“稳态与环境”模块

“稳态与环境”模块（精选9篇）

“稳态与环境”模块 第1篇

关键词：稳态,环境模块,教学建议,价值地位

在经济及科技的影响下, 我们所面对的社会发生着变化, 如果我们不想被社会所淘汰, 就必须不断地学习。新课改是为了培养更多的能够促进带动我国更好发展的栋梁。在这一基础理念下, 进行稳态与环境模块教学的改革发展。

一稳态与环境模块及其价值和地位

第一, 稳态与环境模块。教育部于2003年颁布了关于普通高中的生物课程标准的实验规定, 规定了“稳态与环境”是高中的生物学课程中的三个必修的模块之一。

稳态, 这一概念的最初来源是生理学。生理学上的定义是把可以维持内环境的理化性质, 使其呈现相对恒定不变的状态, 这就是稳态。稳态是一种比较复杂的由生物体内所存在的各种的调节机制所达到能维持的动态平衡, 一方面是在代谢的过程中内环境的理化性质所存在的相对恒定被破坏, 另一方面是指通过调节功能恢复平衡。整个集体所进行的生命活动是在稳态不断被破坏但又能不断恢复的过程中实现维持并进行。而这些稳态恒定状态的呈现, 是在环境中进行的。

稳态与环境模块, 一是个体的水平生命活动所进行的调节;二是作为群体的水平上生物和环境之间的关系。具体的内容:植物所进行的本身激素调节、动物的生命活动过程中的调节、人体的内环境以及稳态、群落和种群、生态环境、生态系统的保护。

第二, 稳态与环境模块的价值和地位。作为高中生物课程的必修三大模块之一, 稳态与环境模块有其本身的价值和地位。

这个模块有助于学生更好地了解生物学。在对其学习过程中, 学生能更好地对我们的生命规律和生命现象有更深入的了解。在群体和个体水平认识生命系统的内部调节机制包括与环境的关系。这决定了我们的生命系统一直处于不断运动的变化状态。只有生命系统在一定的范围内进行动态的变化, 才能让我们的系统正常运转。也就是说, 作为生命系统独立存在的必要条件, 就是维持生命系统的稳定状态。稳态的维持要通过动物以及植物的本身生命活动进行调节, 在群体水平上是生态系统所进行的自动调节。通过对稳态与环境模块的学习, 这对我们的生产和生活的应用十分有益。人体的很多疾病产生, 都是因为内环境稳态失衡。对这个模块的了解, 能更好指导人们生产生活, 让人类的经济生产活动和生产活动都能实现可持续发展。由此可见, 理解生命活动本身的本质及其规律, 稳态与环境模块具有相当重要的作用。

通过对稳态与环境模块的深入了解, 我们明白了环境与生物是一个统一的有机整体, 这有利于人们更好地树立人与自然和谐发展的观点, 对强化学生的环保意识有相当重要的意义。学生对科学方法有了更全面的领悟, 有效地领悟了学习系统分析方法、建立模型的学习方法以及取样调查的分析方法。

二稳态与环境模块的教学建议

在教学过程中, 有效的教学措施才能让学生更好地理解这个模块的意义, 更好地运用这个模块作用于生产生活。关于模块教学, 提出以下几条建议:

第一, 对稳态和环境模块进行有关基本的概念和原理教学, 教师多组织学生开展相关方面的活动, 通过活动来了解个体水平方面的调节和稳态, 这些内容较抽象, 如果教师只是单纯地教授概念和原理, 并不能达到学生高效理解利用的效果。可适当开展一些讨论活动, 或进行模型教学, 通过资料分析这些活动, 让学生能够获得更深入全面的了解。

第二, 开展多种活动让学生对科学的方法进行领悟, 在本模块中有关的科学方法是:系统性分析方法、建模型式方式、进行取样调查的方法和实验的方法等。这些方法能让学生从被动地接受知识转变到主动寻找知识, 深化学生对这一知识的了解以及有效运用。

第三, 准确把握科学、技术及社会三者之间的相互关系, 并对其进行教育。这个模块中存在着个体水平的稳态与环境模块的内容和群体水平的稳态与环境模块的内容, 这些与我们的生活和生产的实践都有着紧密的联系。教师在教授学生这个模块时, 应鼓励学生去做调查和进行资料的搜集, 对我们的科学、技术以及社会之间的相互关系有更深入的认识。

三结束语

稳态与环境模块是相当具有价值和意义的, 在我们日常的生产生活中也起着重要的作用, 进行有效的教学工作, 让这个模块的学习能够深入到学生的观念中, 并对社会的发展产生积极的意义, 是具有十分重要的意义的。

参考文献

[1]谭永平.人教版高中《生物3:稳态与环境》常见问题解答[J].中学生物教学, 2007 (6)

《稳态与环境》教学反思 第2篇

按教学设计比较完满地完成新学年、新老师、新教材、新高考的`第一课时教学。开篇介绍感觉不错，不过时间没把握好，有超时。

本节知识，学生兴趣一般。通过从身边寻求大量实例去激发学生的兴奋点，通过感性认识结合到具体知识中，效果还可以。但循环系统(特别是淋巴循环)学生有些糊涂，尤其是“血管壁和毛细淋巴管壁由细胞组成”学生理解、记忆不太好。

建议：有关循环系统不一定要在本课花太多时间，要回归主题，相关内容可通过练习进一步巩固。

第二课时：教学反思及建议

实验班完成不错，但要注意实验时间把握，不要超过25min。2个普通班，相当部分同学没有预习，又因为在实验室上课，学生不够专心，在引导阅读提问时又没能很好的跟上来，导致部分学生对实验原理理解不太好，以至于解释不够到位。又由于时间较紧，还有相当部分学生对自己的实验结果分析总结不到位。

建议1：不能过分高估学生的能力，还需循序渐进地加以引导和强化。要培养学生科学素质要落到实处，必需使学生理解实验思想，搞清实验目的，重视实验过程，进而能做到对自己所做的实验结果或数据进行分析。

建议2：投影学生实验结果效果好，但要注意时间。

第三课时：教学反思及建议

从教学内容和设计上来看，本课实质内容不多，但8班作为第一个班时间放得太松了，前面讨论较好，但最后讨论不足及练习内容不够到位;7班完成较好，但部分学习未做好调查;9班完成良好。少数学生调查数据不真实。

建议：

⒈、一定要在课前要求科代表进行本班体温日变化规律调查结果进行检查，有些小组没有做。

⒉、上一课时要强调：不能虚编数据。

⒊、本课内容，小组讨论、汇报较多，要注意把握时间;

“稳态与环境”模块 第3篇

关键词：高中生物   《稳态与环境》   思考与讨论   再构

一、高中生物《稳态与环境》引进“思考与讨论”栏目机制的现实意义

作为高中生物课程必修内容，“思考与讨论”栏目机制保留了独特的适应地位和规范实效价值，尤其在生物学教学过程中产生了有效的推动作用，毕竟其是透过生命活动现象以及规则加以深度揭示的科学内容。透过解析我国生物课程规范体系，高中生记录了理性生命活动规律之后，会把注意力主动放在活动本质意义的层面上。

实际上，生命世界，包括细胞和自然生态体系架构，都蕴藏着不同层次的生命机理内容，涉及物质和结构基础的合理发展、衰亡规则。其中，“分子和细胞”栏目注重学生在生命系统物质结构基础的掌握力度，而“遗传和进化”栏目让学生学会了适应当今生态环境和对应调节机制的关联。

生命系统始终维持开放性，其与外界经过物质、能力信息的交流与转换，使得生命系统蕴含的动态变化特性更加显著。具体来讲，这部分动态变化结果始终在规定范围内进行，否则就会随时面临解体的危机。也就是说，稳定作为生命系统独立存在的支撑要素，时刻监察生物体内部新陈代谢的细节，其实就是把维持自身稳态作为长久发展的动机。由此可见，科学地探究生命活动的本质规律，可以使得“思考和讨论”栏目重构工作在高中生物《稳态与环境》课程中更具存在的深刻价值，并且时刻保留不可替代的规范引导价值功效。

首先，透过知识吸纳角度观察。此类栏目机制引导学习之后，高中生能够科学地分析生物个体生存环境的变化特征，同时结合自我稳定机制的调节，分析生物与无机环境之间的相互作用机理，试图从中构建一类完整的理论体系架构。

其次，在丰富实践能力方面。规划固定栏目之后，高中生能够适当地掌握内部科学分析原理和要素衔接要点，快速形成思维整体性构筑习惯，并且经过初步建立数学模型后，能结合内因、外因的关联作用，去验证特定事物的变化。

最后，在个体情感价值观稳固层面上。师生经过长期的经验交流，有机地提升对生命系统和环境关系的调试水准，确保为人类和自然的长远发展提供特定的疏通观念，为进一步形成标准生态、环境保护理念积累条件。

二、重构“思考与讨论”栏目机制的要求及内容

1.总体设计思路

要想架构“思考与讨论”栏目，教师应系统地阐述生命活动调节以及生物环境机理内容，毕竟采用简单、合并的手段，才能使得稳态核心概念统领范围下的个体、群体水平内容得到一定程度的释放。其实，就是令生物个体、群体转化为异质化层次生命系统要素，使得它们在经受外界环境相互作用的基础上，结合自身调节机制进行稳态状况维持。

2.稳态概念综述

法国生理学家贝尔纳首先指出细胞外液作为机体细胞直接生存的外部环境而存在，就是所谓的身体内环境，所以细胞理化效应比较稳定。美国生理学家坎农全面延展内环境稳定概念的内容，同时提供内部稳定细致过程达成的要求。须知这部分环境结构的任何变化结果都必然引起机体自动调节组织和器官的活动现象，进一步产生一系列反应来克制内环境变化结果。在其实质上，是将利用代偿性进行反应调节而形成的稳定化状态称之为稳定内涵，认为其作为一种可变的相对稳定状态而存在，并且为机制调节完善和抵御外界环境变化提供条件。

综合起来分析，稳定是生命系统得以发展的主要特性，更是其于外界物质、能量和信息交流的衔接媒介。经过自身稳定状态的调节，使得生命系统内部异质化机制变化规律变得更加清晰，这也正是此栏目延续的价值。

3.引导的侧重点

结合科学实践方面的解读，此类栏目注重研究不同生物系统关联模型建设方法，尤其在系统边界较为明确的前提下，教师会指导高中生在分析内部组成要素和层次组建规则基础上，全面验证后期各类实践问题的分析整编规则。如异质化组分间的影响关系定量、定性分析，模型结构优化模拟操作等。因为考虑到高中生的发展水平和需求，所以此类栏目不会对学生掌握完整的系统分析方法提出过多要求，而是将重点放在系统方法领悟层面上，只要初步学会结合系统整体进行局部拆解，并梳理外部环境关系就可以了。而在情感价值观领悟活动中，主要是引导学生时刻关注生物科学和社会的同步发展关系，包括植物激素应用前景概括和艾滋病预防手段等，进一步形成生态环境和自我保护意识，督促自己不产生任何对生态体系造成负面影响的行为。

三、相关教学引导策略补充

1.通过不同实践单元进行生物稳态与环境关联知识体系的构建

涉及个体综合水平调节内容比较抽象，如若单纯通过教师的生硬讲述，会令学生对学习失去兴趣，所以教师可以考虑定期开设模型构建和评比探讨活动，督促学生通过探究性学习完成特定知识内容的重构任务。如关于动物激素调节实验，教师可以让学生在分析激素基础知识的基础上，联系日常生活案例，揭示人体吸收葡萄糖的规律，为后期胰岛素知识的学习打好基础;再如通过构筑模型系统，配合各种颜色卡片代表葡萄糖、糖原、胰岛素等机理，并以小组为单元，模仿、演练吃饭和运动后身体的变化状态，进一步验证血糖调节模型构建结果的正确度。

2.科学、技术以及社会相互关系教育渗透指标的有序落实

在此类栏目结构中，个体和群体水平的稳态与环境的内容，都与人们的日常生活和生产实践有着密切的关系。如人体的许多疾病都是稳态失调的结果，诸多环境问题又是生态系统的失调结果。科学技术成果的运用，在满足人们某些愿望的同时，能带来一些始料不及的问题，如生物多样性的锐减、臭氧层的破坏等。教师应当鼓励学生亲自调查或广泛搜集资料，再通过课堂讨论，加深对科学、技术、社会相互关系的认识，提高参与社会事务的讨论和公众决策的能力。

四、结语

综上所述，高中生物《稳态与环境》课程教学中“思考与讨论”栏目的再构工作十分复杂，教师必须联系最新的专业规划要求，以及学生的实际接受状况，进行简化处理，帮助学生树立生态环境和自我保护的意识，进而为他们的多元化发展打下坚实的基础。

参考文献：

[1]李英芳.《分子与细胞》教材课后作业设计的再探究[D].石家庄：河北师范大学，2013.

[2]戴敏.高中生物《稳态与环境》模块“自主学习册”的开发与利用[D].长沙：湖南师范大学，2014.

[3]孟霞.探视高中生物教学理论联系实际的六条途径及切入点[D].石家庄：河北师范大学，2014.

[4]郭丽媛.高中生物情境式习题的编制与分析[D].石家庄：河北师范大学，2014.

[5]凡秀丽.高中生物教师学科教学知识结构的研究[D].桂林：广西师范大学，2014.

“人体的内环境与稳态”专题复习 第4篇

一、构建网络概念图,整体把握本章内容

本章知识点主要有内环境的组成及各组成成分间的相互关系、内环境是细胞与外界环境进行物质交换的媒介、内环境的动态变化、对稳态调节机制的认识、内环境稳态的重要意义等。知识点较多,可以通过构建如下网络概念图,提纲挈领,整体把握。

二、考点梳理,典例剖析

考点(一)体液、内环境及各组成成分之间的关系

对此考点的具体要求是能描述内环境的概念、组成及其相互间的关系。

1.体液的概念和组成。

在生物体内含有的 大量以水 为基础的 液体,称为体液。体液中除含有大量的水以外,还含有许多离子和化合物,它包括细胞外液和细胞内液。细胞外液是细胞生活的直接 液体环境,是体液的一部分。两者关系如下。

2.内环境及各组成成分之间的关系。

(1)内环境的概念:由细胞外液构成的液体环境叫做内环境,包括血浆、组织液和淋巴。

(2)各组成成分之间的关系。

从上图可以看出:1血浆和组织液之间的物质交换是双向的,毛细血管壁有一定的通透性,正常情况下除血细胞和大部分血浆蛋白外,其他物质都可以通过毛细血管壁;2淋巴与组织液之间的物质交换是单向的,毛细淋巴管的功能是回收组织液,组织液中的一些物质一旦进入毛细淋巴管就成为淋巴,经过淋巴循环汇入血浆;3淋巴和血浆之间的物质交换也是单向的,淋巴液在左右锁骨下静脉处流入血浆。

典例1.下图中a、b、c分别表示人体三种细胞外液,箭头表示三种液体之间的相互关系。

下列叙述不正确的是()

A.图中a、b、c分别表示 淋巴、血浆、组织液

B.与a、c相比,b的蛋白质含量最高

C.细胞2的种类最多

D.b中有的细胞不消耗O2

解析:由图中箭头可知,a、b、c分别表示淋巴、血浆、组织液,则细胞1、2、3分别表示淋巴细胞、血细胞、组织细胞。血细胞只有红细胞、白细胞、血小板三种,而组织细胞的种类最多。红细胞运输O2但是进行无氧呼吸,不消耗O2。

答案:C

【方法技巧】

组织液与血浆及细 胞内液间 都是双向 交换,淋巴与组织液及血浆都是单向交换,因此上图中c是组织液,b是血浆,a是淋巴。

【深化拓展】

1.人的呼吸道、消化道、泪腺、尿道等由孔道与外界相连,储存的液体也直接与外界接触,所以这些液体一般不称为体液,而称为外界溶液。内环境就是细胞外液,属于体液的一部分。细胞外液和外界环境中的溶液是不同的,凡是能够与外界直接相通的都是外界溶液。

2.不同人体细胞所处的内环境不同。

考点(二)细胞外液的成分

对此考点的具体要求是列举血浆的组成成分,明确细胞外液的本质。

1.血浆的成分

2.血浆中含有较多的蛋白质,而组织液和淋巴中蛋白质含量很少。三者共同构成体内细胞生活的内环境。

3.细胞外液本质上是一种盐溶液。类似于海水。这在一 定程度上 反映了生 命起源于海洋。

典例2.下列各组物质中全是内环境成分的是()

A.O2、CO2、血红蛋白、H+

B.过氧化氢酶、抗体、激素、H2O

C.纤维蛋白原、Ca2+、载体

D.Na+、HPO24、葡萄糖、氨基酸

解析:A中血红蛋白是 红细胞的成分。B中过氧化氢酶存在于细胞中。C中载体在细胞膜上。

答案:D

【方法技巧】

内环境成分的判断:

1.判断依据。

看物质是存在于细胞内还是细胞外,存在于细胞内的物质不属于内环境的成分。

2.属于内环境的成分。

营养成分:氧气、水、无机盐、葡萄糖、甘油、脂肪酸等。

代谢产物:激素、维生素、抗体、组织胺、神经递质等。

代谢废物:CO2、尿素等。

3.不属于内环境的成分。

血红蛋白(红细胞内)、载体蛋白和过氧化氢酶等各种胞内酶,消化液、尿液等属于外界环境的溶液。

典例3.(2014·新课标Ⅱ卷)关于正常情况下组织 液生成与 回流的叙 述,错误的是()

A.生成与回 流的组织 液中氧气 的含量相等

B.组织液不断 生成与回 流,并保持动 态平衡

C.血浆中的有些物质经毛细血管动脉端进入组织液

D.组织液中的有些物质经毛细血管静脉端进入血液

解析:一般情况下,富含氧气的血浆从毛细血管动脉端渗出生成组织液,生活在组织液中的组织细胞通过有氧呼吸消耗部分氧气,导致毛细血管静脉端回流的组织液通常氧气含量相对较低。

答案:A

【深化拓展】

1.血液包括血浆和血细胞,血液并不全是体液,而血浆则属于体液中的细胞外液。血浆蛋白一般位于血浆内,是内环境中的成分,而血红蛋白位于红细胞内,它不属于内环境的成分。

2.组织水肿及其产生原因分析。

组织间隙中积聚的组织液过多将导致组织水肿,其引发原因如下:

考点(三)细胞外液的理化性质

对此考点的具体要求是能分析细胞外液的理化特性及成因。

1.渗透压:溶液中溶质微粒对水的吸引力。渗透压的大小取决于溶液中溶质微粒的数目,具体如下表:

血浆渗透压的大小主要与无机盐和蛋白质的含量有关。细胞外液渗透压的90%以上来源于Na+和Cl-。

2.酸碱度:正常人血 浆接近中 性,pH为7.35~ 7.45。维持因 素是缓冲 对,如H2CO3/NaHCO3、NaH2PO4/Na2HPO4 等。

3.温度:人体细胞外液的温度一般维持在37℃左右。人体内酶的最适温度也是37℃左右。温度过高或过低都会影响酶的活性,从而影响人体的新陈代谢。

典例4.在抗震救灾中,发现有些在废墟下由于肌肉受到挤压导致局部组织坏死但仍保持清醒的幸存者,当移开重物被救出后,却因肌肉大量释放的肌红素、钾等物质迅速进入血液,结果造成人压着没事,救出来后最终因心、肾功能衰竭而不幸去世的情况。下列与 之有关的 叙述,错误的是()

A.在移开重物前,应先为伤者静脉滴注生理盐水,使血液中的有害物质随尿液排出

B.有些刚被救的伤者,其内环境稳态已经遭到破坏,影响了正常的生命活动

C.因严重缺水,幸存者体内抗利尿激素分泌增多,尿量减少

D.心、肾功能衰竭是由于幸存者血浆渗透压过低所致

解析:渗透压是溶液中溶质分子对水的吸引力,渗透压的大小取决于单位体积溶液中溶质颗粒的数量,它与溶液中溶质的物质的量浓度有关。废墟下的个体因严重缺水,幸存者体内血浆渗透压增加。

答案:D

【深化拓展】

影响细胞外液渗透 压的因素 比较见下 表(以血浆为例)。

考点(四)内环境是细胞与外界环境进行物质交换的媒介

对此考点的具体要求是建构人体细胞与外界环境的物质交换模型。

细胞通过内环境不断从外界环境中获取所需要的物质,同时又不断排出代谢产生的废物,从而维持正常的生命活动,因此内环境是体内细胞与外界环境进行物质交换的媒介。内环境的“内”是相对的,从细胞角度看就是细胞外液;对人体的外界环境而言,细胞外液就是内环境,因此,内环境是联系细胞与外界环境 的桥梁。这个过程可用下列模型表示:

典例5.下图表示人体内的细胞与外界环境之间进行物质交换的过程,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ表示能直接与内环 境进行物 质交换的 四种器官,1234是有关的生理过程,下列说法错误的是()

A.从图示信息可得出内环境是细胞与外界环境进行物质交换的媒介

B.细胞代谢产物都通过途径2排出体外

C.图中Ⅰ是消化系统,Ⅱ是呼吸系统

D.皮肤细胞 不能直接 与外界进 行物质交换

解析:从图示信息可以看出,图中甲是内环境,体外物质必须通过内环境才能进入细胞,细胞代谢产物也只有通过内环境后,再通过呼吸系统(Ⅱ)以及过程2和4才能排出体外,所以内环境是细胞与外界环境进行物质交换的媒介。图中Ⅰ为消化系统,Ⅱ是呼吸系统。皮肤细胞也只有通过内环境才能与外界进行物质交换。

答案:B

考点(五)内环境的稳态

对此考点的具体要求是举例说明内环境的稳态,理解内环境稳态的概念。

1.内环境的动态变化。

(1)原因:随着外界环境因素的变化和体内细胞代谢活动的进行,内环境的各种化学成分和理化性质在不断地发生变化。

(2)一般情况 下,正常人体 内血浆pH为7.35~7.45,体内温度接近37℃,血糖浓度正常范围为0.8~1.2g/L等,可见内环境稳态是一种动态的稳态,而不是恒定的状态。

2.稳态的概念。

正常机体通过调节作用,使各个器官、系统协调活动,共同维持内环境的相对稳定的状态叫做稳态。

典例6.下列现象属于内环境稳态失调的是()

A.寒冷时骨骼肌不自主战栗

B.胰岛B细胞受损出现尿糖

C.剧烈运动后,人体血液pH由7.42下降到7.38

D.饮水不足时,抗利尿激素释放增加

解析:寒冷时,骨骼肌通过不自主战栗增加产热,维持内环境的稳态。胰岛B细胞受损导致血糖升高,从而出现尿糖,人体血糖平衡被破坏,属于内环境稳态失调。人体血液pH的变化范围是7.35~7.45,因此人体 血液pH由7.42下降到7.38,处于血液pH的变化范围之内。当饮水不足时,抗利尿激素释放增加,从而促进对水的重吸收,以维持体内水盐平衡。

答案:B

【方法技巧】

稳态中的几个常用数值见下表。

考点(六)稳态的调节机制

对此考点的具体要求是阐明内环境稳态的调节机制。

1.维持内环境稳态的基础。

人体各器官、系统协调一致地正常运行,是维持内环境稳态的基础。

2.内环境作为细胞与外界环境间的媒介,与体内各系统间发生密不可分的功能联系,直接参与和内环境进行物质交换的系统有四个:消化系统、呼吸系统、循环系统和泌尿系统。如下图:

典例7.下列有关人体内环境稳态的叙述不正确的是()

A.当内环境的稳态遭到破坏时,必将引起细胞代谢紊乱

B.在正常情况下,内环境的各项理化性质是保持不变的

C.人体内环境 稳态的实 现需要消 化、循环、呼吸等系统的共同参与

D.神经—体液—免疫调 节网络是 机体维持稳态的主要调节机制

解析:内环境稳态是新陈代谢正常进行的必要条件,内环境稳态受到破坏时,细胞代谢会发生紊乱。正常情况下,内环境的成分及理化性质会保持动态平衡。人体内环境稳态的实现需要消化系统、循环系统、呼吸系统、泌尿系统、神经系统、内分泌系统等共同参与。目前普遍认为,神经—体液—免疫调节是机体维持内环境稳态的主要调节机制。

答案:B

【深化拓展】

维持稳态的调节机制:

最初推测:法国生理学家贝尔纳曾推测,内环境的恒定主要依赖于神经系统的调节。

经典解释:内环境稳态是在神经调节和体液调节的共同作用下,通过机体各种器官、系统分工合作、协调统一而实现的。

现代观点:内环境稳态的调节是一种反馈调节,神经—体液—免疫调节网络是机体维持稳态的主要调节机制。

考点(七)内环境稳态的重要意义

对此考点的具体要求是举例说明内环境稳态的重要意义,关注内环境稳态与健康的关系。

内环境稳态是机体进行正常生命活动的必要条件,因为新陈代谢过程发生许多复杂的酶促反应,而酶促反应要求的理化条件是比较严格的。适宜的温度、酸碱度和某些离子浓度是酶正常发挥催化作用的基本条件;渗透压是维持组织细胞结构与功能的重要因素;正常的血糖浓度和血氧含量是供给机体所需能量的重要保障。所以只有体内有一个相对稳 定的内环境,才能使细胞少受甚至不受外环境变化的干扰而保持其正常的生理活动,进而更好地适应变化较大的外环境。

典例8.人体稳态的调节能力是有一定限度的。下列现 象属于内 环境稳态 失调的是()

A.人体饥饿时,肝糖原分解为葡萄糖进入血液

B.从平原到高原,有的人出现肺水肿症状

C.接受抗原刺 激后,B淋巴细胞 增殖和分化

D.环境温度下 降,导致甲状 腺激素分 泌增加

解析:内环境稳态失调即为超出个体的自我调节能力,呈现出病态或不正常状态。A项指饥饿时,血糖大量消耗,肝细胞又能把肝糖原分解为葡萄糖进入血液,从而升高血糖溶度,属于机体的正常调节。C项是机体在体液免疫过程中,对入侵机体的抗原进行的特异性免疫过程,是免疫系统的正常应答。D项指寒冷时甲状腺激素分泌增加,提高细胞的代谢水平,增加产热量,维持体温恒定,也是一种正常 性的调节。B项从平原进入高原后,氧气浓度下降,造成组成内环境的成分紊乱,出现肺水肿现象,属于内环境稳态失调。

答案:B

【深化拓展】

1.稳态的实质。

稳态是指内环境中的化学成分和理化性质处于一种相对稳定的状态,内环境保持动态的平衡。

2.人体维持稳态的调节能力。

人体维持内环境稳态是有一定限度的,当外界环境的变化过于剧烈,或人体自身的调节功能出现障碍时,内环境稳态就会遭到破坏。

3.内环境稳态重要性的理解。

正常情况下,人体的内环境总是处于稳定状态的。内环境的稳态一旦失衡,就会导致细胞代谢的紊乱和某些生理活动出现障碍,严重时会危及生命。如:

(1)当患肠胃炎时,我们常常感到 四肢无力,其原因是体内丢失了大量的无机盐,使无机盐的平衡遭到破坏。由于肠胃炎导致消化道对无机盐的吸收能力减弱,因此需要输液来补充无机盐,维持无机盐的平衡。

(2)当我们较长时间没有进食而感到饥饿时,或当我们由蹲位突然站立时,常感到四肢无力、头晕、眼花,这是由于低血糖引起的。较长时间没有进食,血糖来源缺乏,血糖浓度降低。由蹲位突然站立,大脑供血量减少,葡萄糖供应不足,大脑得不到足够的能量而引起头晕。

(3)当我们感冒发烧时,会出现食欲不振、四肢无力等症状。这是由于体温升高,影响了消化酶等各类酶的催化功能,导致消化不良和其他代谢活动的紊乱。

考点(八)实验———生物体维持pH稳定的机制

对此考点的具体要求是尝试解释生物维持pH稳定的机制。

实验原理:通过向自来水、缓冲液、生物材料中加入酸或碱溶液引起的pH变化,定性说明人体内液体环境与缓冲液相似而不同于自来水,从而说明生物体维持pH相对稳定的机制。

实验结论:生物体pH稳定的机制为生物材料中含 有H2CO3/NaHCO3,NaH2PO4/Na2HPO4 等缓冲对,它们能够对酸碱度的变化起到缓冲作用。

典例9.稳态是机体进行正常新陈代谢等生命活动的必要条件,稳态的维持需 要调节。请完成下列与稳态调节有关的实验问题:

(1)为了验证血浆中的无机盐浓度对红细胞形态的影响,现提供加入柠檬酸钠溶液的活鸡血、生理盐水、10%的NaCl溶液、蒸馏水、试管、滴管、显微操作器材等,请写出实验方法步骤,并预期结果。

A.方法步骤:

1取3支试管,编号甲、乙、丙,分别加入生理盐水、10%的NaCI溶液、蒸馏水各2mL;

2 ______________;

3 ______________;

4 ______________。

B.预期结果:______________。

(2)为了研究血浆能否维持pH稳定,某同学将血浆等量分装到2支洁净的试管甲、乙中,分别测定pH值并记录,再向甲管中滴1滴5%的盐酸溶液,乙管中滴1滴1% 的氢氧化钠溶液,振荡1min,再分别测定pH值并记录。

1试评价并完善此方案:______________。

2有同学猜想血浆 通过缓冲 作用来维 持pH的相对稳定,他获得相关证据的实验思 路是:______。

解析:设计实验步骤时要遵循对照和单一变量的基本原则,所以首先应该分组、编号(如:甲、乙、丙),在取用实验材料和设计步骤的时候要注意“三等”———等量、等浓度、等条件。其中等条件是指除了实验因素外其他条件都相等,保证单一变量。

答案:(1)A.2在3支试管中分别滴入1滴活鸡血细胞液,振荡摇匀,放置5min3分别取3支试管内的混合液各1滴置于3张洁净的载玻片上(编号),做成临时装片4显微镜检查红细胞的形态,并记录结果B.生理盐水中的红细胞保持正常形态;10% 的NaCl溶液中的红细胞皱缩;蒸馏水中的红细胞破裂

(2)1缺少对照。应再增设两个蒸馏水对照组,处理方法同甲、乙两组2增设两个缓冲液对照组,处理方法同甲、乙两组

【深化拓展】

血液对稳态的维持具有重要作用:

1.机体细胞直接与组织液进行物质交换,但由于组织液的流动范围有限,因此必须依靠血液在组织液与各内脏器官之间运输各种物质,然后才能通 过各内脏 器官的活 动来维持稳态。

2.血液对内环境理化性质的变化具有一定的“缓冲”作用,如缓冲对 可减轻代 谢引起的pH的变化;血液比热大,可以吸收大量的热而不使温度升得过高。

3.血液可以反映内环境理化性质的微小变化,这些变化可以直接刺激血管壁中的有关感受器(如颈动脉化学感受器),或者间接刺激中枢神经系统内的感受器(如下丘脑中感受温度、渗透压改变的感受器),为维持稳态的调节系统提供必要的信息。

三、跟踪训练

1.图1表示人体中部分体液的关系,则下列叙述不正确的是()

A.过程2、6受阻时,会引起组织水肿

B.乙表示组织液,丁表示血细胞内液

C.T细胞、B细胞可以存在于甲和丙中

D.丁中O2浓度不可能比甲中的高

2.下列关于人 体内环境 的叙述,错误的是()

A.抗原与抗体的特异性结合发生在内环境中

B.内环境成分中含有CO2、尿素、神经递质等

C.组织液渗回血浆和渗入淋巴的量相差较大

D.血浆的成分稳定时,机体达到稳态

3.图2为人体体液物质交换示意图,下列叙述不正确的是()

A.神经递质可以存在于2中

B.1与24相比含有较多的蛋白质

C.123依次为淋巴、血浆、组织液

D.人体散失水分过多会导致大脑皮层产生渴觉

4.关于动物内 环 境 稳 态 的 叙 述,错 误 的是()

A.血浆渗透压与蛋白质含量有关,与无机盐离子含量无关

B.血浆pH稳定与血 浆中的HCO^{3、HPO24等离子有关}

C.细胞内外的Na+、K+分布不平衡状态是通过消耗能量来维持的

D.若内环境稳态不能维持,机体的生命就会受到威胁

5.(2014·海南卷)根据内环境及其稳态的知识,回答下列问题:

(1)某奶牛场为提高产奶量,给奶牛喂了大量的某种精饲料后,奶牛瘤胃发酵产酸过多,引起机体血液pH低于正常值,且难以恢复到正常水平。产酸过多 使pH难以恢复 的原因是______。pH低于正常 值会引起 酸中毒,为了避免这 一问题,可以在饲 料中添加 起______作用的物 质,以利于奶 牛内环境 的pH维持在正 常水平。机 体的内环 境是指______,主要包括血浆、______、______。

(2)环境的剧烈变化或惊吓会导致奶牛机体内某些激素水平的变化,从而使产奶量下降,在这个过程中机 体的调节 方式包括______调节。

6.人体血液中的 O2与 血 红 蛋 白 (Hb)结合,以氧合血红蛋白形式在血液中运输;大部分CO2 在血浆中以HCO^{3的方式运输,如图3所示,据图回答问题:}

(1)血浆中CO2主要来自_______(生理过程)。

(2)CO2进入红细 胞后,HCO^{3数量_______。根据细胞特点和HCO3的含量,可推测HCO3进入血浆的方式为_______,这表明细胞膜具有_______性。}

(3)生成的H+与血红蛋白结合,引起血红蛋白的_______发生改变,促进O2释放并扩散到_______中,供组织细胞吸收和利用。

(4)由于红细 胞内_______被消耗 和_______的进入,使细胞内渗透压升高,导致血浆中的水分子进入细胞。

参考答案

1.解析:据图分析,乙表示组织液,甲表示血浆,丙表示淋巴液,丁表示血细胞内液。当过程2、6受阻时,组织液中液体不能进入血浆和淋巴,积聚过多引起组织水肿。组织液可进入淋巴,淋巴不能进入组织液,但淋巴可 进入血浆,故淋巴细胞可存在于淋巴和血浆中。O2由红细胞运输,当丁表示红细胞时,丁中O2浓度比甲中的高。

答案:D

2.解析:抗原与抗体的结合主要发生在血清中,A项正确。血浆 中含有CO2、尿素等物质,组织液中含有神经递质等物质,B项正确。组织液渗回血浆的量很大,但组织液渗回淋巴的量较少,C项正确。内环境的稳态不仅仅是血浆化学成分的稳定,还包括内环境中化学成分和理化性质的相对稳定,D项错误。

答案:D

3.解析:本题考查人体体液物质交换的知识。124依次为血浆、组织液、淋巴,3为细胞内液。血浆与组织液、淋巴相比含有较多的蛋白质。神经递质可以存在于组织液中。

答案:C

4.解析:血浆渗透压的大小主要与无机盐、蛋白质的含量有关。血浆的pH之所以能够保持稳定,与它含有HCO^{3、HPO24等离子有关。Na+、K+进出细胞的方式为主动运输,需要借助载体并消耗能量。}

答案:A

5.解析:(1)pH过低,导致相关酶的空 间结构遭到破坏,使酶失活;为了除掉过多的酸性物质,可以在饲料中加入碱性物质,与酸性物质发生中和反应,维持pH的稳定。内环境是由细胞外液组成,主要包括血浆、组织液和淋巴。(2)受到惊吓时,肾上腺素分泌增多,该过程是神经调节,同时,肾上腺素发挥作用,调节生命活动属于体液调节。

答案:(1)pH过低,导致相关酶的空间 结构遭到破坏,使酶失活(合理即可)中和人体内细胞生存的液体环境组织液 淋巴

(2)神经和体液

6.解析:(1)血浆中CO2主要来自于有氧呼吸。(2)据图,HCO^{3来自H2CO3 的分解,所以CO2进入红细胞后,HCO3数量增加。再根据细胞内外HCO3的浓度,可知其跨膜方式为协助扩散,表明细胞 膜具有选 择透过性。(3)Cl-与血红蛋白结合,导致血红蛋白空间结构改变,促进O2释放并扩散至血浆,进而进入组织液。(4)据图可知,由于水分子的消耗 和Cl-的进入,红细胞内渗透压升高。}

答案:(1)细胞的呼吸作用(有氧呼吸、细胞呼吸) (2)增加协 助扩散 选择透过

内环境与稳态教学设计 第5篇

华中师大一附中

汪红兵

●教学目标 知识目标

理解：1.理解内环境概念的内涵和外延，并能解释和说明其意义。2.理解内环境稳态的概念及其生理意义，并且能够解析一些实例。能力目标

1.图形辨析能力、图形和文字信息的转换能力。2.基本的绘图能力。3.一定分析综合能力。情感目标

1.整体和局部的关系。

2.善待自然、珍爱生命的意志品质。3.事物都是对立统一及相互联系的观点。●重点·落实方案

重点

稳态的概念和生理意义。

落实方案

1.精讲实例缓冲物质对pH的调节过程，说明pH对内环境稳态的影响。2.结合新陈代谢中酶促反应的条件与实例归纳出内环境稳态的生理意义。●难点·突破策略

难点

稳态的概念。

突破策略

1.播放微课件直观显示内环境的动态变化过程，理解内环境组成成分之间的相互关系。2.补充直接维持内环境稳态的四大系统的有关内容，使学生在宏观上掌握内环境稳态的基本原理。

●教具准备

微课件、投影片、试管、血浆、蒸馏水、1％的盐酸、pH试纸等。

●学法指导

1.指导学生预习。寻找相关疑点。

2.指导学生思考。根据预习情况对提出的疑点寻找思考线索。3.回忆人体的四个系统的知识。●教法建议 1.谈话法。2.讨论法。3.实验法。●课时安排 一课时

●教学过程

［导课］

细胞是如何与外界环境进行物质交换的？我们知道单细胞动物如草履虫等在其生活过程中，可以和它生存的环境直接进行物质交换。那么人体的体内细胞，是如何与外界环境进行物质交换的呢？

［教学目标达成］

一、内环境

学生阅读：内环境的内容。

教师演示：微课件（体内细胞与内环境之间物质交换的动态过程）学生思考：（1）环境概念中“内”“外”的含义。（2）淋巴的形成过程。

师生总结：内环境的概念和组成。

学生活动：用箭头连线的方式，将内环境中组织细胞、组织液、血浆和淋巴的关系表示出来。

师生总结：由此可见，组织细胞可以直接与内环境进行物质交换。教师提问：内环境中的营养物质又是怎样获得的？（多媒体课件展示）

学生分析，归纳：内环境是体内细胞与外界环境间接地进行物质交换的场所。体内的细胞只有通过内环境，才能与外界环境进行物质交换。

教师指点：内环境是体内细胞生存的直接环境，细胞与内环境、内环境与外界环境之间不断进行物质交换，因此，细胞的代谢活动以及外界环境的不断变化，必然会影响内环境的理化性质。那么，内环境的理化性质会不会发生剧烈的变化呢？这就是我们要讨论的第二个问题。

二、内环境的稳态

学生阅读：内环境的稳态的内容。投影片：（1）影响血液理化性质的主要因素有哪些？（2）正常人血液的pH是多少？

（3）调节血液pH处于正常范围的方式是什么？ 学生阅读后,回答：（1）主要因素有pH、渗透压、温度等。（2）正常人血液的pH为7.35～7.45。（3）缓冲物质（缓冲对）的缓冲作用。下面以内环境的pH为例来说明

学生探究性实验：1.用加了抗凝血剂（柠檬酸钠）的血浆为实验材料，取两只洁净的试管，甲试管中加入2 mL血浆，乙试管中加入等量的蒸馏水，分别用pH试纸测试，并进行比较。

2.在两支试管中分别加入一滴质量分数为1％的盐酸溶液，分别用pH试纸测试，并进行比较。

讨论：请部分学生将其实验结果在投影仪上展示，并分析实验现象。

例如：人在剧烈运动时，肌肉组织中会产生大量的乳酸，碳酸等物质，当这些酸性物质进入血液后，血液的pH将发生什么变化？（多媒体展示）

师生总结：不会发生太大的变化。因为当乳酸进入血液后，乳酸就会与NaHCO3发生反应，生成乳酸钠和H2CO3，H2CO3是一种弱酸且不稳定，很容易分解成二氧化碳和水，所以对血液的pH影响不大。血液中增多的二氧化碳会刺激控制呼吸活动的神经中枢，促使呼吸运动增强，增加通气量，从而将血液中过多的二氧化碳排出体外。如果有过多的Na2CO3发生反应，生成NaHCO3，过多的NaHCO3可以从肾脏排出体外。

教师总结：由于血液中缓冲物质的调节作用，可以使血液的酸碱度不会发生剧烈的变化，从而维持在相对稳定的状态。内环境的其他理化性质，如温度、渗透压、各种化学物质的含量等，也都能够保持在一个相对稳定的状态，通过实验、实例的分析，我们归纳出稳态的概念。稳态是正常机体在神经和体液调节下，通过各器官系统协调运动，共同维持内环境的相对稳定状态。

稳态在生命活动中有什么生理意义呢？

三、稳态的生理意义

教师讲解：稳态是机体进行正常生命活动的必要条件。如内环境的稳态遭到破坏，就会引起代谢紊乱，并可导致疾病。

教师投影：(1)人的体温升高时为什么会患病？

(2)当血液中钙的含量过低或过高时，会引发什么现象？(3)体内的尿素和无机盐过多时将会导致什么样的后果？ 学生回答：(1)酶促反应受阻，代谢紊乱。

(2)血钙过低影响骨发育，血钙过高则引起肌无力等症状。(3)引起尿毒症等疾病。［教学目标巩固］

1.在下列物质中，不属于人体内环境组成成分的是 A.血红蛋白

B.葡萄糖

C.二氧化碳和氧

D.氨基酸

分析：内环境指的是细胞外液，不包括细胞内液，血红蛋白是红细胞内的一种含铁的蛋白质，它不可能是内环境的成分。

答案：A 2.人在静脉注射时所用的生理盐水的浓度必须与血浆浓度基本相同，其原因是

A.维持内环境渗透压的稳定 B.使体内增加水分

C.使体内增加无机盐

D.使体内营养物质保持稳定

分析：人的内环境必须保持稳态，机体才能进行正常代谢。注射入人体内的生理盐水与血浆浓度相同，使血液保持正常的渗透压，维持了细胞的生活环境稳定，否则，就会引起细胞失水变形或吸水破裂，影响人体健康甚至危及生命。

答案：A 3.人体发生花粉等过敏反应时，由于毛细血管壁的通透性增加，血浆蛋白渗出，会造成局部

A.血浆量增加

B.组织液减少

C.组织液增加

D.淋巴减少

分析：毛细血管壁正常情况下，只允许水、葡萄糖、无机盐等小分子进出，进入细胞间隙，形成组织液。但当毛细血管壁受过敏反应的影响通透性增加时，原来应留在血管中的血液大分子蛋白质也能透出细胞间隙，组织液的浓度就会增加，渗透压提高，水渗出增多，导致组织液有所增加。

答案：C 4.下列各项中不影响内环境稳定的因素是

A.pH

B.渗透压

C.酶

D.温度

分析：影响内环境稳态的因素主要有pH、渗透压和温度及各种化学物质的含量。答案： C 5.维持血液pH恒定的缓冲物质是

A.强酸和相应的强碱盐

B.强酸和相应的弱碱盐 C.弱酸和相应的强碱盐

D.弱酸和相应的弱碱盐

分析：血液中的每对缓冲物质都是由一种弱酸和相应的强碱盐组成的，如H2CO3/NaHCO3、NaH2PO4／Na2HPO4等。

答案：C ［布置作业］ 复习题一、二。●板书设计

水和无机盐的平衡与调节

华中师大一附中 汪红兵 教材分析

《人体生命活动的调节及营养和兔疫》的知识在初中生物课和高中生物必修课中均有涉及，本章的内容是在此基础上的进一步深入，它主要从内环境的稳态、营养与健康、兔疫机制等方面进行论述。

《人体的稳态》、《人体营养与健康》和《兔疫》这三节内容在知识上并没有直接的联系，但是它们都与人体健康密切相关，本章正是通过这条主线，结合人们的日常生活，将它们有机地联系在一起，使学生不仅更加深入了解了有关人体健康的知识，而且为学生在实际生活中运用这些知识打下良好的基础。

本章涉及的“稳态”、“调节”和“免疫”的内容相对抽象，这里有分子水平的物质基础，有细胞水平的结构知识，还有个体水平上的调控和表现，因此在教与学两方面都有一定的难度。

本章内容与生产、生活实际结合紧密，也容易与理、化的相关知识相互渗透，因此这部分内容还是对学生进行STS教育，培养学生思维综合能力的良好素材。

本章作为选修教材的第一章，在全书中起着基础性的作用。

教学目标 1．知识方面

（1）水和无机盐的平衡（理解）；

（2）水和无机盐平衡的调节（理解）；

（3）水和无机盐平衡的意义（理解）。2．态度观念方面

（1）增强学生自我保健的意识，逐渐养成良好的生活习惯；

（2）帮助学生树立局部与整体对立统一的辩证唯物主义观点；

（3）培养学生理论联系实际、学以致用的学习意识。3．能力方面

（1）培养学生观察、分析、判断的思维能力；

（2）培养学生识别、理解图表信息的能力；

（3）培养学生运用本节知识解释和说明日常生活中一些实际问题的能力。

重点、难点分析

1．重点：水和无机盐的平衡和调节。2．难点：水和无机盐平衡的调节。3．分析：稳态是一个在生理学中涉及范围比较广的概念，通过高中生物必修教材的学习，学生已经了解了稳态的概念，已经了解了它的温度、渗透压和pH等理化性质都维持在一个相对稳定的状态。本节课在此基础上进一步引申：内环境的渗透压是如何维持稳态的呢？一个重要条件就是内环境中水和无机盐的含量必须稳定。因此，通过分析使学生理解人体内水和无机盐通过生命活动的调节其含量是稳定的，对于深入理解内环境的稳态具有重要意义。因此，“水和无机盐的平衡和调节”是本节的重点。

通过前面的学习，学生还知道人体生命活动调节的基本方式是神经调节和体液调节。神经调节的基本方式是反射，其结构基础是反射弧；而体液调节主要又依靠体液中的各种激素进行调节。具体人体内的水和无机盐是如何经过生命活动调节达到平衡的呢？这部分内容既是本节的重点，又是一个难点。“水和无机盐平衡的调节”作为生命活动调节的一部分，依旧要靠神经调节和体液调节。本节的主要内容就是要分析出完成水和无机盐平衡调节的具体激素是什么，完成神经反射调节的具体反射弧是什么，具体刺激又是什么，由于激素调节涉及到尿的形成等有关初中生物的知识，神经调节涉及到的反射弧比较复杂，因此水和无机盐平衡的调节，是本节的难点。

教学模式

问题——探究式。

教学手段

1．实物投影仪：展示相关的问题、图表和信息资料，创设探究的情境； 2．挂图、板图：加强教学的直观性；

3．设计出与教学内容相关的课件：辅助教学，增强教学的形象性。

课时安排 一课时。

设计思路

“水和无机盐的平衡和调节”这部分内容与人体健康密切相关，与学生的生活实际紧密相联。因此，本节课的课堂教学设计突出以人为本的思想，突出健康生活的主体，充分利用学生自身的生理现象，充分利用学生已有的知识和生活经历，经过教师的精心设疑，引导学生分析有关水和无机盐平衡和调节的问题，引导学生从宏观到微观逐步深入地去探究生命活动的本质和规律。

“内环境”、“内环境稳态”和“渗透压”都是学生已熟悉的概念，因此通过分析内环境渗透压的稳态很容易引出内环境这一溶液中溶剂——水的含量应该是平衡的，溶质——无机盐等化学物质的含量也应该是平衡的，具体通过哪些来源和去路来保持水和无机盐的平衡？这部分内容可以通过教师提出问题，学生结合自身的生活实际，分析讨论，自己总结出来。“水和无机盐平衡的调节”这一重点和难点内容，可先从学生更熟悉的水平衡的调节开始，引导学生分析为什么“喝水多的时候，尿就会多；喝水少的时候，尿就会少”？通过层层设问，诱发学生思考：是什么刺激导致渗透压感受器兴奋？调节水平衡的神经中枢和效应器分别是什么？效应器释放出的激素名称及作用是什么？等等问题，然后通过与教学内容相关的课件，辅助教学过程，形象直观地展示生命活动的调节过程，给学生留下深刻生动的印象。关于无机盐平衡的调节，首先教师提出思考问题，学生带着问题观察与教学内容相关的课件、阅读教材、分析图表、小组讨论，最后总结出无机盐平衡也是受神经和激素的调节，主要通过肾脏完成。

“水和无机盐平衡的意义”这部分内容可以采取自学，讨论的方式，由学生自己总结出来，并通过对生产、生活中有关的实际问题做出解释和说明作为对本节课教学效果的反馈。

教学过程

（一）水和无机盐的平衡和调节 1、水的平衡和调节

“+”表示促进 “－”表示抑制

2、无机盐的平衡和调节

（1）Na+

（2）Ka+

（3）无机盐的平衡调节：如下图、水和无机盐平衡的意义

对于维持人体稳态起非常重要的作用，是人体各种生命活动正常进行的必要条件。

二、重难点知识归纳及总结

肾脏在维持水和无机盐平衡中的作用。

“稳态与环境”模块 第6篇

苏教版必修3《稳态与环境》 (2009年, 第5版) 14页图2-3人体体温调节示意图 (如图1)

图解表明在体温调节过程中, 下丘脑可通过下丘脑—垂体—肾上腺系统调节肾上腺合成、分泌肾上腺素, 进而调节人体的产热过程。通过翻阅相关资料, 发现这一图解存在值得商榷的地方。

根据吴相钰主编的《普通生物学》和左明雪主编的《人体解剖生理学》等相关资料表明:

人体在体温调节机制下, 通过调节产热和散热途径, 使体温维持在相对稳定的水平。体温调节的中枢位于下丘脑;产热的主要器官是肝脏和骨骼肌。在寒冷刺激下, 机体一方面通过骨骼肌的战栗 (神经调节) 大量增加产热;另一方面在激素 (主要是甲状腺激素和肾上腺素) 刺激下, 肝脏等器官的代谢活动增强, 产热也大量增加。

下丘脑可通过内脏神经系统 (交感神经和副交感神经) 调节循环、呼吸、内分泌腺 (如肾上腺、胰岛等) 等相关器官的生理活动;另一方面下丘脑还能分泌促激素释放激素 (包括促肾上腺皮质激素释放激素、促甲状腺激素释放激素、促性腺激素释放激素) 通过垂体调控对应内分泌腺的活动。垂体通过分泌促激素 (包括促肾上腺皮质激素、促甲状腺激素、促性腺激素即卵泡刺激素和黄体生成素) 调控对应内分泌腺的功能。

甲状腺能分泌甲状腺激素 (包括甲状腺素和三碘甲腺原氨酸) 。甲状腺激素的作用遍及全身所有器官, 主要作用是促进物质代谢与能量的转换, 促进生长发育的过程。甲状腺的分泌活动主要受下丘脑—垂体—甲状腺系统的调节控制。

肾上腺分为肾上腺皮质和肾上腺髓质两大部分。肾上腺皮质主要分泌糖皮质激素和盐皮质激素, 调节人体糖代谢和水、盐代谢的平衡;肾上腺皮质的分泌主要受下丘脑—腺垂体—肾上腺皮质系统的调节控制。肾上腺髓质主要分泌肾上腺素和去甲肾上腺素, 肾上腺素可使血压上升;呼吸加快、加深;加速肝糖原和脂肪的分解, 提高血糖和游离脂肪酸水平, 葡萄糖和脂肪酸的氧化分解加强。在肾上腺素的作用下, 成人的代谢率可提高30%。寒冷、缺氧、情绪激动及低血糖刺激都可促使肾上腺素的分泌大大增加, 所有这些刺激都要经过下丘脑神经中枢和交感神经支配起作用。

从上述内容不难看出下丘脑是通过下丘脑—垂体—甲状腺系统调节甲状腺的分泌活动;通过下丘脑—腺垂体—肾上腺皮质系统调控肾上腺皮质的分泌活动;通过交感神经—肾上腺系统调节肾上腺髓质的分泌活动。

因此书中有关体温调节的示意图最好修改为:下丘脑体温调节中枢通过交感神经直接控制肾上腺对肾上腺素的分泌活动 (如图2) 进而提高人体的代谢水平;

或者是下丘脑通过垂体控制甲状腺对甲状腺激素的分泌活动 (如图3) 进而提高人体的代谢水平。

参考文献

[1]吴相钰.普通生物学.第2版.北京:高等教育出版社.2005

“稳态与环境”模块 第7篇

直流系统由于在新能源消纳、直流负荷接入、提高供电可靠性等方面优势突出而具有广阔的应用前景[1,2]。尤其是基于模块化多电平换流器(Modular multi-level converter,MMC)的直流系统，因为能够有效克服传统直流输电换相失败、无功需求大[3]，以及两电平VSC型直流系统适用电压等级低、电能质量差等问题[4]，而成为目前电力系统领域应用、研究的热点。

直流故障特性分析是MMC型直流系统保护方案设计、设备选型、电网规划的理论基础[5]。其中，两极短路是危害最为严重的故障类型，针对其故障特征，相关文献已经进行了卓有成效的理论研究[6,7,8,9,10,11]。以换流站闭锁为依据，可以将两极短路故障过程划分为换流站闭锁前阶段、换流站闭锁后初始阶段以及不控整流稳态运行阶段。

换流站闭锁以前故障电流主要由子模块电容放电和交流侧电源馈流组成，其中前者占主导部分，因此可以等效成RLC二阶放电回路[9]。该阶段内故障电流快速上升、直流电压迅速跌落，所以能够快速检测到故障的发生从而闭锁换流站。

换流站闭锁后初期，直流电流主要为桥臂电抗续电流，呈衰减特性。同时，由于桥臂电抗续流使续流二极管一直导通，因此不对交流侧电源体现出单向导通性，此时交流侧相当于三相短路。

现有文献均只对换流站闭锁前及闭锁后初期两个阶段的暂态过程进行了理论计算[10,11]，而不控整流稳态运行阶段的电流、电压响应特征计算方法则尚不明确。事实上，不控整流稳态运行阶段交直流侧的过电流水平对电网规划、交直流系统保护配置、设备选型等具有重要意义[12]。尤其是当故障后换流站能够实现快速闭锁时，能够使闭锁前的过电流得到有效限制，同时闭锁后初始阶段的特征将不再存在，而是直接过渡进入不控整流稳态运行阶段。此时直流系统交直流侧以及换流器桥臂过流峰值将主要由不控整流稳态运行阶段的过电流水平决定，因此需对该阶段的故障响应特性进行精确的理论计算[13]。

但是，在MMC换流器中各个桥臂存在桥臂电抗器，其主要作用为限制故障电流、实现能量传递[14]。由于桥臂电抗的存在，两极短路故障不控整流稳态运行阶段将会存在严重的换相重叠角，且该重叠角一般大于π/3，因此传统不控整流桥的计算方法将无法适用于精确计算该阶段的过电流。文献[15]分析了不同的交流侧电抗值导致不同换相重叠角时的不控整流响应特性，但是MMC电抗存在于换流器桥臂中，其响应特性求解方法将有所不同。因此，本文将重点对两极短路故障不控整流稳态运行阶段的响应特征进行详细的理论分析，提出两极短路故障不控整流稳态运行阶段交流侧、直流侧以及桥臂电流的数学计算方法。并在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建MMC-HVDC系统，通过相应的仿真试验验证理论计算的精确性。为柔性直流系统交直流侧保护配置、设备选型及电网规划提供理论依据。

1两极短路稳态特性分析

MMC系统两极短路故障不控整流稳态运行阶段的等效电路如图1所示，其中本文定义各桥臂电流正方向为从交流侧流向换流器方向，且认为不控整流阶段直流侧电流为恒定不变的直流量。图1中，D1、D3、D5为共阴极组二极管，D2、D4、D6称为共阳极组二极管。ea、eb、ec分别为交流三相相电压，其中设A相电压为ea=Esinωt;Ls为桥臂电感(忽略桥臂电阻)；Rd、Ld分别代表直流线路的等效电阻及电感。分析时由于各桥臂对称，因此本文仅以A相上桥臂电流i1为例进行求解，其他桥臂均可类比。

此外，本文定义换相重叠角γ为换相二极管开始导通至被换相二极管完全关断所持续的电角度。换相重叠角不同，不控整流运行响应特性就会有所不同，因此需对不同换相重叠角情况分别进行求解。同时，对于重叠角小于π/3的情况，相关分析计算已经较为成熟，且一般情况下MMC两极短路故障不控整流阶段换相重叠角大于π/3，本文不再对该情况进行单独分析。

1.1π/3≤γ<2π/3

当换相重叠角γ处于π/3～2π/3时，对于图1所示的三相不控整流电路，其工作情况将是三个桥臂导通和四个桥臂导通交替出现的情况，如图2所示(以桥臂5向桥臂1换相为例)。

1)四个桥臂导通

根据不控整流自然换相原理可知在D1导通前，三相不控整流电路中D4、D5、D6导通，因此当交流相电压开始满足ea>up，即ea>ec时，桥臂5开始向桥臂1换相。由于桥臂电感的存在使得桥臂电流不能突变，因此可得到桥臂1电流求解的初始条件：ωt=π/6时，i1=0，其中i1代表桥臂1的电流。此后该桥臂电流将逐渐上升，等效的三相不控整流电路将进入D1、D4、D5、D6同时导通的情况。由于下一阶段D4将关断使得电路拓扑发生变化，因此为求得该阶段持续的电角度，应对D4的关断时刻进行分析。根据换相重叠角的定义可知，在ωt=π/6+γ时D5将会完全关断。又不控整流桥导通、关断始终按照D1-D2-D3-D4-D5-D6-D1的顺序交替进行，且依次相差π/3。因此，在ωt=γ-π/6时刻，D4将会关断，进入三个桥臂导通阶段。即四个桥臂导通阶段持续电角度范围为π/6≤ωt<γ-π/6。等效电路如图2(a)所示。

依据电路分析，此阶段满足：

式中：i1～i6分别为桥臂1～6的电流；udc为直流侧电压；Ls为桥臂电感。

且有：

根据初始条件ωt=π/6时，i1=0，桥臂1电流可求解为

式中，Xs=ωLs。

由于不控整流桥导通、关断始终按照D1-D2-D3-D4-D5-D6-D1交替进行，且依次相差π/3，可知在ωt=π/2时D2将会开通。因此当满足γ-π/6≤ωt<π/2时，D4关断而D2未开通，此时等效电路将处于D1、D5、D6同时导通的状态，即三相不控整流电路进入三个桥臂导通阶段，其等效电路如图2(b)所示。

与D1导通的初始阶段电路分析相似，可求得该阶段电路将满足：

在γ-π/6≤ωt<π/2阶段，桥臂电流的初始值可由上一阶段的终值决定。而由式(4)可知，当ωt=γ-π/6时，。因此可求得在该阶段流过桥臂1电流为

此后换相过程将在四个桥臂导通和三个桥臂导通两种情况下交替进行，可用上述方法进行类似求解，限于篇幅不再赘述。根据上述方法可以得到一个工频周期(20 ms)内桥臂1电流的解析表达式为

根据换相原理及电路特征可知，当γ+π/6≤ωt<5π/6时，仅存在桥臂1、2、6导通。即此时上桥臂中仅桥臂1导通，由于Idc=i1+i3+i5，因此可用该时间段内的桥臂1电流估算直流电流，即

同时，根据各阶段的直流电压解析式可求得直流电压的平均值为

由于直流电压与电流满足关系Udc=Rd×Idc，可求得换相重叠角γ为

因此由式(8)、(11)即可得到任意时刻桥臂1电流值，其他桥臂电流求解方法则可依此类推。而交流侧电流则可根据式(12)求得。

同时由式(11)可得当100<Rd/Ls≤900时换相重叠角满足π/3≤γ<2π/3，即为本节求解方法适用范围。当Rd/Ls>900时，换相重叠角小于π/3，可用传统方法求解；当Rd/Ls≤100时，换相重叠角将大于2π/3，本节求解方法不再适用。

1.2 2π/3≤γ<π

如前文所述，当Rd/Ls≤100时，换相重叠角将大于2π/3，使得MMC两极短路不控整流稳态阶段不再是三个桥臂导通和四个桥臂导通交替出现的情况，而是四个桥臂导通和五个桥臂导通交替出现。通过分析可知对应该情况的换相重叠角γ处于2π/3≤γ<π。同样以桥臂1开始导通时为初始，本节将分别分析2π/3≤γ<π时五个桥臂导通和四个桥臂导通两种情况下的响应特征。

在D1导通初始阶段，D1、D3、D4、D5、D6同时处于导通状态。D1开始导通的条件为其阳极电压ea大于阴极电压up，又由于在此阶段之前为桥臂D3、D4、D5、D6导通的情况，根据相应的电路拓扑可求得up=-1/2ea。因此可得在该情况下桥臂1开始导通的条件为ea>0，即ωt>0，相应得到该阶段的初始条件为：ωt=0时，i1=0。

类似于(一)中所述方法，以此为初始条件，根据电路拓扑列写微分方程即可求得五个桥臂导通、四个桥臂导通情况下相应的电流、电压响应特征。

一个工频周期(20 ms)内桥臂电流的解析表达式可表示为式(13)(以桥臂1为例，其他可类比)。

直流电流、直流电压平均值分别为

交流电流则可根据式(12)，在各桥臂电流求解的基础上求得。根据直流电压与电流满足的关系Udc=Rd×Idc，求得换相重叠角γ为式(16)。

令式(16)中的换相重叠角γ=π即可求得使换相重叠角到达本节所述工作情况上限值π时对应的直流电阻Rd与桥臂电感Ls的临界比值。

1.3换相重叠角γ处于π～4π/3

直流电阻Rd与桥臂电感Ls比值小于1.2节中所述临界比值时，换相重叠角将大于π。MMC两极短路不控整流稳态运行阶段将处于五个桥臂导通和六个桥臂导通交替出现的工作情况，通过分析可知对应该情况的换相重叠角γ处于π～4π/3。类似于前文方法，可求得该种情况下的电压、电流响应特征：一个工频周期内桥臂电流的解析表达式为式(17)(以桥臂1为例，其他可类比)。

直流电流为

直流电压的平均值为

交流电流则可根据式(12)，在各桥臂电流求解的基础上求得。根据直流电压与电流满足的关系Udc=Rd×Idc，求得换相重叠角γ为

由不控整流桥的自然换相原则可知，换相桥臂与被换相桥臂的导通时刻相差2π/3，又由于一个周期电角度为2π，因此根据前文中对重叠角γ的定义可知，γ的上限值为4π/3。根据式(20)可知，当Rd=0时，γ达到上限值4π/3，即出口故障是换相重叠的极端情况。

2 仿真算例

本文在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建两端MMC直流输电系统，相应的系统参数如表1所示。结合仿真模型系统参数及前文中重叠角求解方法，本文分别选取距换流站出口50 km、20 km、5 km和0 km发生两极短路故障，分别仿真试验了重叠角范围在π/3≤γ<2π/3、2π/3≤γ<π、π≤γ≤4π/3以及上限4π/3时的情况，验证理论分析与计算的正确性。

(一)π/3≤γ<2π/3

该算例假设在距换流站50 km处发生两极短路故障，故障时刻为t=1 s。此外，设定故障后1 ms闭锁换流站。相应的仿真结果与理论计算结果如图3所示。根据系统参数可以计算出此时的重叠角γ=0.612π，处于π/3≤γ<2π/3范围内，因此直流电流、桥臂电流和交流电流可由式(8)、(9)、(12)计算得到。

由仿真结果及理论计算结果对比分析可知，故障后经历一段时间的过渡过程以后，直流电流、交流电流和桥臂电流的仿真结果与理论计算结果均能够精确匹配。其中，直流电流的计算值为16.1 kA，仿真试验直流电流平均值为16.5 kA，误差为2.42%，充分证明了理论计算的精确性。

同时，由仿真试验可以看出，当换流站快速闭锁时(目前工程实际中为了保护电力电子器件，两极短路故障后一般会在1 ms左右快速闭锁)，交直流侧的故障电流峰值由不控整流稳态运行阶段的过流水平决定，这一特点充分说明了直流故障不控整流稳态特性分析的重要性。

(二)2π/3≤γ<π

该算例假设在距换流站20 km处发生两极短路故障，其他设置与(一)中相同，相应的仿真与理论计算结果如图4所示。根据系统参数可以计算出此时的重叠角γ=0.935π，处于2π/3≤γ<π范围内，因此直流电流、桥臂电流和交流电流可由式(12)、(13)、(14)计算得到。同样，由仿真结果和理论计算结果对比分析可知，故障后经历一段时间的过渡过程以后，直流电流、交流电流和桥臂电流的仿真结果与理论计算结果均可精确匹配。其中，直流电流的计算值为24.3 kA，仿真试验直流电流平均值为24.8kA，误差为2.02%，证明了理论计算的精确性。

(三)π≤γ≤4π/3

当故障距离为5 km时，可以计算出此时的重叠角γ=1.101π，处于π≤γ<4π/3范围内，因此直流电流、桥臂电流、交流电流可由式(12)、(17)、(18)计算得到。如图5所示，仿真结果与理论计算结果精确匹配。直流电流计算值为36.2 kA，仿真结果平均值为35.4 kA，误差为2.26%。

如图6所示是换流站出口故障时的仿真试验与理论计算结果。出口故障时Rd=0，此时对应了换相重叠的极端情况，即γ=4π/3。同样，仿真结果亦证明了理论计算的精确性，直流电流计算值与仿真值分别为41.5 kA和40.5 kA，误差为2.47%。

3 结论

MMC-HVDC系统两极短路故障后不控整流稳态运行阶段的过流响应特征对系统交直流保护配置、设备选型以及电网规划均具有重要意义。尤其是当换流器能够在故障后快速闭锁时，整个故障过程的过流水平主要由不控整流稳态运行阶段的过电流决定。考虑桥臂电抗对不控整流换相重叠的影响，本文对各种换相重叠角情况下交、直流侧以及桥臂电流响应特征进行了详细的理论求解。并且在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建两端MMC直流系统，大量仿真算例证明本文所提出的计算方法能够准确计算两极短路稳态运行阶段交、直流侧以及桥臂上的过电流水平，计算误差在3%以内，能够为保护配置、设备选型和电网规划提供可靠的理论依据。

摘要：直流故障稳态特性对直流电网设计、保护配置以及一次设备选型等具有重要意义。针对模块化多电平的柔性直流系统,考虑了桥臂电抗对两极短路故障不控整流稳态运行期间换相重叠的影响,分析了可能出现的换相重叠角范围及各自对应的故障场景。针对不同的换相重叠角范围,分析了相应的桥臂导通工作情况,并据此推导出直流故障后稳态阶段直流电流、电压、桥臂电流、交流电流的精确计算公式。最后,在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建了基于模块化多电平的柔性直流输电系统模型,通过不同故障距离的仿真算例验证不同换相重叠角范围下理论计算的准确性。

“稳态与环境”模块 第8篇

模型是现实世界中的某些事物的一种抽象表示。抽象的含义是抽取事物的本质特性, 忽略事物的其他次要因素。因此, 模型既反映事物的原型, 又不等于该原型。大型信息系统通常十分复杂, 很难直接对它进行分析设计, 人们经常借助模型来设计分析系统。信息系统的建模方法可以分为:面向过程的建模、面向数据的建模、面向信息的建模、面向决策的建模和面向对象的建模五种[1]。

藏象、证候是中医现代研究的关键科学问题。从数学建模的角度考虑, 我们需要知道藏象、证候模型是什么样的?

*通讯作者

这个模型当初是如何建立的?它的建模方法用当代的建模方法怎么表示?它的原型是什么?这里面, 藏象、证候模型的原型是关键中的关键。所谓藏象、证候实质研究, 藏象、证候的生物学基础研究, 就是在寻找它们的原型。而追溯历史, 发现我们提出的藏象内环境自稳态学说的观点可以得到验证[2]。

1 五行藏象理论及藏象内环境自稳态学说

以《中医基础理论》成书为标志的中医理论现代整理工作把五行藏象作为中医理论模型的主干, 它包罗宏富, 解释效果理想, 在应用中认同度高。20世纪50年代开始的藏象、证候实质研究, 引发了对藏象模型的原型的追问, 尽管当时没有使用模型这个词汇, 但其工作的实质就是这样。

赵国求曾说:“40年来, 中医证实研究已经将成百上千的实验数据摆在我们面前, 按照原定研究目标, 这些不争气的数据给予我们的只是困惑和迷茫”。为什么会出现这样的情况?对藏象、证候模型的原型讨论的不充分是主要原因。

笔者在藏象内环境自稳态学说中提出, 把藏象看作是生理模型, 证候是病理生理模型, 而且是人这个复杂系统的整体层次的模型, 那么它们的原型就是内环境, 即血液和组织液, 从技术实现上看, 血液是最佳原型。

在此基础上, 根据脏气法时理论, 对血液的成分进行五藏分属, 具体实现的技术可以用血液指纹图谱实现, 也可以采用全自动生化仪和全自动血细胞分析仪做权宜之计部分实现[2,3]。

2 四行体液学说的演进

四行体液学说是西方传统医学之产生和演化的基础。从希波克拉底、盖伦到伊本西那都是如此。四行体液学说的四行, 即水、火、土、气, 所谓四原性, 乃寒与热、燥与湿四大属性 (凉与温、干与润亦为四性, 只程度不同) ;四体液是指血液、黏液、黄胆汁、黑胆汁。四行体液学说强调“体液”的重要性, 体液与四原性的不同配伍决定了人体的生理特点与疾病性质[4]。

2.1 四行体液学说的解剖学基础背景

笔者如此强调四行体液学说, 关键是要指出一个被大家长久忽视的问题, 也是关乎中医学科学性和进一步发展的重要问题, 那就是四行体液学说产生的基础之一, 所谓传统西方医学其实是有着解剖学基础的。

一般认为是从古代名医希波克拉底开始, 在他的医著中对头骨作了正确的叙述, 但是对人体其他器官则是参照动物身体结构描述的。亚里士多德为动物解剖提供了宝贵的知识。他把神经和肌腱区别开来, 指出心是血液循环的中枢, 血液自心流入血管。盖伦医学著作中有解剖学资料, 主要是动物解剖, 他明确指出血管内运行的是血液而不是空气;神经是按区域发布的, 脑神经有七对。

那么, 为什么有着明确解剖学基础的传统西方医学, 要用体液学说解释人的健康和疾病呢?以藏象内环境自稳态学说的观点和现代生理学的观点看, 那就是体液可以更好地反应人体的生理和病理生理变化。

同样有着解剖学基础背景的阿拉伯医学、波斯医学, 他们仍然在沿用四行体液学说, 伊本西那的解剖学达到的精密程度[5,6]。

2.2 四行体液学说的细致演进

张大庆指出, 体液论 (Humoralism) 是西方古代医学理论的基石, 从古希腊直至19世纪细菌理论建立之前, 它一直占据着西方医学理论的主导地位。体液论作为古代西方的一种整体医学思想, 在诸多方面与中国传统医学有共通之处。因此, 考察体液论的源流、基本原则及其演化, 不仅对于正确理解和评价西方古代医学具有重要意义, 也可为我们理解中国传统医学提供一种参照。张大庆[7]认为, 体液论是一种整体病理学理论 (笔者以为细化为整体病理生理学理论更恰当) 。

希氏学说更加具体的内容, 参看张大庆文中的希波克拉底四体液学说比较表和朱明文中的四行体液学说宏观框架体系表[4,5,7]。

第一次对体液论进行综合的是古罗马医学家盖仑 (Galen, 公元129~210年) 。盖仑将希波克拉底和柏拉图的观点综合成为一个体系, 将四体液与四元素联系起来, 盖仑赞同希波克拉底学派的体液论, 盖仑把体液的作用看作是各种不同气质的基础。但与希波克拉底不同的是, 盖仑避免讨论涉及体液确切性质的问题, 而是将体液作为不可见的实体, 只能通过逻辑的方法来认识。盖仑认为, 由于动脉中的血液由四种体液形成, 所以血液具有支配地位。但盖仑不能确定黑胆汁在机体内的相似性质, 于是他指出不能假定黑胆汁作为一种纯的、基本的体液的存在[6]。

哈维 (Harvey, W.1578~1657年) 血液循环的发现, 仅仅将盖仑描述的血液的许多性质转交给其他体液, 许多18世纪的健康和疾病理论依然是以机体的体液平衡思想为基础的。例如斯塔尔认为所有疾病都发生在血液, 由于血液的郁积或黏稠而产生炎症等病理现象;霍夫曼 (Hoffimann, F.1660~1742年) 认为疾病是胃肠的多血症 (plethora) 所致;居仑 (Cullen, W.1710~1790年) 则将发热归咎于动脉的痉挛;而布朗 (Brown, J.1735~1788年) 主张疾病是体内器官过度刺激的结果。安德烈 (Andral, G.1797~1876年) 在研究血液学的基础上, 复兴了更严格的体液论, 他将疾病归咎为血液成分, 如血纤维原、清蛋白、碱的变化。在安德烈思想的影响下, 19世纪奥地利病理学家罗杰坦斯基 (Rokitansky, C.1804~1878年) 将所有病理现象归咎于血液中不好的混合[7]。

由以上不难看出, 这些内容或多或少地都在支持笔者的观点学说, 体液、组织液和血液是四行体液模型和五行藏象模型的理想原型。而笔者也把四行体液学说看作是四行藏象学说, 与四行藏象模型比较五行藏象解释能力更加出色。

3 结语

在论及古希腊哲学关于世界普遍联系的“总画面”时, 恩格斯说:“这种观点虽然正确地把握了现象的总画面的一般性质, 却不足以说明构成这幅总画面的各个细节;而我们要是不知道这些细节, 就看不清总画面。为了认识这些细节, 我们不得不把它们从自然的或历史的联系中抽出来, 从它们的特性、它们的特殊的原因和结果等等方面来分别地加以研究。”[8]

藏象内环境自稳态学说就是对古人模型的总体上的肯定与细节上的补充及工具上的发展。

摘要：四行体液学说是西方传统医学的理论基石, 梳理其具体演进, 尤其结合其明确的精密解剖学知识背景, 我们可以清楚地看到体液作为人体生理和病理生理模型原型的科学性。五行藏象证候理论是比四行体液模型更加完善的生理和病理生理模型, 藏象内环境自稳态学说也把体液、组织液和血液作为五行藏象模型的原型实现建模, 推动了中医学的发展。

关键词：四行体液学说,藏象内环境自稳态学说,模型,原型解剖学,科学性建模

参考文献

[1]张维明.信息系统建模[M].北京:电子工业出版社, 2002:1-3.

[2]林宇春, 赵宏杰, 张学斌.略论藏象内环境自稳态学说[J].中国中医基础医学杂志, 2008, 14 (8) :576-577.

[3]赵宏杰, 雷钧涛.以代谢物组学为参照介绍血液指纹图谱中医药信息学研究方法[J].中华中医药学刊, 2007, (9) :1903-1904.

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[5]伊本·西那.论灵魂[M].北京大学哲学系, 译.北京:北京商务印书馆, 1963:273-274.

[6]孙矢电, 赵宏杰, 张笑波.伊本·西那医学著述对中医学科学性的强支撑作用[J].中国实用医药, 2009, (17) :273-274.

[7]张大庆.体液论及其对西方医学的影响[M].中华医史杂志, 2001, 31 (3) :141-147.

“稳态与环境”模块 第9篇

断路器作为电力系统中重要的电气设备之一,其可靠性和智能化水平对电力系统的稳定和自动化程度将产生深远的影响。真空断路器作为技术性能先进的一种断路器,具有可靠性高、稳定性好、少维护、寿命长等特点,得到了广泛的应用。操动机构作为断路器的核心部件之一,其可靠性是断路器性能优劣的关键。因此操动机构的工作性能和质量的优劣,对高压真空断路器的工作性能和可靠性起着极为重要的作用。

操作机构的发展经历了几个重要的阶段:电磁机构、弹簧机构、永磁机构。最早的电磁机构,由于对电源的要求较苛刻,需要专用的大容量直流屏提供分合闸电源,并且操作时冲击大,分合闸动作时间长,而逐渐被市场所淘汰,取而代之的是弹簧操动机构[1]。其利用交直流两用电动机对弹簧进行预储能,利用弹簧能进行分合闸操作,从而对电源要求低,交直流均可操作,因此在近几年得到广泛应用。但弹簧机构也有其自身不可克服的缺点:结构比较复杂,零件数量多,加工精度要求高,动作分散性较大。永磁机构是一种电磁操动、永磁保持、电子控制的操动机构,性能先进,受到了广泛关注。永磁操动机构由于取消了脱扣、锁扣装置,而采用永久磁铁进行终端位置的保持,动作元件和零部件数目明显减少,永磁机构具有简单可控等优点,因而可靠性大大提高。

单线圈式永磁机构是永磁机构的一种,它的特点是:采用永久磁铁使真空断路器保持在合闸极限位置,使用激磁线圈将机构的铁心从分闸位置推动到合闸位置,同时,给分闸弹簧储能。分闸时,给线圈通以反向电流,使铁心工作气隙处永磁材料与激磁线圈产生的合成磁场接近于零,靠触头弹簧和分闸弹簧所储存的能量进行分闸[2]。

本文讨论了单稳态永磁机构控制器设计思路。该控制器不仅实现了对断路器分合闸控制,而且能够实现过流、过压等保护功能,使本控制器的综合成本更低,可有效降低用户的采购费用。

1 硬件结构

如图1所示,永磁机构控制系统主要由CPU主控制模块、信号处理采集模块、在线电容电压检测模块、分合闸驱动模块、通信模块和电源模块等组成。

采集的电网信号经信号处理采集模块调整后送入CPU主控制模块计算电压、电流进行自动保护。在检测到分合闸命令时判断分合闸条件是否满足,满足就计算分合闸所需的延迟时间,到达延迟时间之后,发出触发命令,驱动绝缘栅双极晶体管(IGBT)导通,使放电回路导通,储能电容器对断路器线圈快速放电,使断路器动作。当断路器动作完成之后关断IGBT,切断电容器的放电回路,电源给电容器继续补电,等待下次操作的到来。

1.1 CPU主控制模块

CPU主控制模块是整个控制系统的核心部分,所用的核心处理器要完成电压、电流的数据采集和计算,分合闸延迟时间的计算以及控制,外部输入、输出接口和通信等功能。CPU主控制模块选用TI公司的16位超低功耗单片机MSP430F149,执行时间达125 ns。内核结构按照精简指令集和高透明的宗旨而设计,可以提高执行速度和效率,增强了实时处理能力[3]。直接嵌入仿真处理,具有JTAG接口。16位数据宽度,数据处理更为有效。包含外围模块时钟模块,看门狗,定时器A、B,比较器,串口0、1,硬件乘法器(一个周期的运算时间),12位高精度模数转换等。

1.2 信号处理采集模块

信号处理采集模块主要完成电压、电流信号的采集和调理。A/D转换采用MSP430F149内置8通道12位A/D转换器,由于内置A/D转换速度快,精度高,速度高达200 kbit/s,完全能满足需要,并且电路简单,控制方便,提高了控制器的可靠性。电压、电流二次信号经过控制器的高精度互感器后转换为一定范围的信号,经过前置运放后通过线性光耦隔离,最后信号送入MSP430F149的A/D转换端口。由于控制器的工作环境恶劣,本控制器采用高精度线性光耦实现电气隔离,每周波采样32点保证精度;通过相关算法后实现过电压、过流速断及定时限和反时限保护等功能,从而控制断路器的分合闸并告警,实现继电保护功能。信号处理电路图如图2所示。

1.3 在线电容电压检测模块

本控制器对储能分合闸电容电压进行检测,若电压不足,则进行电容器充电;若收到分合闸命令,判断断路器的运行状态和位置都正确时,则进行相应的分合闸操作。在分合闸完毕或动作时间已经超过设定分合闸时间时,立即停止分合闸操作;在不具备操作条件或机构故障的情况下,报警且禁止断路器动作。

1.4 分合闸驱动模块

分合闸驱动模块的主要功能是当CPU主控制模块发出控制命令后,控制储能电容放电驱动永磁机构动作,达到分合闸的目的。永磁机构的驱动控制是分合闸驱动模块的最主要功能,驱动控制主要由储能电容器、放电线圈和IGBT功率模块组成。通过IGBT模块的可控关断,使储能电容器的储能能够完成一次标准的O-0.3 s-CO-180 s-CO操作循环。所以,IGBT功率模块的可靠导通和关断是本控制器设计成败的关键因素之一。

首先在IGBT功率模块的驱动信号抗干扰和可靠性上的设计,驱动信号采用3 000 V光电隔离,驱动电源和主电源之间采用3 000 V的隔离电压进行隔离,不仅如此,IGBT的门极驱动条件与它的静态和动态特性密切相关。门极电路的正偏压UGE、负偏压-UGE和门极电阻的大小,对IGBT的通态电压、开关损耗、承受短路能力等参数有不同程度的影响。在门极电路的设计中采用如下原则:

(1)正向驱动电压UGE,一般IGBT的正向驱动电压UGE应在12~18 V之间,可选用UGE=15 V,允许波动率小于10%,在这点通态电压接近饱和值,通态损耗小,是IGBT工作的最佳点;(2)负驱动电压-UGE,使IGBT关断的门极负驱动电压-UGE应不小于5 V,这是因为集电极电压变化率du/dt的作用会使管子误导通或不能关断;(3)门极电阻RG,应该在门极和驱动信号之间加一个门极电阻RG。当管子导通时,RG可以减小集电极电流上升率dic/dt,防止门极电流震荡;当管子关断时,RG可以减小集电极电压上升率du/dt,避免动态擎住效应的发生。但RG会增大IGBT的开通、关断时间,增加IGBT开关损耗,因此应当根据IGBT的电压、电流,定额选择合适的RG阻值。

其次单稳态永磁机构的线圈为感性负载,在关断线圈的放电回路时,由于线圈的自感效应,在IGBT上会产生几倍于放电电容器的反向电压,当反向电压大到一定程度时,很可能会击穿IGBT,所以必须增加IGBT的缓冲吸收电路。我们采用了RCD吸收电路,RC吸收电路因电容的充电电流在电阻上产生压降,还会造成过冲电压,所以采用了二极管旁路电阻上的充电电流,从而克服了过冲电压。对缓冲吸收电路的要求是:尽量减小主电路的布线电感;吸收电容应采用低感吸收电容,它的引线应尽量短,最好直接接在IGBT的端子上;吸收二极管应选用快恢复二极管和快软恢复二极管[4]。缓冲吸收电路如图3所示。

1.5 通信模块

该模块采用高速光耦6N137进行电气隔离,保障各个子系统与监控主机之间的信息可靠传输。MSP430F149自带2个串口通信接口,RS-485总线连接方便,而且具有优良的抗干扰性及可靠的数据传输性能,能很好的满足断路器智能控制的要求。串口通信电路如图4所示。

1.6 电源模块

电源模块采用大功率开关电源,输入交流电源在60%~120%的宽范围波动,当电容电压从0~90 V充电小于10 s,能满足断路器在短时间多次动作而及时给电容补电,保证控制器连续动作可靠性。

2 控制器主程序

单稳态永磁机构控制器的主程序流程图如图5所示。

控制器实时采集各电压、电流量,通过真有效值计算,判断是否有故障或断路器有操作发生,并作出相应的处理。控制器采集电压、电流量通过RMS算法计算,此方法不受波形变化影响。同时为保证采样精度,防止产生混迭效应而使用同步采样来解决。

3 结语

本控制器是采用以MSP430F149为核心的工业控制系统,采集电网的电压、电流信号,开关状态,电容器电压等信息,通过大功率IGBT的可控关断,控制大容量电容器对单稳态永磁机构的分合闸线圈放电实现断路器动作,并且采用RS-485通信实现了与上位监控系统的数据交互,实现了永磁机构真空断路器的智能控制。

参考文献

[1]游一民,郑军,罗文科.永磁机构及其发展动态[J].高压电器,2001,37(1):44-48.

[2]林莘.永磁机构与真空断路器[M].北京:机械工业出版社,2003.

[3]胡大可.MSP430系列FLASH超低功耗16位单片机[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.