「探究與實作」課程

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Biology 從「影響人體心搏週期的因子」探討

實驗活動如何應用於

「探究與實作」課程

教師 蔡任圃 臺北市中山女高 captain.okw@gmail.com

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前言

於第17期的《生物搜查線》中,我曾分享以 昆蟲為實驗動物的推廣實驗(蔡,民105),其 中包含蟑螂心臟運動的觀察,並探討溫度、餵食 糖液兩項因子對昆蟲心搏週期的效應。昆蟲屬於 開放式循環的動物,若能另以閉鎖式循環的實驗 動物,進行各項因子影響心搏週期的相關探討,

就可比較開放式與閉鎖式循環的動物,其維持循 環系統恆定之機制的異同。本文以人體為實驗動 物(屬閉鎖式循環),探討各項因子對心搏週期 的效應,不但易操作、效果明顯,可應證生物課 所學,也能與昆蟲的心搏週期性質比較,建立循 環系統調節機制的整體概念,例如我們曾比較姿 勢改變對蟑螂與人體心搏週期的效應(高與蔡,

民103),亦可發展成探究性的實驗活動,或作 為生物課程的延伸補充。

本文透過測量人體脈搏作為心搏週期的生理 表徵指標,以呼吸運動、身體姿勢變換及潛水反 射等因素,探討各項因子對人體脈搏週期的調節 作用。此外,本文也討論教師要如何評估所開發 的課程模組是否符合107課綱【自然科學探究與

本實驗活動的教學目標

一、認知目標

1 了解人體心臟與循環系統的相關特性。

2 了解環境因子對人體循環系統的影響。

3 了解人體循環系統在生理恆定中的角色。

4 比較開放式與閉鎖式循環系統的異同。

二、技能目標

1 學習實驗的流程、實驗設計與科學過程技 能。

2 藉由團體合作方式,學習分工合作的技巧與 相互協調、支援的能力。

三、情意目標

1 養成愛護生命的態度。

2 藉由互相分享觀察與實驗成果,培養欣賞他 人努力與能力的習慣,進而學會尊重周遭的 生物。

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Biology

人體心搏週期受外在與內在環境的調節。例

原理說明 科學探究 MIT - 生物

如:在人體吸飽氣後憋氣時,因肺泡漲大,刺激

迷走神經,進而抑制了心跳率;另一方面,肺泡 皮膜上的微血管網受到壓迫,使肺循環的血液 無法順利流通。同樣的,在盡力呼氣後再憋氣 時,因肺臟縮小造成肺泡塌陷,同樣使得微血 管網受到壓迫,血液亦無法順利流通。在上述兩 種情形下,因肺循環的回心血減少,使心臟的輸 出(心輸出量)降低,此時心跳率下降,以因應 血液不足的情形。身體的姿勢也會影響心搏週 期,例如在平躺後上半身突然起身,或是蹲下時 突然站起,都會因血液流向下肢,使心臟附近的 血壓受器(主動脈與頸動脈上的血壓受器)偵測 到血壓下降,透過交感神經的反射作用,使心跳 率增加、血壓回升,以維持血壓的恆定。外界的 刺激亦會調節心跳率,例如將沾濕的毛巾蓋於臉 上,會使心跳率下降,這個反射稱為潛水反射

(Diving Reflex),常見於海洋哺乳類。當這些

動物潛水時,其呼吸終止,心跳率、代謝率下 降,以節省氧氣的消耗,但人體也存在著這種反 射,部分科學家因這個原因與其他理由,提出水 猿理論(The Aquatic Ape Hypothesis)(伊蓮•

摩根,2005),認為人類過去曾有一段時間是行 水生或半水生生活的,但目前此理論仍證據不 足,不被大多數科學家接受。

測量人體脈搏的實驗流程

1 將學生進行分組,每組約四人,其中一人為 受試者,一人負責把脈,一人負責計時,一 人負責記錄。計時者利用碼表進行計時(圖 一)。

2 受試者以坐姿閉眼的狀態放輕鬆,把脈者持 續進行脈搏的計算。

3 計時者每十秒鐘報時一次,記錄者每十秒 鐘 記 下 把 脈 者 報 出 的 脈 搏 次 數 ( 記 錄 於 表 一 ) , 只 計 算 十 秒 內 的 脈 搏 次 數 , 不 需 累 加。

表一:測量人體脈搏的實驗數據記錄表。

時間 0-10秒 11-20秒 21-30秒 31-40秒 41-50秒 51-60秒 61-70秒

處理 正常狀態 因子作用 恢復正常狀態

心跳率

(次/10秒)

1 2 3 4

(註: 表中的因子作用代表執行所探討的因子,例如:吸氣後憋氣、呼氣後憋氣、由蹲姿或躺姿立 起、由立姿或坐姿蹲下或躺下、臉上覆蓋濕紙、臉上覆蓋乾紙、脖子覆蓋濕紙等因子。)

從「影響人體心搏週期的因子」探討

實驗活動如何應用於

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4 依上述方法記錄受試者的平穩脈搏約20秒

(記錄2次)。

5 接著改變受試者的狀態或姿勢,也就是所探 討的因子開始作用,同時進行記錄20秒(記 錄2次)。可探討的因子如下:

1

呼吸運動的效應:吸氣後憋氣、呼氣後憋 氣等。

2

改變姿勢的效應:由蹲姿或躺姿立起(圖 二)、由立姿或坐姿蹲下或躺下、以躺姿

3

潛水反射的相關探討:臉上覆蓋濕紙(圖 四)、臉上覆蓋乾紙、脖子覆蓋濕紙等,

其中覆臉的紙預留孔洞,供呼吸所需。

6 隨後恢復正常的狀態,繼續測量受試者的脈 搏約30秒(記錄3次)。

7 學生輪流擔當受試者,重複以上步驟。

8 將所有記錄之脈搏數據計算成心跳率(單位 為:次/分鐘)繪製成圖,比較改變受試者 的狀態或姿勢時的心跳率,與前後狀態的差 圖四:進行潛水反射的相關探討時,臉上覆蓋濕紙

的過程。紙片預留孔洞供呼吸所需。

圖三:探討改變姿勢對人體心搏週期的效應時,由 躺姿抬起雙腳的過程。

圖一:測量人體脈搏(心跳率)時的任務分配,一 人為受試者,一人負責把脈,一人負責計時,一人 負責記錄。

圖二:探討改變姿勢對人體心搏週期的效應時,由 蹲姿立起的過程(左→右)。

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實驗結果範例

以下展示在課程中所收集到的實驗數據。在 吸氣後憋氣期間心跳率下降,且恢復正常呼吸 後,心跳率並不會立即恢復(圖五)。

在改變姿勢的效應方面,以躺姿將腳高舉,

或以立姿突然蹲下,心跳率下降且恢復正常姿勢 後心跳率很快的恢復(圖六)。若以躺姿坐起,

或以蹲姿突然起立,心跳率沒有改變,但恢復姿

勢後心跳率反而下降(圖七),但此實驗的結果 易受操作過程的影響,若只計算其中一個班級的 實驗數據,卻發現以躺姿坐起,或以蹲姿突然起 立時期間,心跳率增加(圖八),較符合預期。

針對人體潛水反射之引發因子的探討,我們 發現只要有觸覺刺激(例如乾紙覆臉,圖九)

就可降低心跳率,臉覆濕紙(圖十)或脖子覆濕 紙(圖十一),也都可降低心跳率,其中臉部刺 激的效應較為持久,即使恢復成未覆蓋外物,心

圖五:吸氣後憋氣對人體心跳率的效應(平均±

標準誤,取樣數=51)。第21至40秒期間受試者 進行吸氣後憋氣(以紅色標註)。與0-10秒的心跳 率平均值相比(單尾配對t檢定): * :p<0.05。

11-20秒的心跳率平均值相比(單尾配對t檢 定): :p<0.05。

圖七:改變姿勢對人體心跳率的效應(平均±標 準誤,取樣數=38)。第21至40秒期間受試者進 行上身挺起或起立(以紅色標註)。與0-10秒的 心跳率平均值相比(單尾配對t檢定): * :p<

0.05。與11-20秒的心跳率平均值相比(單尾配對t 檢定): :p<0.05。

圖六:改變姿勢對人體心跳率的效應(平均±標 準誤,取樣數=34)。第21至40秒期間受試者進 行腳高舉或蹲下(以紅色標註)。與0-10秒的心跳 率平均值相比(單尾配對t檢定): * :p<0.05。

與11-20秒的心跳率平均值相比(單尾配對t檢 定): :p<0.05。

圖八:某一班探討改變姿勢對人體心跳率的效應所 記錄數據(平均±標準誤,取樣數=15)。第21 至40秒期間受試者進行上身挺起或起立(以紅色標 註)。與0-10秒的心跳率平均值相比(單尾配對t 檢定): * :p<0.05。與11-20秒的心跳率平均值 相比(單尾配對t檢定): :p<0.05。

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跳率仍未恢復,但脖子覆濕紙刺激的效應較為短 暫,恢復成脖子未覆蓋外物,心跳率在短期內即 恢復。

從實驗結果中我們也發現,許多數據指出在 操作變因還未發生作用時,心跳率可能先發生變 化(第11至20秒時),包含圖五、圖六、圖七、

圖九、圖十、圖十一,這可能是心理預期因素所 致,此現象值得繼續探究。

如何將此實驗活動變成探究 與實作課程的模組

開發實驗課程模組對教師而言,是展現專業 能力的機會,教師很容易依據自身的專長、經 驗、資源等,開發、設計深具特色的課程模組,

但究竟要如何確保這些模組符合107課綱【自然 科學探究與實作】課程的精神呢?

依據107課綱國民中小學及普通型高中的

《自然科學領域課程綱要草案》(1040818公聽 會版本),【探究與實作】課程分為探究與實作 兩部分學習內容,其中「探究」是指「科學探究 歷程」,包含:發現問題、規劃與研究、論證與 建模、表達與分享等四大歷程,而「實作」是指 在這些科學探究歷程中,可實際進行操作的科學 活動。表二中粗體字的部分為探究與實作兩部分 學習內容的項目,教師可利用此表中的項目,檢 核所開發的課程模組有無符合,若大部分項目皆 有符合之處,則此課程模組即符合107課綱【自 然科學探究與實作】課程的精神。

圖十:探討人體潛水反射相關性質所記錄的心跳率 數據(平均±標準誤,取樣數=30)。第21至40秒 期間受試者進行臉覆濕紙(以紅色標註)。與0-10 秒的心跳率平均值相比(單尾配對t檢定): * : p<0.05。與11-20秒的心跳率平均值相比(單尾配 對t檢定): :p<0.05。

圖九:探討人體潛水反射相關性質所記錄的心跳率 數據(平均±標準誤,取樣數=28)。第21至40秒 期間受試者進行臉覆乾紙(以紅色標註)。與0-10 秒的心跳率平均值相比(單尾配對t檢定): * : p<0.05。與11-20秒的心跳率平均值相比(單尾配 對t檢定): :p<0.05。

圖十一:探討人體潛水反射相關性質所記錄的心跳 率數據(平均±標準誤,取樣數=28)。第21至40

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科學探究 MIT - 生物

表二: 探究與實作兩部分學習內容的項目(粗體字部分),教師可利用此表中的項目,檢核所開發的 課程模組有無符合其課程精神。

探究學習內容項目

(科學探究歷程)

實作學習內容

(可實際進行操作的科學活動)

「影響人體心搏週期的因子」模組 內容的對應

發現問題

觀察現象

1 從日常經驗、學習活動、自然環境、書刊 或網路媒體等,進行多方觀察。

2 運用感官或儀器辨識物體和現象的特性。

3 依據時間或空間的不同以觀察物體和現象 變化。

4 推測所觀察現象的可能成因。

1 從各種學習經驗,了解人體脈搏的性質與 應用。

2 透過把脈方式與儀器記錄方式,觀察人體 脈搏。

3 經多次取樣與多人實驗,測量脈搏在各種 情形下的速率。

4 推測脈搏的變化可能受哪些因子影響。

蒐集資訊

1 利用報紙、圖書、網路與媒體蒐集相關資 訊,並判斷資訊來源的可靠性。

2 閱讀與理解資訊內容。

3 整理並提取適當的資訊。

1 閱讀講義與搜尋相關資料(包含教科書、

科普書籍或網路資料)。

2 閱讀、理解相關資料。

3 整理「影響心搏週期的因子」的相關資 料。

形成或 訂定問題

1 依據觀察所得,經由蒐集資訊、閱讀和討 論等過程,提出適合科學探究的問題。

2 當有多個問題同時存在,能分辨並選擇優 先重要之問題。

1 擬定探討影響心搏週期的可能因子。

2 綜合判斷哪些因子較具生物學意義。

提出 可驗證的觀點

1 依據選定的問題提出想法、假說或模型。 1 由相關資料或生活經驗,說明各項因子的 擬訂理由。

規劃與研究

尋找變因 或條件

1 判定與研究問題相關的影響因素。

2 合理的預測探究可能結果。

1 判定與構想人體脈搏測量實驗過程的控制 變因、操作變因與應變變因為何。

2 預測所擬訂的因子中,各可能有哪些效 應,其可能的意義為何。

擬定研究計畫

1 依據所提出的問題,計劃適當方法、材料 設備與流程。

2 應用或組裝合適的器材與儀器。

1 計劃人體脈搏測量的實驗方法。

2 尋找適當的實驗場所、器材等。

收集資料數據

1 正確且安全的操作器材設備。

2 設計適當的記錄格式並詳實記錄。

3 有系統性的收集定性或定量資料數據檢視 最佳化條件。

1 實驗過程中正確且安全的操作(尤其是改 變姿勢時應避免受試者受傷)。

2 利用預先設計的數據記錄表進行記錄(表 一)。

3 收集各班各組的實驗數據,並進行各班或 各組的比較,以檢視數據的性質。例如圖 七與圖八的數據比較。

論證與建模

分析資料 和呈現證據

1 使用資訊與數學等方法,有效整理數據。

2 依據整理後的資料數據,製作圖表。

3 由探究過程所得的資料數據,整理出規 則,提出分析結果與相關證據。

4 比較自己、同學與其他相關的資訊或證據 合理性與正確性。

1 利用excel進行數據的計算(包含平均數、

標準差、統計等計算)。

2 利用excel或生理記錄儀,將數據的結果繪 製成圖,如圖五至圖十一。

3 分析實驗結果的趨勢,如:「實驗結果範 例」該段的內文。

4 比較實驗數據與相關參考資料之數據的異 同,例如與蔡(民99)的人體脈搏數據比

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探究學習內容項目

(科學探究歷程)

實作學習內容

(可實際進行操作的科學活動)

「影響人體心搏週期的因子」模組 內容的對應

論證與建模

解釋和推理

1 由資料數據的變化趨勢,看出其蘊含意 義。

2 由資料數據顯示的相關性,推測其背後可 能的因果關係。

3 根據探究結果形成解釋。

1 解釋實驗數據的趨勢。

2 推測其背後可能的生理機制,如「原理說 明」該段的內文。

3 解釋心跳率變化對維持生物恆定性的意 義。

提出結論 或解決方案

1 由探究所得的解釋形成論點。

2 依據證據提出合理的解決方案。

3 由探究結果形成結論、新的概念或問題。

4 檢核自己、同學的結論與其他相關資訊或 證據的異同。

1 解釋各項因子對心跳率所造成的效應。

2 提出各項因子對心跳率的效應,如何幫助 維持恆定性。由實驗結果提出新的問題,

例如:許多實驗數據中的第11∼20秒,影 響因子還未作用時,為何其心跳率已有改 變?

3 累積足夠的實驗結果,提出各項因子對心 搏週期之效應的結論。

建立模型

1 由探究結果建立合理模型以描述所觀察的 現象。

2 察覺模型的侷限性。

1 建立呼吸運動、姿勢改變與潛水反射對心 搏週期的作用模型。

2 察覺影響心搏週期還有許多其他因子,例 如:溫度、心情、緊張程度等。

表達與分享

表達與溝通

1 適當利用口語、文字、圖像、影音或實物 等表達方式,呈現自己或理解他人的探究 過程與成果。

2 正確運用科學名詞、符號或模型,呈現自 己或理解他人的探究過程與成果。

3 有條理且具科學性的陳述探究成果。

4 運用各種資源與他人分享科學資訊。

1 各組報告實驗結果,包含口頭報告與書面 報告。

2 報告內容的表達方式是否符合科學通則與 習慣。

3 報告內容的表達方式是否有條理且具科學 性。

4 課程模組與研究成果透過科普文章的發表 或研習進行推廣,如「參考資料」內的部 分文章。

合作與討論

1 傾聽他人的報告,並能提出具體意見或建 議。

2 評估同學的探究過程、結果或模型的優點 和限制,並提出合理的疑問或改善方案。

1 各組間發表實驗結果時進行互評。

2 提供他人實驗過程與成果的質疑與建議。

評價與省思

1 反思探究成果的應用性、限制與改進之 處。

2 對各類科學資訊進行評估與判斷,審慎檢 視其真實性與可信度。

3 體驗科學探究重視實作經驗證據的使用、

合乎邏輯的推論,以及探究結果的再現 性。

4 了解科學知識是人們理解現象的一種解

1 學生針對自己在實驗設計、操作過程、數 據記錄、實驗結果、口頭發表、書面報告 進行評價與省思。

2 學生針對他人在實驗設計、操作過程、數 據記錄、實驗結果、口頭發表、書面報告 進行評價與省思。

3 藉由評價與省思他人的研究結論,比較各 種假說解釋。

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科學探究 MIT - 生物

參考資料:

1 伊蓮•摩根(民94)。水猿:人類演化過程的一段 謎。(陳信宏譯)。臺北市:麥田。(原著出版年:

1982年)

2 高 家 敏 、 蔡 任 圃 ( 民 1 0 3 ) 。 認 識 身 旁 的 小 傢 伙

(12)-利用心電圖與影像分析法探討昆蟲心臟因應 體位變化的調節作用。科學教育月刊,366,29-41。

(全文下載:https://goo.gl/KtZ5mH)

3 黃 常 宇 、 蔡 任 圃 ( 民 9 6 ) 。 認 識 身 旁 的 小 傢 伙

(四)—開放式循環與心臟血球觀察方法。科學教育 月刊,304,38-48。

(全文下載:https://goo.gl/5oqrdm)

4 蔡任圃(民105)。以昆蟲為實驗動物的推廣實驗。

生物搜查線(龍騰文化),17,10-14。

(全文下載:https://goo.gl/wrHkQv)

5 蔡任圃(民92):蟑螂心臟活動的觀察方法。科學教 育月刊,257,31-37。

(全文下載:https://goo.gl/boFKRL)

6 蔡任圃(民95):認識身旁的小傢伙(一) 美洲蟑 螂生態與行為的初步觀察。科學教育月刊,289,30- 35。

(全文下載:https://goo.gl/8eIT3c)

7 蔡任圃(民95):認識身旁的小傢伙(二) 美洲蟑 螂外部型態與內部器官的初步觀察。科學教育月刊,

290,43-47。

(全文下載:https://goo.gl/zTPQsT)

8 蔡任圃(民99)。昆蟲心搏與人體脈搏實驗活動。中 山女高學報,10,171-190。

(全文下載:https://goo.gl/eZafi2)

9 蔡任圃、黃璧祈、童麗珠、林金盾(民90):影像分 析探討餵食葡萄糖液對蟑螂心輸出量的效應。台灣昆 蟲,21,133-145。

(全文下載:https://goo.gl/VEI7gN)

圖片來源:

圖一∼圖十一:蔡任圃老師提供

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