，能更好地满足人体对氧气和能量的需求。因此，经常运动的学生运动后恢复到正常心跳的时间更短。在平时，我们应经常运动，以使心脏的肌肉更强劲有力。此外，教师联系实际，如果血管变窄，人的血液会有何变化？学生用手指捏住塑料管，模拟血管变窄，可以观察到血压升高，由此可以理解心血管疾病和高血压产生的原因。

3 实验装置的创新要点及使用优势

3.1 创新要点

（1） 装有单向阀的心脏模拟器，能观察到血液的循环流动。

（2） 借助流量计和压强计，可观察到心脏跳动过程中泵出血液量与压强变化的可视化数据。

（3） 基于证据认识到心脏跳动和血液循环的价值。

3.2 使用优势

（1） 观察到心脏的跳动使血液在全身血管中循环流动。

（2） 借助流量计和压强计，采集到血液流量和压强变化数据，实现了数据的可视化，获得了第一手的直观经验。

（3） 经历“大胆假设—获得数据—分析归纳—形成理论”的思维过程，并基于获得的实验数据作为证据，分析归纳出心脏跳动更快、更有力度，能加快血液循环，输送更多的血液，有助于学生发展思维能力、建构科学概念。

（4） 基于心脏跳动和血液循环的科学观念，认识到科学运动和合理休息对心脏健康的作用。

另外，需要指出的是，对心脏结构和血液循环功能的认识是7~9年级的学习要求，是在本课基础上的学习进阶，因此该实验没有涉及这方面的内容，实验仪器的设计中对心脏的结构和血管也做了简化处理。该实验的学习为后续心脏结构和血液循环的认识奠定了基础。

综上所述，创新设计的心脏和血液实验器材凸显了血液循环及其过程中的血液流量、血压变化的可视化数据。通过操作实验装置，学生的探究与实践能力、科学思维水平及其团队协作能力得到了发展，有助于建构心脏跳动与血液循环的基本科学观念。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育科学课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

基金资助

浙江省2022年度教育科学规划一般课题“依托分层探究活动手册培养小学生科学论证能力的实践与研究”(DH2022SC072)