動物運(yùn)動原理演示模型

◎長沙市長郡芙蓉中學(xué) 陳水章 陜西省榆林學(xué)院 陳鑫

一、研究背景

人教版生物八年級上冊《動物的運(yùn)動》一課中，以哺乳動物為例，介紹了動物運(yùn)動系統(tǒng)的組成及功能。

骨本身是不能運(yùn)動的，骨的運(yùn)動要靠骨骼肌牽拉，即骨的位置變化產(chǎn)生運(yùn)動。骨骼肌受神經(jīng)刺激而收縮，牽動骨繞關(guān)節(jié)活動，身體相應(yīng)的部位就會產(chǎn)生運(yùn)動。

由于骨骼肌只能牽拉骨使其改變位置，而不能將骨復(fù)位，因此骨的復(fù)位要靠另一組骨骼肌的收縮牽拉，可見一個動作至少要兩組及以上肌肉的配合才能完成。

目前教學(xué)普遍使用的模型如圖1，有的老師在演示時通過推動骨使其繞關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，讓代表一側(cè)肌肉的橡皮筋縮短，代表另一側(cè)肌肉的橡皮筋伸長。這種演示方法與動物運(yùn)動原理不符，容易讓學(xué)生形成錯誤的認(rèn)識。因此，我們設(shè)計了一個動物運(yùn)動原理演示模型，幫助學(xué)生準(zhǔn)確理解運(yùn)動的原理。

圖1 目前普遍使用的模型

二、設(shè)計思路

本模型按照動物運(yùn)動的原理，利用繼電器模塊設(shè)計出模擬人腦的控制電路板，用電路板模擬人腦發(fā)出指令，控制兩組模擬骨骼肌的電機(jī)絲桿裝置。通過控制電流的正、反方向，實現(xiàn)電機(jī)絲桿裝置的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，從而使絲桿上的滑塊向上或向下移動，模擬骨骼肌收縮與舒張的變化。裝置結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)模擬屈肘動作時，按下屈動作按鈕，屈動作的電機(jī)絲桿裝置正向轉(zhuǎn)動，滑塊向上滑動；伸動作的電機(jī)絲桿裝置反向轉(zhuǎn)動，滑塊向下滑動?；瑝K通過連接帶牽拉模擬前臂骨的裝置繞著模擬肘關(guān)節(jié)的支點運(yùn)動，完成屈肘運(yùn)動。模擬伸肘動作時則相反。

用彈性塑料條模擬伸、屈肘動作能形象地展現(xiàn)肌肉收縮與舒張的變化關(guān)系。當(dāng)模擬骨骼肌收縮時，彈性塑料條受到擠壓，中間便拱起，說明骨骼肌收縮時體積增大。當(dāng)模擬骨骼肌舒張時，彈性塑料條受到拉伸，中間原本拱起的部分逐漸變小，說明骨骼肌舒張時體積變小。

三、制作過程

1.加工模擬骨的板材與控制盒

設(shè)定模擬骨與控制盒的大小和形狀，先在電腦上用繪圖軟件畫出控制盒外殼的尺寸圖和模擬骨材料的尺寸圖（如圖3），用激光切割機(jī)將亞克力板切割成制作模擬骨的板材和控制盒的材料。撕掉兩面的保護(hù)膜，并用三氯甲烷（亞克力膠）粘好控制盒。

圖3 在電腦上設(shè)計模擬骨材料的尺寸

2.制作模擬骨骼肌的伸縮裝置

購買12 V 600轉(zhuǎn)的微型電機(jī)絲桿裝置，利用不銹鋼方管制作模擬骨骼肌的滑塊與滑槽，將電機(jī)絲桿裝置固定在不銹鋼方管的滑槽內(nèi)，把滑塊上的螺母套在絲桿上，當(dāng)絲桿轉(zhuǎn)動時，滑塊能在滑槽內(nèi)滑動。然后在滑槽兩端分別固定一塊半圓形的尼龍塊（如圖4）。

圖4 模擬骨骼肌的伸縮裝置

用激光切割機(jī)將塑料盒切成寬1 cm、長30 cm的塑料條，將塑料條噴上紅色油漆，把塑料條縱向重疊一半排列后，平鋪在兩塊半圓形尼龍塊兩端的圓弧上，并用壓條固定（如圖5）。

圖5 模擬骨骼收縮的彈性塑料條

3.制作控制器

在控制盒內(nèi)安裝18650充電電池、電源開關(guān)、屈動作按鈕、伸動作按鈕、控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的遙控模塊、揚(yáng)聲器、多路觸發(fā)MP3語音播放器模塊、兩路雙聯(lián)高電平觸發(fā)繼電器，將裝置各部分的電路連接（如圖6）。

圖6 將裝置各部分的電路連接

4.組裝

將模擬前臂與上臂的亞克力板材用螺栓連接，模擬肘關(guān)節(jié)。將控制盒安裝在肩部上端，用背帶做成連接帶。用銅絲將模擬骨骼肌的伸縮裝置（屈動作模塊和伸動作模塊）的上端連接到模擬肩部（肩胛骨）與上臂肱骨的上端，其下端連接到模擬前臂（橈骨和尺骨）上，裝置便制作完成了。

5.性能測試

打開電源開關(guān)進(jìn)行性能測試。觸發(fā)屈動作按鈕，播放器播放：“現(xiàn)在模擬屈肘動作，肱二頭肌收縮，肱三頭肌舒張，牽拉前臂骨繞肘關(guān)節(jié)向上運(yùn)動，肘部彎曲?！贝藭r模擬肱二頭肌的彈性塑料條逐漸拱起，體積變大，牽動前臂骨繞肘關(guān)節(jié)向上運(yùn)動，同時模擬肱三頭肌的彈性塑料條舒張，體積變小，完成屈肘動作（如圖7）。

圖7 觸發(fā)屈動作按鈕后裝置的狀態(tài)

而觸發(fā)伸動作按鈕時，播放器播放：“現(xiàn)在模擬伸肘動作，肱三頭肌收縮，肱二頭肌舒張，牽拉前臂骨繞肘關(guān)節(jié)向下運(yùn)動，肘部伸展?！贝藭r模擬肱二頭肌的彈性塑料條舒展，體積變小，牽動前臂骨繞肘關(guān)節(jié)向下運(yùn)動，同時模擬肱三頭肌的彈性塑料條收縮拱起，體積變大，完成伸肘動作（如圖8）。

圖8 觸發(fā)伸動作按鈕后裝置的狀態(tài)

四、創(chuàng)新點

1.準(zhǔn)確新穎。本模型針對原教具容易讓人誤解的問題，通過人工智能模擬人腦發(fā)出信號，控制模擬骨骼肌的裝置產(chǎn)生收縮與舒張的反應(yīng)。這種演示原理與動物運(yùn)動原理是一致的，具有一定的創(chuàng)新性，能幫助學(xué)生形成正確的認(rèn)知。

2.形象直觀。本模型通過彈性塑料條的變化模擬骨骼肌在收縮時體積增大、舒張時體積縮小的現(xiàn)象，形象生動，便于學(xué)生觀察與理解。

3.操作簡便。只需要觸發(fā)控制盒上的屈動作按鈕與伸動作按鈕就能演示相應(yīng)的動作。

4.學(xué)科融合。將人工智能技術(shù)與生物、物理等學(xué)科進(jìn)行深度融合，綜合運(yùn)用多學(xué)科知識，為生物學(xué)科開展STEAM教育提供了參考。