手心出汗、恶心反胃、心跳加速、呼吸急促，对于初中生而言，这些症状可能出现在入学第1天或大考临近的时候。然而，成年人出现这些症状则可能是心脏病发作。本活动案例包括利用模型来教学生设计血液流动路径，以及一项扩展活动，将血管支架植入到阻塞的冠状动脉中。学生应该具备血液循环系统和呼吸系统的应用知识，但并不一定必须具备心脏疾病知识或掌握修复动脉堵塞的技术。
背景信息
人体包含各种各样的系统。本项目专注于血液循环系统的专门器官——心脏，并强调心脏不健康所引发的后果。血液循环系统输送血液至呼吸系统，呼吸系统又将人体全身细胞产生的废弃物替换成氧气。因此，健康的心脏需要健康的心脏细胞，细胞又需要氧气才能发挥功能。健康的心脏对于驱动血液循环系统和维持人体其他系统健康来说，是不可或缺的。
项目开始前的准备
整个活动约用时3?5天，这取决于有多少时间及每节课的时长。学生应熟悉血液循环系统和呼吸系统的器官和功能。在讨论这些系统之前，最好能够开展涉及心脏或内脏（包括心肺等脏器）解剖的探究式活动。教师应该为学生提供心脏的示意图，以指导他们解剖。通过这些活动，学生可以了解心脏细胞如何形成心肌组织、心肌的肌理，以及冠状动脉的位置和功能。
引起学生的兴趣
让学生在课堂上讨论他们已经掌握的心脏疾病知识。接下来，可以通过讨论工程技术如何改变心脏手术来激发学生的兴趣。例如，可以为学生播放达·芬奇（daVinci）机器人手术系统进行微创手术的短片。短片中展示了机器人在外科医生控制下将医疗器械通过肋骨间非常小的切口进入人体。学生应记录切口的尺寸、手术中使用的医疗器械，以及手术的过程步骤。此时，教师还应该告知学生什么是血管支架：它是一根细细的、圆柱形的、带网眼的管状物，用于植入到变弱的、变狭窄的动脉中，为其提供额外的支撑。
然后让学生讨论机器人如何在病人的身体里将外科医生的手部动作转化为更细微、更精确的动作。可以让学生以这些视频为基础来讨论技术进步如何正在一步步拓展目前医学的边界。
设置实验场景
教师向学生展示工程学挑战的方式取决于学生对工程实践和工程设计方案的了解。让学生回想之前的解剖活动和呼吸系统图解。询问学生如果心脏冠状动脉阻塞会造成什么后果。如果心肌得不到充足的富含氧气的血液供应，就会慢慢坏死，结果就是心肌梗死或心脏病突发。
在向学生介绍动手操作部分之前，将2个填有糖霜（斑块）的透明塑料管（动脉）粘到一起，用以代表冠状动脉系统，如图1所示。填有糖霜的塑料管需冷藏1?2天后方可使用。否则，糖霜会融化并从管中流出。我们建议教师向学生展示塑料管并询问他们塑料管和糖霜分别代表什么。他们应该能注意到糖霜位于管子的中间位置，并且难以取出。
开展班级讨论，学生需要提出清理动脉的方法，以及医生在手术中可能遇到的困难。将这些想法写到白板上以便全班同学都能看到。学生应使用之前观看心脏及细胞视频时做的笔记来论证自己的观点。鼓励学生同意或反对他人的观点并且通过自己对证据的阐述来支持或反对这些观点。
通过这个过程，学生可以了解此项目的目标和限制条件。为学生确定项目目标：取得动脉最大血液流量，并设计对项目成果的定量测试。
学生可能提出在斑块上戳一个孔。鼓励学生更深入地研究问题，问他们：“这个孔要多大才能恢复正常的血流量？”学生也可能建议刮除所有的斑块。询问学生这样可能会给动脉壁造成什么影响。正如他们在心脏解剖实验中所看到的，动脉是非常柔软的组织，很容易就会被弄破或刺穿，导致流血。
有些学生可能会想要推走动脉里的斑块。此时教师可以询问如果斑块破碎，在血流中被冲走，将会带来什么后果。告诉学生本项目的一个限制条件就是要尽可能多地保留管子中的斑块，通过把斑块推到管子边上来清理出一条通道。
教师要确保学生考虑到斑块存在于血液循环系统其他位置的后果，这可能会造成血液凝块甚至使病人中风。学生应明白他们通过手术试图增加病人的血液流量的同时，也要兼顾病人的健康和安全。
头脑风暴和设计
将学生分成3?4人1组的小组，让每个小组就如何清理阻塞的动脉进行头脑风暴。为学生提供便利贴或马克笔（保证组内每个学生使用不同的颜色，以便于记录每个人的参与情况）、绘画纸，以及充足的空间。
学生应当轮流写下设计想法，或者将自己的想法写在便利贴上并贴到本组的绘画纸上，以便为小组的设计图提供补充说明。教师应当在教室内走动，促进学生积极出谋划策并鼓励他们。当有些小组已完成任务后，让每个小组找出一致认可的设计方案并将其展示给全班同学。
制作、测试和重新设计
安全提示：在分发实验器材前，确认是否有学生乳胶过敏（过敏的学生可以佩戴丁腈手套）。在整个制作和测试过程中，学生应佩戴化学防溅护目镜。有任何液体洒落都必须马上清理以免意外滑倒。
在这个阶段，学生在小组内要完成2个基础性工程——“设计实践：建造”（制作原型）及“测试”（见图2）。给每个设计小组提供2个完全一样的堵塞动脉和一套材料（管道清洁器、金属丝、长型气球、气球充气泵、橡皮筋、吸管、搅拌棒）。提醒各小组他们并不需要使用全部材料，并且只有教师同意了他们的方案后方可开始操作。
当学生刚开始实施“手术”时，他们就会面临挑战。例如，他们可能使用金属丝在糖霜上穿了一个洞，但是这个洞太小无法插入气球。他们可以使用更粗的工具逐渐地扩大这个洞。有些学生可能会将整块糖霜都弄到了管子外面。为了应对此类状况，可以多准备几个带糖霜的管子备用。
学生普遍面临的一个问题是要弄明白如何复制血管成形术，这项手术将气囊穿过动脉的堵塞处，然后给气囊充气使其往外推动斑块，造成动脉扩张，从而恢复血流。在我们的实验中，学生需要自己找到这一解决方案。不过，在动脉（塑料管）中为气囊充气是一个挑战。气球可能在管子前端鼓起或到了管子后端才鼓起，无法有效地往血管壁的方向推动糖霜。教师可以提醒学生，做成动物形状的气球是通过收紧气球的某一位置，将空气挤入另外的位置制作而成。
鼓励各小组开展头脑风暴形成新的解决方案并进行试验，对原方案进行现场修改或改进。对方案的任何修改都应记录下来，将其作为未来设计迭代的基础。
检测成果
各小组可以通过测量管子的流速来确定他们的“手术”是否取得了成功。使用漏斗，各小组将一定量的“血液”（水）倒入已清理好的动脉中并记录所有血液通过所用的时间。同样地，每个小组应记下所观察到的情况、所做的修改或改进。我们建议如果可能的话，在室外进行此部分实验，因为实验中经常会出现洒水、漏水的情况。
接下来，学生要评价项目设计方案，对其他同学的工作进行评价，改进设计，以及重新测试。为了支持这个阶段的学习，改进的方案应该在班级内进行展示以接受简短的同行评议。这一步为各小组提供了额外的想法和支持，尤其是对那些正在艰难考虑如何继续的小组来说。
在这个阶段，教师可以就学生的实验过程是如何模仿了真实生活中的手术来进行提问。
●有多少学生将所有斑块都从动脉中移除了？为什么这样做有可能会带来并发症？（移动斑块可能引发血栓或中风。）
●有多少学生从两端进入了塑料管？一个外科医生如何能够进入血管的两端？（医生需要在两个地方切开动脉，这是更加复杂的手术。）
●学生完成“手术”用了多长时间？这对于病人可能会有什么影响？当医生为病人的心脏做手术时，病人体内的血液循环如何进行？（病人使用人工心肺机的时间可能要延长。）
教师可以利用这个环节带领学生复习血液循环系统的作用并指出人体的各个系统是如何互相依存的。
完成同行评议后，各小组根据收到的反馈进行改进。修订后的设计方案需要得到教师的同意。为各组学生提供1套与第1次实验完全相同的材料。学生将根据新的设计方案完成“手术”，测量血液流速并记录结果。
评 价
根据可利用的时间和资源，有多个结束活动的方案可供选择。各设计小组可以制作1张海报来讨论他们的设计过程和“手术”的成功。此外，设计小组也可以撰写1份报告，并向其他同学展示本组的最终操作步骤。学生可以根据之前在课上已确定的标准（是否清理了动脉，是否遵守了限制条件，谁的流速最快），讨论哪个设计方案更好。
总结性评价可以包含如下一些问题：
●心脏如何与循环系统的其他器官合作以保证血液在整个人体内流动？（血液从心脏流向动脉和毛细血管，在那里进行气体交换。）
●循环系统中的血流量减少时会产生什么后果？（人体细胞会缺氧，而废弃物不断增多。）
●当人体其他系统不能获得充足的血液供应时，会产生什么后果？（会发生器官或系统衰竭。）
本活动改编自《中国科技教育》杂志年7月刊NSTA专栏文章。中国青少年科技辅导员协会会员可登录杂志网站下载全文。
NSTA专栏
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