生物与非生物教学设计范文

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Abstract: [Objective]To explore the change of biomechanics about human tendon with“γ”irradiated which was universal used by domestic and foreign. [Methods]Twenty-four upper limb tendon of human with the same length were pided into two groups，group A(12):nonirradiated group， group B (12):2.5 Mrad gamma irradiated group.Material properties and structural properties were determined with WDW-3020 electron universal testing machine.[Results]The mean length of the tendon was 99.15% of control， the elongation to failure was 93.46%， the linear stiffness was 95.27%， the energy to maximum force was 93.60%， the maximum stress was 84.88%， the strain to failure was 85.82%， the linear modulus was 90.40%， the strain energy density to maximum was 66.73%. Difference was noted after compared hetween group A and B (P

Key words：biomechanics; human; cruciate ligament; transplant; allograft; irradiate; tendon

交叉韧带是膝关节稳定的主要结构，交叉韧带重建术是治疗交叉韧带损伤的主要方法[1]。自1978年Neviaser等人应用冻干保存的同种异体肩袖移植修复大范围的肩袖损伤，1981年Green等人将冷冻保存后的异体阔筋膜用于肌腱、韧带损伤的修复相继成功以来，人们开始了同种异体组织重建膝关节前交叉韧带的临床及基础研究。但同种异体组织移植仍有疾病传播、感染、松弛等诸多问题。为了防止艾滋病、肝炎等疾病的传播，国内外一些学者及组织探讨了一系列的消毒措施，目前最常用的是“γ”射线照射消毒。有研究表明，在2.0Mrad“γ”照射对同种异体组织的最大应力，最大应变等有一定负面影响[2]，本文对国内外普遍采用的2.5Mrad“γ”射线照射消毒法对肌腱生物力学指标的影响进行全面探讨。

1 材料与方法

1.1 实验材料准备

由解放军总医院第一附属医院组织库提供的24条等长肌腱配对分成A、B两组，每一对来自同一供体。A组为对照组，没有经过“γ”射线照射，B组为实验组，经过2.5Mrad“γ”射线照射12 h。普通低温冷冻(-20℃)保存异体肌腱以备进行生物力学检测。

1.2 生物力学测试

将标本取出后室温下融化1 h，生理盐水纱布保湿。用WDW-3020电子万能材料试验机(清华大学航天航空学院工程力学系固体力学实验室提供)做拉伸实验。首先使用专用横截面积测试仪测量肌腱的宽度与厚度，计算出横截面积。为防止直接夹持对肌腱的损伤，特别设计了专用夹具对肌腱进行夹持。使位于两夹持端间实验部分肌腱的长度均为30 mm，将肌腱夹持好，固定于试验机上，调整拉力使其经过肌腱轴线。先行预处理，拉伸速度0.5 mm/s，拉长0.5 mm，共3次。最后加载直至试样被完全破坏，加载速度设为20 mm/min，试验机自动记录载荷-位移曲线，见图1。其中直线段斜率为刚度。

图1载荷-位移曲线

1.3 破坏部位

A、B两组所有实验材料破坏部位均不在夹具夹持肌腱处，避免了在夹持部位破坏造成结果的不准确，如果肌腱是在夹持部位破坏的可能是由于夹具夹持力所造成的。

1.4 统计学处理

采用配对t检验，P

2 结果

对载荷-位移曲线进行修正，根据此曲线计算出生物力学各指标，载荷测量精确到0.001 N，位移精确到0.01 mm。数据用均数±标准差表示。具体结果如下。

2.1 结构力学特性

研究肌腱在外载荷作用下刚度、能量、位移等的变化规律，确定肌腱承受和传递外力的能力。①B组实验组平均最大拉伸长度为A组对照组93.46%，两组之间差异有统计学意义(t=3.45，P

2.2 材料力学特性

研究肌腱在外力作用下所发生应变、应力和刚度等的变化及导致肌腱破坏的极限。①照射组的弹性模量为非照射组的87.66%，减少了12.34%，两组之间比较差异有统计学意义(t=2.53，P

3 讨论

自体BPTP(骨-髌腱-骨)曾经被认为是ACL(前叉韧带)重建的金标准，但不可避免诸多的并发症，如股四头肌、腘绳肌薄弱等，据报道手术后髌骨关节疼痛高达80%，而同种异体组织移植具有无供区症状，材料大小不受限，手术时间和费用少等优点[2]。 Poehling等[3]指出应用同种异体组织重建ACL后疼痛少并且术后1年内关节活动受限少，所以术者倾向于采用同种异体组织进行ACL重建。疾病传播是目前应用同种异体移植物存在的主要问题，为减少疾病的传播，消灭处在“窗口期”的病原微生物，一些组织库先后使用一系列灭菌消毒技术如环氧乙烯薰蒸，“γ”射线照射等。经基础实验和临床实践后，目前国内外最普遍采用的是“γ”射线照射消毒来减少疾病的传播。虽然高剂量的“γ”射线照射消毒能有效的杀灭细菌病毒等微生物，但不可忽视的是对组织具有破坏损伤和灭菌消毒双重作用，“γ”射线照射消毒必须达到两方面的要求，一是必须达到完全灭菌消毒的目的，包括HIV和肝炎病毒，二是必须保证肌腱有足够的强度。目前国内外对2.5 Mrad“γ”射线照射消毒引起肌腱生物力学变化没有很明确的了解，缺少直接对人体肌腱的研究，作者采用照射非照射的人体肌腱进行研究，进一步明确了2.5 Mrad“γ”射线照射对肌腱生物力学参数的影响。

有大量研究表明1.5 Mrad“γ”射线照射能破坏95%的细菌微生物，而使用3.0 Mrad“γ”射线照射就会引起组织较严重的破坏，并且在2.5 Mrad“γ”射线照射后的骨-腱-骨中仍能检测出HIV，建议使用3.6～4.0 Mrad照射，一些学者认为5.0Mrad“γ”射线照射才能杀灭HIV[4]。目前能被接受的剂量是1.5～2.5 Mrad，但从作者的实验数据可以看出2.5 Mrad“γ”射线照射后各生物力学参数明显降低，肌腱强度下降显著，各参数均具有统计学意义，其中参数刚度具有高度统计学意义，刚度是指生物材料对外力作用抗变形能力，肌腱刚度在ACL重建后膝关节早期蜕变有重大影响。有研究表明4.0 Mrad“γ”射线照射后肌腱的刚度和最大应力分别减少30%和21%，本实验2.5 Mrad“γ”射线照射后刚度和最大应力分别减少4.63%和15.12%，与对照组相比有统计学意义，所以肌腱强度降低的趋势基本是一致的，并且从本组实验中可进一步看出“γ”射线照射引起肌腱强度的降低具有剂量依赖性。Curran等研究指出2.0 Mrad“γ”射线照射组强度比非照射组强度减少20%[8]，Filder[9]研究认为2.0 Mrad“γ”射线照射后强度降低15%。有学者指出2.0 Mrad“γ”射线照射后肌腱的弹性模量和最大应力明显下降，本研究中2.5 Mrad“γ”照射后弹性模量和最大应力分别减少9.60%和15.1%。肌腱弹性模量是衡量肌腱产生变形难易程度的指标，在ACL重建后希望肌腱有足够的弹性模量以求重建的膝关节在承受外力时有足够的稳定性，“γ”射线照射后弹性模量减小，所以必须遵循“以强代弱”的原则。本试验材料的选择不能确定供者的年龄使肌腱强度可能有所差异对试验数据会有一定的影响，作者采用同一组肌腱来自同一供体以求尽可能的减小对实验结果的影响。有些学者认为吡啶喏林的含量与肌腱生物力学存在着线性关系，也就是说照射前后生物力学的变化可能是由于照射引起同种异体组织羟基脯氨酸、铰链等生物化学成分改变引起的。

2.5 Mrad“γ”射线照射的同种异体组织强度的降低是否会增加临床失败率?在膝关节交叉韧带重建研究中发现移植物在塑型改建过程中其强度有明显下降的过程，所以必须按照“以强代弱”的原则来重建交叉韧带，移植物强度在重建术中的作用已经得到明确[6]。Suggs等[5]通过计算机模拟研究ACL重建后发现：重建后关节早期退变与移植物刚度过大有关，刚度一致时，可以有效恢复膝关节的稳定性且不增加关节面的压力。所以选择结构力学一致的移植物重建ACL可以在恢复稳定性的基础上对膝关节软骨提供良好的保护作用。本研究发现γ射线照射消毒后肌腱的刚度明显下降，所以如何确定照射后刚度一致性使移植物具有相同或接近相同的结构力学，从而达到最好的重建效果需要基础研究和临床观察的进一步探讨。Bach[7]、孙磊[9]等均已经证实了应用非照射的同种异体组织重建ACL的良好的临床效果。国外有通过临床随访发现采用2.0～2.5 Mrad“γ”射线照射后的同种异体肌腱重建ACL的失败率明显高于非照射组的报道，故不主张应用“γ”射线照射消毒的组织来重建ACL。“γ”射线照射的同种异体组织移植后超微结构的变化过程及临床失败率增加的具体机制还没有深入的了解。

目前国内外普遍采用2.5 Mrad“γ”射线照射消毒同种异体组织的方法并不能完全杀灭病原微生物如HIV等，作者直接采用人体肌腱实验后证实照射后各结构力学和材料力学参数降低明显，这种强度的降低可能导致临床失败率的增加，综上所述，是否采用“r”射线照射消毒同种异体肌腱及其生物力学改变是否会导致临床失败率的增加和具体机制有待于进一步研究。

参考文献

[1] Mariani PP， Becker R， Rihn J，et al.Surgical treatment of posterior cruciate ligament and poster lateral corner injuries. An anatomical， biomechanical and clinical review[J].Knee，2003，10:311-324.

[3] Cole DW， Ginn TA， Chen GJ，et al.Cost comparison of anterior cruciate ligament reconstruction[J].Am J Sports Med，2005，21:786-790.

[3] Poehling GG， Curl WW， Lee CA，et al.Analysis of anterior cruciate ligament repair with 5-year fellow-up: allograft versus autograft [J]. Arthroscopy，2005，21:774-785.

[4] Siebold R， Buelow JU， Bos L， et al. Primary ACL reconstruction with fresh-frozen patellar versus achilles tendon allografts[J].Arch Orthop Trauma Surg， 2003，123:180-185.

[5] Suggs J， Wang C， Li G. The effect of graft stiffness on knee joint biomechanics after ACL reconstruction: a 3D computational simulation [J]. Clin Biomech (Bristol， Avon)，2002，402:135-156.

[6] Hoher J， Scheffler S， Weiler A. Graft choice and graft fixation in PLC reconstruction [J]. Knee Surg Sports Traumatic Arthrose，2003，11：297-306.

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教师在创设问题的时候要充分考虑学生的兴趣和认知，把形象具体的设问留给他们，作为学习新知识的前奏。或者在教学的重点、难点或关键处设计问题，激发学生思维。课堂教学过程要尽量围绕问题探究，最终帮助学生解决问题，获得知识。所以，问题的设置需要简单明确，不宜过多，也不需花哨，否则课堂教学走出传统教学“满堂灌”的模式，却又走进“满堂问”的误区。例如《生态系统》，特意选择了一段轻音乐配以清新的画面，再配以老师的解说：“当你置身于一片树林中，你会看到些什么呢？你会听到些什么呢？”此时此刻，你是否想过：这片树林中各种生物之间的关系，以及生物与非生物之间的关系，就像一张无形的大网“牵一发而动全身”。生物与环境构成了一个统一的整体，这就是──生态系统。学生热情很高，完全融入课堂，这样的课堂效率自然也高。

二、与生物学有关的趣闻轶事

学生一般都喜欢听故事，老师可抓住学生这一心理特征，寓故事于生物教学之中，在教学设计时，能用故事导入的尽量用故事导入，这样既调动了学生的求知欲，又为学生创设了一个轻松愉悦的学习情境。

例如，在讲《伴性遗传》时，以英国“皇族病趣闻”作为引言：历史上最著名的血友病的携带者是英国的维多利亚女皇。以《屎壳郎出国记》的趣味小故事引入《生态系统》的教学。在讲授“基因的自由组合定律”时可引入：英国近代有一大文豪萧伯纳和漂亮女演员的故事。另外，还可以尝试在生物课堂上安排课前5分钟轮流讲故事的活动，故事的内容可以是与生物学有关的，也可以是报告生物研究的前沿问题的。

三、结合日常生活现象，激发学生学习热情

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二、创设教学情境，实现课程导入环节有效

很多教师在课程开始之后，便直接开始教学本次课程当中的主体知识内容。这样的处理方式是欠佳的。一个重要的教学环节被遗忘了，那就是课程导入。课程导入在课堂教学当中起到一个承上启下的衔接作用。课程刚刚开始，学生们的思维还没有从前一个时间段当中走出来，一下子将生物课程的内容灌输到学生头脑当中，学生们缺少一个适应和接受的时间，学习效果自然不会理想。加入了课程导入这一环节，学生们从心理到思维上都能够有一个准备的过程，这对于生物学习来讲是十分有利的。例如，在学习生物多样性内容之前，我没有直接进入课程内容讲解，而是首先利用多媒体向学生们展示了一幅图片。图片中有包括鱼类、鸟类、植物等在内的各种生物。与此同时，我还将一段带有虫鸟鸣叫之声的音频作为背景音乐进行播放。整个教室当中立刻弥漫着浓浓的大自然气息。随后，在图片的相应位置分别出现了“水中生物”、“地面生物”、“空中生物”、“土壤生物”等字样。在这样生动的情境之中，学生们不仅明确了学习内容，还对下面的课程充满了期待。一些教师省略课程导入这一环节的主要原因是认为课程导入的过程会造成过多课堂教学时间的浪费。实则不然。从以上示例便可以看出，课程导入的时间无需过长，有时候，只需要一个问题、一张图片、一段音乐，就可以将一个生动形象的教学情境营造出来，让学生们能够身临其境地感受和预知接下来的学习内容，这就是课程导入环节所应当达到的效果。

三、采取分层教学，实现主体教学环节有效

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新一轮的高中课程改革，主张高中教育应为高中生个性发展服务，使每一所学校成功，使每一位学生成功。这是本次课程改革的基本理念，意味着教育民主是本次课程改革追求的基本精神，表明我国普通高中的教育价值观将面临转型。以问题为中心的高中生物课堂教学正是顺应新课改的一种行之有效的举措，符合时代的要求。

1.如何创设问题在问题情境下的学习可以使个体对客观情境获得具体的感受，激起积极的情绪，促进学生的潜能发展，从而使学习者更好地利用自己已有的认知结构和生活经验，对当前所学的知识进行意义建构。学生的主动学习主要表现在好的问题情境下主动建构新知识，积极参与交流和讨论，不断提高学习能力，发展创新意识。在高中生物课堂教学中，创设问题的方法是多种多样的，主要形式有以下几种：

1.1 阶梯式。 创设条理明晰、合乎逻辑并与学生认知心理特点相适应的“阶梯式”的问题情境，引导学生由浅入深、自现象到本质、从具体到抽象，一步一步地进行深入的思考和探究，做出科学的推理和正确的判断，最终抓住事物的本质特性。

如在复习渗透吸水原理时，设计一组问题：

问题1：现实生活中使用的渗透装置必须具备哪些条件?成熟的植物细胞哪些地方具有类似渗透装置的特点?

问题2：在“观察植物细胞质壁分离和复原”实验中，若把洋葱表皮细胞先用盐酸处理，再做实验，能否出现质壁分离和复原现象?

问题3：在做上述实验时，若用KNO3溶液代替30%蔗糖溶液，则镜检时，能观察到质壁分离的现象，但过一段时间后，会发生质壁分离复原现象，这是为什么?

问题4：具有大液泡的植物细胞，置于与细胞质不同浓度的外界溶液中，能发生渗透现象。人体细胞没有液泡，所以人体细胞不会发生渗透作用，这句话对不对?

由于这组问题逐个深入，步步提高，体现出与学生认知规律的一致性，有效地引导着学生的思维活动向纵深处发展，实践证明，教师在课堂教学中经常创设这种“阶梯式”问题情境，对培养学生思维的逻辑性和深刻性有重要的意义。

1.2 引发式。 就是把一个大问题分解成若干个小问题，这些问题本身互相不直接牵连，而分别与大问题相扣合。

如在学习高等动物和人体糖类代谢过程的知识时，先设计以下一系列问题：

问题l：动物体细胞内糖类有几方面来源?

问题2：糖类在组织细胞中大部分转变成什么?

问题3：多余的糖类通过什么作用合成糖元?在什么地方合成?

问题4：动物体细胞内的糖类有几方面去路?

从以上4个问题的解答，可让学生深刻理解糖类代谢过程。

1.3 连环式。 根据知识的内在联系，设计出以疑引疑、环环相扣的一系列问题。通过解答这些问题，由此及彼，由表及里，拓宽思路，对学生全面深刻地认识问题起到促进作用。

如在复习第二章“细胞”中涉及到的“主动运输过程需要消耗能量”，设计下列问题：

问题1：这些“能量”主要是由细胞中什么细胞器供给的?

问题2：这些“能量”是由生物个体的什么生理作用提供的?

问题3：这个生理作用对整个生物体有哪些作用?

问题4：在新陈代谢过程中这个生理作用具有怎样的地位?

通过以上问题的解答，就可以使学生把细胞及生物体各项有关的生理活动联系起来，既可以使学生把相关的知识沟通，形成联系的知识网络，又帮助学生从不同角度，不同方向，全方位思考问题，不断拓宽思维的空间。

1.4辐射式。 在教学中创设辐射式问题情境，以某一知识点为中心，引导学生从不同方向、途径和角度，在尽可能短的时间内，去发现、寻找与此中心有密切联系的尽可能多的知识点，它对培养学生思维的敏捷性、独立性和创造性都有重要的意义。

例如，在复习“细胞的化学成分”一节内容时，设计这样一个问题情境：组成生物的化学元素在非生物界均能找到，这说明了生物界与非生物界具有统一性的一面，那么，统一性的另一些方面是什么呢?问题提出后，启发学生进行发散思维，从以前学过的知识中寻找与此问题有联系的内容。学生通过思考，找到了以下几方面的联系：①构成生物的化学元素在非生物界均可找到；②生物界和非生物界都遵循能量守恒和转换定律；③生物界起源于非生物界；④生物的生存和发展离不开非生物的环境条件。

实践证明，这些“辐射式”问题创设的形式比较适合于复习课使用，这样既有利于培养学生思维的发散性，也有助于学生全面系统地理解教材的内容。

1.5 对比式。 对于一些相近或关系密切的概念、原理或生理过程，教师可适当加以联系或通过对比而提出疑问，这不但可使学生加深对新学知识的理解和掌握，而且能对前面的知识加以复习，温故知新。

如在讲“核酸的种类”时，可从中文名称、组成成分、基本组成单位、空间结构、分布和功能等方面加以比较，找出它们的区别。

1.6 要点式。 对有些基本概念、原理和生物体的结构等知识，教师通过归纳，以要点的形式提出问题。

如呼吸作用这个概念，教师若直接提出“什么是呼吸作用?”。学生就会死记硬背，出现丢三拉四的现象。若提出这个概念有场所、条件、物质变化、能量变化四个方面，学生看书时必然深刻挖掘这个概念的内涵，经过分析综合才能回答出问题，显然学生这样掌握这个概念要牢固得多。

问题创设的方法还很多，绝不仅局限于以上所谈的方法。例如可以通过观察、举例、诗歌、故事等内容创造出新情境，从而提出问题。有时同一知识点也可以用不同的方法来设疑，但同样一个知识，如何设疑，教学效果却大不一样，这就要求教师首先要透彻地了解教学大纲和教材，明确目的要求，针对不同的知识层次，分析每个知识点，形成知识链和知识网，找出它们内部的因果关系；其次要了解学生，了解他们的知识面和对前面已学知识的掌握程度，注意因材施教；再者教师必须不断地继续学习，了解生物学以及相关学科发展的历史、现状和前景，不断提高教师本身的知识水平和业务水平，丰富教学的内容。

2.如何培养学生解决问题 创设问题只是学习的过程，解决问题才是学习的目的，所以如何培养解决问题的能力是课堂教学中又一重要的内容。围绕创设的问题，在教学中解决问题时我们应注意以下几个问题：

2.1 以学生为解决问题的主体。 学生是我们在实施教育教学中的现实个体，是课堂教学活动的主力军。问题探究活动要因材施教，即对于普通高中的学生，我认为起点要低一点，问题的跨度要小一点，而对于重点中学的学生，可以适当提高难度，这样从学生的实际出发，教学才会调动学生的内在因素，才会显得得心应手，研究学生的需求因而显得十分重要。

研究学生就是要从学生的知识、能力的需要，探究的毅力及过程体验的需要，学习方法及改进的需要，群体合作意识培养的需要，获得评价的需要等方面人手，分析他们探究问题的思维能力。在深人研究学生的基础上，有针对性地采取多种措施提高课堂教学过程中学生解决问题的能力。

如在讲述“细胞的有丝分裂”这一内容时，由于学生已经掌握了细胞的结构和功能的相关基础知识，教师可以通过多媒体课件的展示来分步观察细胞有丝分裂各个时期的现象，让学生从具体的现象中归纳出细胞分裂的特点和实质，通过这一教学活动的设计，既能够让学生深刻地区分细胞分裂各时期的特点，又能很好的体现细胞分裂是一个整体的过程。

2.2 让学生将基础知识与实际问题相结合。 学生解决问题能力的提高，归根到底取决于自身素质的提高，其素质状况应从基本知识的积累和能力的培养两个方面来衡量。学生的素质如何得到提高?这就要教师通过多方面、多渠道、多手段把握学生的思维动态、思维品质、思维特征，从而提高学生知识积累和能力培养的素质。

关于知识积累，我们不能看作是对书本知识的死记硬背，而应是在积极理解和再现过程中逐渐完成。其中，理解是关键因素，理解既是对知识的深层分析，也是对知识的宏观概括，只有理解才能真正实现知识积累。但知识的积累并不代表问题探究能力的提高，现实中有些同学基础知识倒背如流，而每次测试成绩却不很理想，原因在于学生没有把基础知识和具体情境联系起来，缺乏统一的认知观念。教师在日常的教学过程中应不断培养学生把基础知识与具体问题相结合的能力，让学生有的放矢。

例如在习题课上，有这么一题：“用黄豆生豆芽，1 kg黄豆可以生5 kg豆芽，在这一过程中，有机物的含量将如何变化?”，这题考查的主要知识点是植物光合作用和呼吸作用的条件及其过程中有机物含量变化情况，具体情境是黄豆的萌发过程。我们可以这样联系：黄豆在萌发过程中呼吸作用十分强烈，光合作用几乎没有，有机物消耗明显，因而有机物会变少。在教学过程中不少学生由于认为植物子叶的光合作用会随之而来，有机物的含量会随之升高，实际上这是学生缺乏细致的观察和理性分析导致的错误判断，就人们食用的黄豆芽来看，其子叶并未变绿，原因是叶绿素尚未明显生成，故几乎不能进行光合作用。在这种情况下，黄豆芽内的有机物含量不可能增加，在这里重量增加的主要原因是大量吸水的缘故。通过老师对该题的分析，可使学生深刻地掌握光合作用和呼吸作用进行的条件及有机物的含量变化实际中的应用。

新课改确实是一次良机，为我们的改革提供了舞台。以问题为中心的高中生物课堂教学，既能活跃课堂，又能激活学生，教学效果非常好。 “创新才有生命力”，生物课如此，学生成长亦如此，我想，教无定法，学无止境，不断求索必能达到胜利的彼岸。

参考文献

［1］ 郑金洲 《问题教学》 福建教育出版社