本期荐读丨教具模型：血糖调节模型设计与开发/王颖等

文章来源：王颖,裘成,张志祥. 基于 Micro：bit的血糖调节模型设计与开发[J]. 生物学通报, 2023, 58(4): 58-60.

编者按

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本刊2023年第4期刊发的《基于 Micro：bit的血糖调节模型设计与开发》一文，基于 Micro：bit 开源软件，结合生物学、信息技术和物理学知识开发了“血糖调节” 物理模型，实现了血糖调节过程动态化的效果，增强了模型的交互性，是一篇很好的跨学科教学实践文章，本期荐读。

基于 Micro：bit的血糖调节模型

设计与开发

王 颖  裘成  张志祥

（宁波市惠贞高级中学）

摘要

在“血糖调节”教学中，通常会利用实物教具将抽象问题具体化，助力学生理解知识点。本研究基于 Micro：bit 开源软件，结合生物学、信息技术和物理学知识开发了“血糖调节” 物理模型，实现了血糖调节过程动态化的效果，增强了模型的交互性，帮助学生通过模型搭建和动态展示，深入理解血糖调节相关知识。

关键词

Micro:bit  血糖调节  模型

血糖调节是高中生物学教材《稳态与调节》中的重要内容。本节内容微观抽象，调节机制复杂，学生在理解上存在困难。许多一线教师采用卡片或小磁片来构建血糖调节的物理模型，但需要手动增添或减少卡片数量来模拟血糖变化，动态展示效果不佳。《普通高中生物学课程标准 （2017年版 2020年修订）》在学业质量的质量描述3-1 内容中要求学生“能综合运用科学、技术、工程学和数学知识与能力，设计方案以解决特定问题”。而 Micro:bit 正是一款可通过创造性的软件编程和硬件制作来实现灯光变化、信息展示等功能的微型电脑开发板。因此，笔者综合信息技术、物理学和生物学知识，利用 Micro:bit 开发“血糖调节”物理模型，模拟血糖调节的动态变化过程，试图使学生通过交互的方法，厘清胰岛细胞对血糖调节的逻辑，加深概念理解，充分落实“教学过程重实践”的基本理念。

01

材料与工具

Micro：bit，扩展板，电焊台，示波器，胶枪，胶条，剪刀，双面胶，若干杜邦线，LED 灯，电子线， 焊锡丝，三极管，人体内分泌腺分布泡沫板，组织细胞、肌肉、肝脏、脂肪细胞和胰岛 5 个泡沫板零部件。

02

模型制作

2.1现象的可视化处理

2.1.1 人体内部组织的可视化

利用打印技术获取印有人体内分泌腺的分布图，以及肌肉、肝脏、组织细胞、脂肪细胞和胰岛的泡沫板，将后 5 个零部件裁剪后粘贴在人体内分泌腺分布图的适当位置，通过营造立体效果来凸显这些组织与胰岛之间的联系。 

2.1.2 血糖质量浓度可视化 

Micro: bit面板（图 1） 自带 25 个 LED 灯，每个灯设定包含 8 个亮度级别， 故而该面板可表示200种不同状况，即可表示0~200 个单位的血糖质量浓度。当亮起的 LED 灯数量在 10~15 个之间时（即 80~120 mg/100 mL 的血糖质量浓度），代表血糖含量正常。为了能在视觉上营造血糖质量浓度逐渐改变的过程，利用代码“control. wait_micros（dtime）”，并将dtime设定为0.015 s，来实现亮度每改变1个单位需要等待0.015 s的效果。

2.1.3 激素作用路径可视化 

从胰岛 A 细胞处引出 2 根绿色杜邦线（输出端），胰岛 B 细胞处引出 5 根黄色杜邦线（输出端），并在肌肉、组织细胞、肝脏和脂肪细胞等位置，预留几个杜邦线接头（输入端），正确连接杜邦线可模拟胰岛素和胰高血糖素通过体液运输并定向作用于相应靶器官或靶细胞的过程（图 2）。 

2.1.4 激素作用效果可视化 

胰岛素与胰高血糖素对不同的血糖转化途径既有抑制作用，又有促进作用。例如，胰岛素可促进血糖进入肝脏合成糖原，又能抑制肝糖原分解。为了将作用效果可视化，分别在发生促进作用和抑制作用的部位，安置了 2 种不同颜色的 LED 灯，其中红灯表示此时该项血糖转化为促进，蓝灯则表示抑制。同时在胰岛 A 细胞和胰岛 B 细胞处分别安置绿灯和黄灯，当 LED 灯亮起则表示该细胞分泌的激素含量增加（图 3）。

2.2模拟进食或运动引发的血糖变化

Micro：bit 面板两侧有按钮 A 和 B，将按钮 A 设为“模拟进食”，每按动 1 次会点亮面板上的 5 个 LED 灯。按 钮 B 设为“模拟运动”，每按动 1 次会熄灭 5 个 LED 灯。

2.3模拟激素对血糖的调节作用

2.3.1 电路说明 

Micro：bit 面板下端有多个GPIO（general-purpose input/output）引脚，由于引脚位置较窄，需要借助扩展板（图 4）来连接杜邦线。将连接 0 V 电压端口（低电平）的 5 根杜邦线（输出端）从胰岛 B 细胞位置引出，将连接 5 V 电压端口 （高电平）的 2 根杜邦线（输出端）从胰岛 A 细胞位置引出，从电压的高低差异来区别 2 种激素，以便 Micro:bit 后台程序进行判断。

2.3.2 程序设计 

当由胰岛 B 细胞位置引出的杜邦线（输出端，低电平）和由胰岛素作用途径引出的杜邦线（输入端，GPIO 引脚）正确连接时，GPIO 引脚能接收到的全为低电平，则代码中返回 0，胰岛素能正常发挥作用，即当程序接收到“血糖升高”信息时，泡沫板上相应位置的 LED 灯亮起， Micro：bit 面板上的亮灯数量逐渐下降，直至恢复正常水平。如果有 1 处或几处连接错误，则 GPIO 引脚可能接收到高电平，则代码中返回 1，胰岛素功能无法发挥。同样，由胰高血糖素作用途径引出的杜邦线（输入端，GPIO 引脚）全部接收到高电平，则代码中返回 1，胰高血糖素能正常发挥作 用，否则不能。 

03

效果演示

3.1胰岛素作用效果演示

接上电源，Micro：bit 面板上的初始亮灯数为 13 盏，即初始血糖质量浓度为 104 mg/100 mL。按下“进食”按钮，血糖上升，每 0.015 s 增加 1/8 的 LED 灯亮度，快速增加 5 盏灯直至亮起 18 盏灯。若此时正确连接胰岛素作用部分的杜邦线，则 Micro：bit 接收到“血糖偏高”的信号后开始运行代码，胰岛 B 细胞处的黄灯亮起（胰岛素分泌量增加），“促进肌糖原合成” “促进葡萄糖氧化分解”“促进肝糖原合成”“抑制肝糖原分解”“抑制甘油三酯等非糖物质转化为葡萄糖”处的 LED 灯也亮起（胰岛素与靶细胞表面的受体结合并发挥作用），Micro:bit 面板上的亮灯数逐渐减少，直至恢复至正常水平（血糖质量浓度下降至正常水平），同时泡沫板上的 LED 灯全部熄灭（胰岛素分泌量恢复正常）。 

3.2胰高血糖素作用效果演示

按下“运动”按钮，Micro：bit 面板上的亮灯数逐渐减少至 8 盏，血糖质量浓度下降至 64 mg/100 mL。此时正确连接胰高血糖素作用部分的杜邦线，则 Micro：bit 接收到“血糖偏低”的信号后开始运行代码，胰岛 A 细胞处的绿灯亮起，“促进肝糖原分解”“抑制葡萄糖转化为甘油三酯等非糖物质，同时促进非糖物质转化为葡萄糖”处的 LED 灯也亮起时， 面板上的亮灯数缓慢上升至 10 盏，即血糖质量浓度到达 80 mg/200 mL，同时泡沫板上的 LED 灯全部熄灭。

04

教学应用

教学过程中，教师可引导学生基于资料分析胰岛素和胰高血糖素的血糖调节路径，并尝试将分析结果与模型联系起来，即将杜邦线（输出端） 和杜邦线（输入端）进行连接，测试装置是否能正常运行，通过观察运行结果能马上判断自己的分析是否完全正确并及时进行修正和调整，也能通过观测正常运行的结果，对激素调节血糖过程有直观、动态的认识，完成知识“输入”的同时，保障 知识的趣味性。

05

结语

基于 Micro：bit 的血糖调节模型以生物学知识为背景，通过编程运行血糖调节的过程，借助电路设计实现微观过程的具象化，涵盖生物学、信息技术、物理学等多学科知识，教师可在课前选 拔不同学科背景且能力突出的学生组建兴趣小组，在跨学科教师团队的帮助下合作开发该模型，促进教学相长，以实现该模型教学价值的最大化，并有效提升学生的综合实践能力，同时发展多学科核心素养。

本此推送仅节选了文章部分内容，全文阅读详见本刊2023年第4期。2023年全新改版，欢迎订购！

END

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本期排版：郭羽凡

本期责编：周津津

主管：中国科学技术协会

主办：中国动物学会、中国植物学会、北京师范大学

出版：北京师范大学出版集团

编辑：《生物学通报》编辑部

国内统一刊号：CN 11-2042/Q

国际标准刊号：ISSN 0006-3193