《生物的变异现象》教学设计案例

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《生物的变异现象》教学设计案例（精选8篇）

篇1：《生物的变异现象》教学设计案例

《生物的变异现象》是苏教版小学科学六年级下册二单元中的第二课。本课是根据《课程标准》中“知道变异也是生物的基本特征之一，生物与它们的父代及同代之间有许多不同”来展开的，但是对于“变异”这个概念，学生的背景知识非常之少，需要更多的感性知识和基础知识。作为一节概念教学课，其中包含不少的名词、术语，如何就小学生的认知水平、接受程度，尽可能地做到科学和准确?如何在学生理解科学概念同时又可以提高学生的能力，提高科学素养?在进行教学设计时，我主要围绕着以下几个关系处理本课的教学。

1. 知识与能力

科学知识和科学能力同等重要，没有主次之分，它们同样都是构成个人科学素养的基本组成成分。科学知识构成了科学的基本信息内容。科学能力是从事科学研究的基本能力。科学知识是科学能力的载体，科学能力是获得科学知识的一种有效“工具”。我们很难想象一个头脑空白的人能够解决一些复杂的科学问题。反之，学生在建构科学知识的过程中，通过猜想、预测、实验等技能达到对新知识更深刻的理解与运用。所以在教学中我设计了“推测植物是否也存在变异现象后让学生用看一看、摸一摸、闻一闻、尝一尝等方法对多个苹果进行观察，从而为自己的观点寻找证据”这个环节，就是要让学生在获取知识的同时培养学生的推测能力和收集证据的能力，同时也让学生获得了“植物也存在变异现象”这个结论性的`知识。

2.探究与传授的时机

小学科学教学以探究为主，但是在概念教学中也应该充分发挥传授的作用。探究教学能够亲历科学发现的过程，能够训练学生的思维，能够培养学生的创造性思维和独立解决科学问题的能力。传授式教学能够在有限的时间内传递大量的知识信息。教师在一些知识方面给学生一定的学习支架时，教师就应该进行一些传授。在“生物的变异现象”这一概念中“同一物种”、“子代与父代”等术语大部分学生对于它是陌生的，所以在教学的起始我就把它拿出来做以解释，消除学生在理解概念中的障碍。当然，我的设计是先通过让学生举例说明什么是同一物种来了解了学生的前概念后，如果发现学生确实有异议后才开始解释的。这样做既了解了学生的前概念又可以扫除概念理解中的障碍，一举两得。而在归纳“变异”概念环节，我首先让学生通过多种渠道获得事实信息，有了较多事实信息后，我就引用“探究—研讨”教学法，科学处理各种信息：“通过以上的比较和对数据的分析，你发现了什么现象?”从而积极引导学生自主进行分析、讨论，学生通过将数据规律与实际的遗传现象相结合， “水到渠成”的形成“变异”具体概念。

在设计本课其它的教学环节时，我也是始终围绕着处理以上几种关系为主线进行的。其目的就是要在学生理解科学概念同时又可以提高学生的能力，提高科学素养。

篇2：《生物的变异现象》教学设计案例

《生物的变异现象》教学设计

曾宝俊格致工作坊

本课是苏教版小学《科学》六年级上册“遗传与变异”单元的第2课。在色彩斑斓的生物界中，遗传和变异既是互相矛盾的，又是互相依存的。“一娘生九子，连娘十个样”，这讲的就是变异现象。变异也是一种普遍的生命现象，指的是后代跟亲代之间总是有所区别，存在着一些不同的特征。比方说，父母和儿女之间以及儿女彼此之间，总有些差异，这就是变异。如果说是因为有了遗传现象，人类才能够把先进的形态和生理性状遗传下来，代代相传的话，那么也就可以说因为有了变异现象，人类才能够不断进化，产生有别于其他生物的特征。

教材也是和上一课一样，通过三个方面指导学生了解生物界的变异现象： 1．通过观察比较一家人之间的不同来认识变异现象的普遍存在；2．认识生物的变异现象是普遍存在的；3．指导学生认识变异的种类。

在本课上课前（建议最好安排在上节课结束时），教师向学生发放调查表，对自己家庭成员的某些性状进行调查；调查前教师应注意：1．要求学生如实填写表格中的内容，不能为完成作业而随便填写。通过这项活动培养学生严肃认真的科学态度；2．向学生说明如何识别这些性状特征，作出必要的解释。

本课的教学目标如下：

过程与方法

●能够搜集有关生物变异方面的信息；

●能对这些信息进行分析处理，并能提出有关研究的问题；

●能用多种形式来表达交流研究的方法和结果。

知识与技能

●认识同种生物的个体之间存在各种各样的差异；

●通过全班同学间个体差异的比较活动，使学生对变异现象有初步认识；

●知道变异有遗传的变异和不遗传的变异。

情感、态度与价值观

●培养学生严肃认真的科学态度；

●帮助学生树立辩证的科学自然观。

教学过程设计

一、谈话导入新课

1．谈话：上节课我们做了一个游戏，有的同学一下子就被认出是谁家的孩子，甚至是谁家的孙子或孙女，但是有的为什么很难被认出来呢？

2．学生讨论。

3．小结：我们并不是和父母一模一样的，还有很多不一样的地方。（揭示课题）

二、了解生物变异的概念

1．游戏：找找照片中这一家人在外姓特征上有哪些不同，并记录下来。

2．学生仔细观察。

3．交流发言。

4．汇报课前围绕自己家庭成员的特征调查的结果。

5．小结：看来，我们大家都和自己的父母有很多不同的特征的，即使是照片上的双胞胎也有好多不同的特征呢。那么，我们全班同学之间又有多大的差异呢？请各组完成桌上的调查表，作好记录。

6．统计各组数据，汇总出全班的数据。

7．讲解：子代与父代之间、同一物种之间一般都或多或少地存在着一些不同的特征，这种现象称为变异。

【评析】在教学过程中，既有发散思维，又有集中思维，有利于学生逐渐形成正确的思维方式和科学方法。这里创设了一个游戏的情境，让学生在实践活动中感悟、体验，使得探究活动在轻

松自然的氛围中进行。

三、认识变异是普遍存在的

1．提问：动植物身上也有这样的变异现象存在吗？

2．引导学生进行假设。

3．指导学生观察教材46页的插图。

4．汇报交流。

5．小结：同遗传现象一样，生物的变异现象也是普遍存在的。谚语说“一猪生九仔，连母十个样”，指的就是变异现象。人们对生物的变异现象还有一些有趣的利用呢。

6．指导学生阅读教材47页关于三叶草的资料。

7．补充我国培育金鱼的历史，指导学生体会对生物变异现象的利用。

【评析】通过以上活动，要让学生认识同种生物的个体之间存在各种各样的差异，这种差异是普遍存在的。但是这个部分做容易流于形式，为了免于沦落为空洞的说教，我们就要寻找一些有

说服力的资料，让事实开口 “说话”，促使学生体会其中的道理。

四、了解变异的种类

1．课件展示介绍变异的种类。

（1）可遗传的变异：由于遗传物质的变异，不同品种或同一品种的奶牛控制产奶量的基因组成可以不同，通过人工选择可以将产奶量高的奶牛选择出来（含有控制高产奶量的遗传物质），通过繁育，后代还会出现各种变异，再从中选择、繁育，数代后奶牛不但能够保持高产奶量，甚至会有不断增加的趋势。

（2）不可遗传的变异：用眼不当，早成近视；车祸导致的后天残疾等。

2．小结：大自然是如此的千姿百态、丰富多彩，那是因为生物的变异。

【评析】注意了科学与社会、科学与生活的紧密联系。希望教师结合教学进程和相关的教学内容，积极指导学生阅读、讨论。这对于提高学生积极的情感态度和形成正确的价值观，将会有积极的意义。

教学片断赏析

“认识变异是普遍存在的”教学片断

师：同学们，你们觉得动植物身上也有这样的变异现象存在吗？

生：有的。

师：哪里可以看出来呢？

生：我们村里有个样猪场，那里的一头老母猪生下的小猪，颜色不一样的，出了和它一样颜色的，还有花猪和黑猪呢。

师：有道理。讲的很好。

生：牛也是的，有的时候生的是母的，有的时候就是公的了。

师：你们认为，这是变异吗？

生：这个不是的。

生：无论生公的、母的都不算是变异的，要是生个不公不母的就是变异了。

（学生哈哈大笑）

师：你们别笑，姜伟说的还有点道理的。

师：好，下面我们来看一看书上

46页的几组生物图片，你们有什么发现？

生；金鱼的颜色不一样。

生：鳍的形状也不相同。

生：我还见过一种水泡金鱼，眼睛两边有大水泡的。

……

篇3：《生物的变异现象》教学设计案例

一、备战——课前武装、适当准备

传统课堂教学过分关注知识的接受和技能的训练, 从根本上失去了对人的生命存在及其发展的整体关怀, 从而使学生成为被“肢解”的人, 甚至是被“窒息”的人。现在的课堂正因为教学思想及教育方式的改变而逐渐灵动起来, 更多关注了学生自身的发展和需求。

多媒体手段的运用大大激发了学生探索自然的兴趣。瞧!学生听得多专注、看得多入神, 仿佛各种奇特的生物变异就发生在他们周围。此时学生通过视觉、听觉对变异有了自己的理解, 产生初步的了解。

多媒体进入课堂, 一改过去“一本书+一张嘴+一支粉笔”的单调的教学模式, 充分调动了学生的视听感觉, 学生兴趣浓厚, 学习投入。没有学习兴趣, 学生不会积极提出问题、积极回答问题;兴趣是学习的动力, 有了兴趣, 就会学而不厌。学生在原有的基础上对“生物的变异”有了新的认识, 深刻地记住了这些内容, 从而为科学解释变异的本质埋下伏笔。

二、合作——小组合作、协同表现

协作小组内的同学开始合作, 共同从基因突变的一个典型的病例——镰刀型细胞贫血症入手。通过大家讨论后, 以一个学生讲解, 老师补充的方式将这个病例分析透彻, 自然地引出基因突变的一种情况。从这个情况入手, 提出问题:还有其他的情况吗?引发学生思考, 进而利用课前做好的两个flash, 演示其他的两种情况。这样就水到渠成, 推出了基因突变的概念。接下来的时间就留给学生, 教师提出三个问题, 学生通过自己的学习解决这三个问题。小组合作学习时应注意小组成员间的对等性, 要有共同的活动和相互交往的技能和意识。总之, 只要搭配得好, 小组合作学习的效果一定会事半功倍。有了这样的合作平台, 就发挥了小组合作的优势, 小组活动才能生动有效地开展下去。

三、互评——展示成果, 交互评价

学生是课程的主体, 也是课程的评价对象。利用多媒体进行评价, 从更多的层面肯定活动中的体验和感受, 激发每一个学生的创新意识, 使学生在其他领域的社会实践与团队合作中的价值达到最大化, 从而使学生的竞争意识与合作精神得到协调发展。

四、小结——并非结束的小结

“人类对生物变异的认识已经深入到了分子水平, 我们有理由相信有一天人类可以驾驭基因, 造出生命奇迹, 这对于人类是好事还是坏事呢?下面一起讨论两个话题:第一, 如果给你二十只金鱼, 利用今天学习的知识进行基因突变的研究, 你如何设计实验方案?把你的想法和大家一起交流。第二, 人类在认识基因之后还可以有哪些突破?”

课堂小结并不是一节课的结束, 而是一堂课的延申。课堂的40分钟只是学生学习过程的一小部分, 是浓缩的过程。真正的学习研究是在课外进行的, 研究生物的变异给学生提供了这样一个空间。从这一点看, 应充分利用多媒体等各种学习资源, 把课堂延申到课外, 让学生在体验中活动, 在活动中表现, 在表现中丰富学识, 提高能力。

五、要求——合作学习的目的

学会研读, 学会批注。研读是合作学习的基础, 是学生自主探究的过程, 小组合作学习首先要让学生学会研读课本, 研读问题, 研读搜集到的有关资料, 并能在研读的过程中将自己的认识与理解圈划、批注在相应的地方, 以备交流。

学会概括, 学会联系。即要求对研读过的材料既能从整体上把握主要内容, 又能抓住要点和问题, 然后能用简练、精彩的语言进行概括总结, 为组内或组际交流做好准备。概括总结时, 要注意联系有关资料, 联系生活实际, 要学会整合已有的学习经验、方法和技能。

学会表达, 学会研讨。用语言表达自己的思想与见解, 与同伴相互交流研讨问题, 既是人与人交流、互动的基础, 又是个人素质与能力的主要标志。所以, 小组合作学习中要求每个成员的表达要声音洪亮, 语言流畅, 清楚简练, 要勇于就自己的见解与同伴、同学、老师交流、探讨, 以求达成共识。

学会倾听, 学会评赏。善于倾听是一种良好的学习品质, 也是小组合作学习的重要基础。所以, 要让学生学会倾听老师的讲解、要求、问题、评析, 倾听小组的分工要求和同学的发言交流。同时, 要学会客观地评赏同学发言的内容与技巧, 取长补短, 不断提高。

学会质疑, 学会答辩。在小组合作学习交流中学会质疑, 敢于质疑是良好思维品质的表现, 要敢于向同学质疑, 向老师质疑, 向课本质疑, 向专家质疑。还要学会面对质疑善于答辩, 善于自圆其说, 要使学生的思维在不断的相互碰撞中迸发出智慧的火花。

现在我们仍主要以学习成绩来评价合作学习对学生的影响, 而实际上, 学生的创造能力以及一些远期的效果都无法通过分数反映。合作学习作为一种创造性的教学方法, 它的评价标准应与传统教学有所区别, 这是我们今后在实践中应继续深入探讨的问题。

参考文献

[1]马兰.合作学习的价值内涵[J].课程·教材·教法.2004 (24) .

篇4：“生物的变异”教学案例与分析

基于本课题在教纲中的地位，结合二轮复习的特点确定本节课的三维教学目标如下：

知识与技能：理解基因重组及其意义，基因突变的特征和原因，染色体结构变异和数目变异。

过程与方法：通过学生对知识框架的构建，提高各个知识点的综合能力。

情感态度与价值观：培养学生自主学习的能力，认同生物的进化与生物变异的关系。

三、设计意图

由于本节课是二轮专题复习，目的是帮助学生构建生物变异的知识体系，进一步夯实基础，加强对知识点之间易混淆误区的辨析，所以本课的设计思路如下：

（一）总—分—总

整节课设计了这样的课堂结构，先“总”：突出生物变异的知识地位，提升学生对该知识点的重视，激发学生探究的热情；再“分”：即对基因突变，基因重组，染色体变异进行分门别类地各个击破，对各知识点全面铺开，重点难点突破，有利于基础的进一步夯实，疑难点的进一步解惑；最后汇“总”对三类可遗传变异进行列表比较，对生物变异的专题进行高屋建瓴地把握。

（二）学生活动为主

整节课笔者贯穿了以学生活动为主线，从生物变异的知识框架的构建，主干知识的梳理，典例分析，疑难点拨，模拟演练都由学生完成，让他们充分参与积极思考，体现了以学生为主体的新课程理念。

（三）课件，FLash动画释疑

对某些疑难点（如染色体结构变异中的易位和基因重组中的交叉互换；四分体的交叉互换和非同源染色体的自由组合）进行课件和Flash动画展示，可帮助学生形象地释疑解惑。

四、教后反思

篇5：生物的变异现象教学反思

计划

进行实验探究。鉴于时间关系和客观条件，只是让学生从理论上加以分析讨论，然后老师让各组学生代表

总结

各自讨论结论，最后由老师引导提出问题：如大、小花生中的最大值和最小值说出，让学生进行比较看出大花生中也有个别的长度比小花生中个别长度要小的，不能以某一长度来作为衡量大小花生的标准。再让学生得出大花生和小花生的区分依据是果实的`平均值，大花生的平均值要大。

篇6：《生物的遗传现象》教学设计案例

曾宝俊格致工作坊

本课是在生物中找出不同的地方，认识生物不仅有遗传还有变异现象。教材是从三个方面引导学生认识变异现象，沿袭上一课的思维形式。首先从我们自己身上突破，让学生从家人、从同学中找差异，感知变异现象就在我们身边，像遗传现象一样是生物的一个特性。接着对动物的观察，进一步拓宽深度。最后，从植物身上加深对变异现象的理解，并引向更深层次，为下一课研究做好铺垫。针对六年级的孩子来说，遗传现象能够有深刻的认识，变异现象也不难理解，方法和思维都是相同的。当然方法还是观察－分析－判断。通过学生亲身经历的活动，在比较辨别中，完成特定的活动任务，在完成任务的过程中，就将学习所需要的信息筛选出来，从而认识变异的一般特征。通过对植物的资料查找，更深刻地理解变异的两种特性：可遗传性变异，不可遗传性变异。这样较好的达到课标提出的以下目标：通过观察现象，搜集整理信息,知道生物比仅有遗传的特性还有变异的特性。能尝试用不同的方式分析，对现象作合理的解释，并能对同一现象作不同探索。从科普资料中吸收各种信息。能对研究过程和结果进行评议，并与他人交换意见。同时关注生活、关注生命、关注身边的科学技术，形成积极的科学热情。从本课课程标准的要求和教材内容看，对生物世界中有代表性的事物进行观察、分析，从而认识生物的变异现象，并能对一些变异现象作出合理的解释为重点。关于遗传与变异在生物中的应用的了解为难点。关于应用的主要目标在于培养学生对科学研究的兴趣，感受科学的无穷魅力。

也许由于上一节课的教学，学生还沉浸在生物的遗传中，甚至还在各种动植物中寻找生物的遗传信息，忽然这节课就提出一个相对的问题，学生可能会有些不适应，怎样让学生自然的认识到这个差异，需要我们注意。

本课的教学目标是：

过程与方法

●通过比较和辨认活动，认识遗传的一般特点；

●通过有针对性的探讨活动，加深学生对生物变异特性的感知和理解；

●通过资料获取相关的信息。

●通过观察和推测，培养逻辑思维能力。

知识与技能

●能领会生物变异现象研究的方法，并能进行持续研究；

●运用所学的方法能对一些变异现象作出解释和推测；

●能寻找证据，证明自己的观点。

情感、态度与价值观

●培养学生实事求是的科学态度，有理由拒的研究和表述习惯；

●养成浓厚的生物科学研究兴趣，并能关注科技前沿的信息。

●有生物学科学研究勇于创新的热情。

教学过程设计

一、回顾导入

【说明】提前为学生准备好要观察的金鱼，不过是精选一个家族中差异比较大的和其它家族中经过人工繁殖的，把这些有相似的放在一起。

1．谈话：请你们观察这鱼缸里的金鱼，看看哪些是一家子。

2．学生分组观察寻找并回答。

3．提问：你为什么这么分？

4．学生讨论回答。

5．老师告诉他们真正答案。

【评析】让学生处在矛盾中，才能激发他们的学习热情，正所谓：小疑小进，大疑大进。在教学中，有意设置这样的障碍，使课堂带来活力，有“柳暗花明又一村”感觉。

二、引导寻觅

1．提问：你们有什么疑问吗？

2．学生回答。

3．提问：你们觉得可以怎样来回答这些问题呢？

4．大胆的猜测，回答。

5．谈话：如果要想得到较准确的答案，单从一个角度研究是不够的，像上节课一样，我们也来从人类、动物、植物中寻找答案，如果都有你们所猜测的这一特点，我们才可以认可这个结论。

【评析】引导学生用科学的方法去分析研究，是科学学习的主要任务之一。这儿引导学生运用归纳推理的方法进行思考和研究，真实而自然再现科学家研究的过程和方法，对学生影响深远。

三、筛选解疑

1．谈话：把你们上次看的照片重新拿出来，再从他们身上寻找不同点，我们看看这些不同点有哪些。

2．学生观察、比较、筛选。

3．学生汇报。

4．师生总结。

5．提问：动物和人我们都观察和分析过了，下一个是观察分析什么啦？（生：植物）

6．谈话：对，是植物。你们打算怎么观察研究呢？先讨论一下。

7．学生讨论，引导拿出操作方法。

8．学生室外观察，并做好记录，采集样本。

9．师生讨论总结，得出结论。

【评析】这一环节真实而自然的引导和经历，使学生感受深刻，同时体验到研究的快乐。最大限度的放手给学生，学生拥有自主研究的主权和时间，教师只是一个组织者。学生的合作也异常活跃，积极性很高。

四、学生轻松经历变异的奇异

1．谈话：生活中生物产生的变异现象很多，并且还有一些科学家在这方面作了研究，下面就让我们来看看，请大家留心，看哪些变异现象可以往下一带遗传，那些不会遗传给下一代。

2．学生观看有关变异现象的资料。

【说明】这里的内容是经过精选的视屏信息或者电脑制作的动画或幻灯片，内容是有关变异现象的，应该有的可遗传性变异和不可遗传性变异的现象。

3．学生讨论自己生活中的有关现象。

4．师生总结这两种变异现象。

【评析】我们研究往往也会疲倦，虽然有一定的兴趣，但是单一的活动形式，会引起人的倦怠。在这部分就是让学生轻松一下，并透过今天的媒体获得更多的信息，这可是学生最乐意接受的一种学习方式，并且印象深刻。

五、课后调查活动

谈话：经过两堂课的研究，我们对遗传和变异已经有了很深的认识，我们会发现遗传和变异的特征可以互相转换，并不固定。请你们回去将课本45页书上的调查表带回家和你的家人比比填写好，或许你们你还会发现很多的秘密。

教学片断赏析

“引导学生寻觅”的教学片断

师：你们有什么疑问吗？

生：老师你确定它们是一个家庭的吗？

师：为什么这么问？

生：你看这个金鱼头上有个小突起，而这一个却是平平的。

师：还有什么发现吗？

生：颜色差别很大。

生：尾巴也不太一样。

生：嘴巴也有不同。

师：它们有没有相同的地方呢？

生：也很多，这两条鱼头部形同。

生：这两条尾巴相同。

师：刚才不是说尾巴不同吗？

生：那时那两条，这是这两条。

师：你们观察很仔细，值得表扬，每个人都有自己的看法，更值得表扬，不过老实告诉你们它们是一个妈妈生的。

生：哟――

【片断评析】当学生的发现和理想的答案有反差时正是产生疑问的地方。学生能够提出自己的想法可见学生的思维的活跃性，老师抓住学生这一点，并深入的引导他们去比较遗传和变异的内容特征，含而不露，自然而生动，让学生理解遗传和变异的真对动物发生的部位特征，有其相交和重叠的地方。层层深入，学生也被带入一个深思的境地。

教学手记

篇7：《生物的变异》教学反思

一、创设情境，导入新课

通过找一找(根据英国双胞胎全家照找出哪两个是双胞胎)环节，引导学生认识生物具有变异现象，我们可以根据生物的变异现象来初步探寻孩子与父母的不同之处。

二、通过大量资料来进一步认识

变异现象不仅是人类特有的，植物和动物都是有变异现象的。植物：以三叶草的变异(四叶草或者五叶草)、豌豆、玉米、牡丹、郁金香等植物为例，说明植物的变异现象;动物：以俗语“一猪生九仔，连母十个样”、金鱼、猫等为例，说明动物具有变异现象。

三、拓展迁移，学会应用

简介“龙生九子”的例子，拓宽学生的知识面。

四、缺陷与不足

篇8：《生物的变异现象》教学设计案例

众所周知,心理压力和不良情绪会导致心律紊乱,不利于生理功能的正常发挥。心率变异性是描述自主神经系统平衡性的重要指标,能反映个人有效应对压力、不良情绪的能力[1,2]。目前,心率变异性分析技术在生物反馈技术中的应用非常少,虽然有些生物反馈产品中使用了心率变异性相关的评价指标,但都局限于简单的时域指标,几乎没有涉及频域变换上的指标,相应的技术原理研究也不够深入细致。本系统有针对性地引入心率变异性时域、频域分析指标,有效地将心率变异性分析技术应用到生物反馈技术当中。

2 技术原理

心率变异性是指每一次心跳时间不断改变的现象。每一次心跳的时间间隔对应了人的瞬时心率,它随着人的呼吸、血压、情绪的改变而不断起伏变化。这种变化是受人体自主神经系统所控制,而心率变异性分析正是反映自主神经平衡强有力的手段[3,4,5]。

有研究表明,通过深呼吸技术或把注意力集中在精神上,即控制意念的方法使自主平衡增加副交感神经的活动、增加心脑活动的同步、增强心血管的谐振以及与其他振荡系统的互引,调整身体运行处于理想状态[1,2,6,7]。在这种理想状态下,瞬时心率曲线在波形上类似于一条正弦波,HRV频域上表现为功率谱集中、低频(LF)功率大幅度增大,尤其在0.1 Hz附近[1,2,6,8],如图1所示。否则,即时心率曲线和频域功率分布杂乱,无明显规律。

基于上述理论模型,设计实现了心率变异性反馈算法,它分为:HRV指数计算方法、反馈得分算法、多媒体动画反馈算法等3个子算法。这些子算法环环相扣,完成了系统软件实时分析的整个计算流程。根据各个阶段算法的计算结果,得到了瞬时心率变化曲线、累积得分变化曲线、HRV频域分布柱状图。将其作为图形反馈结果,帮助使用者更好地了解、把握在生物反馈训练过程中心跳节律变化的趋势。

3 系统设计

3.1 系统实时处理流程

系统使用生理参数检测装置提取心动周期信号并通过短距无线(蓝牙)方式发送数据;利用计算机终端接收、处理数据得到正常心动周期信号;采用心率变异性反馈算法得到相关反馈结果;通过图形显示的方式实时显示分析结果以及采用多媒体动画的方式实时反映训练效果;受试者不断进行以提高反馈结果为目的生物反馈训练,如图2所示。

3.2 系统软件结构功能

如图3所示,该软件系统划分为4大功能模块:

(1)数据管理功能:人员基本信息管理、数据记录信息管理;

(2)实时监测分析功能:训练累积得分、瞬时心率、心率变异性功率谱等参数图形的实时显示,多媒体动画实时显示,训练指导语的播放;

(3)数据回顾统计功能:单数据记录训练过程实时回放,单数据记录参数、趋势图的分析显示,多数据记录训练效果评价的分析显示,统计报告的打印;

(4)训练教程:心率变异性反馈训练方法介绍与指导。

4 系统实现

4.1 硬件系统实现

基于心率变异性生物反馈系统的硬件设备主要包括2个部分:生理参数检测装置和BlueSoleil蓝牙适配器。

(1)生理参数检测装置(如图4(a)所示):使用我所研制的可穿戴式生理参数记录检测仪。该检测装置佩戴于人体胸部提取心电、呼吸等信号,通过检测装置中短距蓝牙通信模块发送数据。

(2)BlueSoleil蓝牙适配器(如图4(b)所示):可编程蓝牙适配器。控制蓝牙适配器与生理参数检测装置建立虚拟串口连接,接收心电信号数据,并将数据发送至计算机软件终端进行计算分析。

4.2 软件系统实现

该系统软件开发平台为Virtual Studio 2005;开发语言为C++,采用MFC、BlueSoleil API、Microsoft DirectX SDK共同开发完成[9,10,11]。软件的开发过程依据《GB/T 8566—2007信息技术软件生存周期过程》,软件测试过程依据《GB 15532—2008计算机软件测试规范》。系统可运行在Windows XP SP2、Windows 7等操作系统上,最佳分辨率为1 680×1 050或以上。该系统软件界面如图5所示。

5 应用效果

基于心率变异性的生物反馈系统进行了上百次的反馈训练实验。通过实验评定得出结论:系统硬件工作正常,无故障发生,数据传输完整,可靠性良好;系统软件界面友好,反馈场景动画丰富生动,数据图文分析清晰,结果可靠。典型训练效果图如图6所示,经过呼吸反馈调节,图6(a)深色竖线附近心率曲线规律变化类似一个正弦,图6(b)HRV频域上功率谱集中在0.1 Hz附近,训练达到最佳效果。

6 结束语

系统将心率变异性分析法应用到生物反馈技术中,实时、准确地分析得到反映心跳节律变化的反馈结果,使用者可以即时体会原来并不为己感知的身体变化,有效地引导使用者使用相应的反馈训练方法进行生物反馈训练,不断改善人体机能,从而减小心理压力或不良情绪造成的生理影响,提高工作效率,降低患病风险。

该系统设计实现有以下突出特点:采用可穿戴式的生理信号提取装置,使用者佩戴更方便、舒适;采用无线通信的方式传输采集到的生理信号数据,有效避免了传统有线连接传输数据给使用者带来的束缚感,使受试者在反馈训练中更加松弛自如;采用多媒体技术制作反馈动画和训练指导语,辅助使用者提高反馈训练质量。

在该系统的研制工作中,还成功地将心率变异性分析法移植到了基于指脉搏生理信号的生物反馈系统中,通过实验证明了该方法的准确、有效。由此可见,基于心率变异性分析法是可以用来分析反映心率节律变化的任何生理信号,比如耳脉搏信号等。在今后的工作中可以将研制的指脉搏、耳脉搏生理信号提取装置纳入到基于心率变异性的生物反馈系统中,满足不同使用者的使用需要,对丰富生物反馈系统的应用有重要的意义。

摘要：目的:设计实现一种基于心率变异性分析方法的生物反馈系统,提升生物反馈训练的效果,改善人体机能状态。方法:通过使用心率变异性反馈算法,分析心跳节律变化趋势,引导使用者有针对性地控制心跳节律同步。结果:系统可以实时准确地分析得到反馈训练结果,有效引导生物反馈训练。结论:使用系统进行生物反馈训练,可以调节心理压力或不良情绪造成的生理影响,降低患病风险。

关键词：心率变异性,生物反馈,心跳节律同步

参考文献

[1]MCCRATY R.Heart Rhyth m Coherence:An Emerging Area ofBiofeedback[J].Biofeedback,2002,30(1):23-25.

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