生物力学的研究精选(九篇)

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第1篇：生物力学的研究范文

关键词 生物力学 步态 最新进展 应用领域

中图分类号：R743 文献标识码：A

步行是人们在日常生活中最基本的运动方式，而步态是指人类步行的行为特征。步态生物力学研究是运用力学方法和技术，并基于人体机能解剖学和生理学的基本理论对人体行走功能状态进行测量、分析、评价的应用研究。吴剑等（2002）在“步态生物力学研究进展”中对2002年之前的研究进展进行了论述，随着科学技术的发展和三维步态分析仪器开发利用，国内外对步态研究的进程也呈现出逐步加快的趋势，但目前在众多的研究成果中，还没有对新时期步态生物力学的研究进展进行的研究，因此本文通过对步态生物力学的研究进行分析，旨在为促进步态生物力学的研究进程，为以后的研究奠定基础。

1步态的一般生物力学研究进展

1.1步态周期

步态周期是指从一侧足跟着地到该足跟再次着地所构成的周期。一个步态周期分为支撑相与摆动相2个相位。支撑相在整个步态周期中约占60%；摆动相约占40%。而跑动时支撑相约占整个步态周期的65%，摆动相约占35%。一条腿在一个完整的步态周期中经历的状态依次为：足跟着地、足放平、支撑、足尖离地、腿弯曲摆动、腿伸直向外摆动、然后足跟着地，进入新的步态周期。前4个状态是支撑相，后3个状态是摆动相。步态周期与身高的差异不显著。

1.2步长与跨步长

步长是指同侧足跟或足尖到迈步后足跟或足尖之间的距离，正常成人的步长值约为150―160cm。跨步长是指行走时一侧足跟到对侧足跟之间的最大距离，正常成年人的跨步长约为127cm，正常成年人随着年龄的增长，其跨步长与年龄成负相关，与身高成正相关，另外跨步长与步频也有相关关系。

1.3步频与步速

步频是指行走时每分钟迈出的步数，步频=60（s）/步长平均时间（s）。步速是指步行的平均速度（m/s）。对20-39岁、40-59岁、60-79岁三个年龄段的正常成人进行步态分析表明：20-39岁年龄段的正常成人的步频为1.9412，步速为1.2616；40-59岁年龄段的步频为1.8117，步速为1.0514；60-79岁年龄段的步频为1.7621，步速为0.9524 。

1.4身体质心起伏

人起步时，虽然地面作用于人的脚底的静摩擦力对人这一质点组不做功，但这一静摩擦力对人的质心做功，正因为这个功使人的质心动能增大，人才得以起步运行。另一方面，质心动能的获得，是以人体各质点克服静摩擦力相对于质心做功为代价的。这一代价来源于人体各质点间相互作用的非保守力的功。对于一个健康的成人，当其正常行走时，质心起伏的幅度约为4.4cm。

1.5关节角度

人体下肢步态运动可以简化为一个四刚体模型（包括躯干）。对于髋关节和膝关节，围绕静止站立位有曲屈和伸展两个方向，定义伸展为角度负向，弯曲为角度正向；对于踝关节有背屈和跖屈两个方向，定义背屈为角度负方向，跖屈为角度正方向。Grabiner等认为膝关节必须在支撑期完全伸直，在摆动期屈曲大约60是教谋匾跫？

2步态生物力学研究的应用

2.1功能检测与评定

步态生物力学的研究对象为生物体的移动状态，测量参数具有自主控制成分。步行的对称性和圆滑性可以根据步态分析所得的参数（包括：运动学、步态时间―距离参数和动力学参数）进行推测，稳定性和波动性可根据重心位移和力的作用点进行判断，其速度、节奏和持久性的判断则是根据步速、步频和步行的持续距离。从已有的研究中，主要对妊娠期妇女、老年人、“三瘫一截”（脑瘫、截瘫、偏瘫、截肢）的残疾者、肥胖人群的行走人群进行功能检测与评定。

邱纪方等对20例痉挛型脑瘫患儿及青年，连续进行了步态的评测（包括运动分析），其测量指标分别为：屈髋畸形（改良托马斯试验）、膝关节伸展、绳肌长度（角）、比目鱼肌长度、腓肠肌长度等。其结果表明：所有指标均与CCC具有良好的一致性（0.67～0.96）；观测者间一致性随测量指标的改变而有较大改变，CCC为0.34～0.87。髋外伸展的CCC左髋是0.34，右髋为0.42。

李艳霞等采用比利时Footscan USB2平板式足底压测试系统对体质量指数>28 kg/m2的肥胖学生进行动态足底压力测试，以此探索肥胖人群足底压力参数的分布规律。

周有礼等通过对的动力学分析，解决了孕妇完整人体检测资料缺乏的困境，为发现妊娠妇女步态研究奠定了基础，但是缺乏具体的评价指标。

王琳等采用横向比较性研究设计法对中国青春期前BMI（体重指数）小于30 kg/ m2的男性肥胖儿童和体重正常的男性儿童在步态和姿势控制方面是否存在差别进行了研究，结果显示：肥胖儿童在步态的稳定性和姿势控制上均不如正常儿童的稳定。

2.2疾病的预防

第2篇：生物力学的研究范文

关键词 运动生物力学 竞技体育 现状 趋势

一、前言

运动生物力学以其多学科的交叉应用性的研究成果应用于指导体育运动实践；特别是竞技体育的科学训练的需要，运动生物力学在测量技术上不断取得新突破，在改进和完善动作技术，选择和设计优化的动作技术方案等的方面产生了积极的影响。运动生物力学在技术原理方面的研究为运动员的技术诊断和改进训练方法的理论依据。此外，运动生物力学在运动创伤的防治、康复器械的改进，仿生机械等方面也有重要作用；同时也为运动员选材提供了依据。

二、运动生物力学在竞技体育中的研究现状

（一）竞技体育中运动装备、训练器械、测试仪器的研究现状

在竞技体育中对运动装备、训练器械、测试仪器的研究是直接为提高运动成绩服务的，这就对运动生物力学在竞技体育中的科研提出了很高的要求。但就目前的运动生物力学测试仪器来说，测试仪器越来越多样化、测试结果也越来越精确。而且，许多新的现代化的技术装备也被应用到运动生物力学研究上，如运动器械等的研究如运动鞋、训练器材等，近些年对运动器械、仪器设备的研发方面的研究比较少，这类研究有比较好的前景，若利用得当，将大大推动学科的发展，同时对经济的增长也有很大作用[1]。

（二）运动员选材方面的研究现状

运动员选材已从单一方面研究深入到全面展示不同项目运动员身体形态、生理机能、运动力学生物力学等方面的综合的研究，这些学科需要多种方法综合运用，以达到理想的效果。对于竞技体育选材的问题，要从多学科交叉研究才能完成。而运动生物力学的研究更加依赖高新技术运动生物力学的研究，而当前竞技体育中相对缺乏高科技多学科的综合，测试方法上的局限于现有方法的应用，且缺乏较高水平的运动生物力学在运动员选材方面研究；在选材内容上偏重于以往的仪器测试，在选材项目上比较局限，展开的项目不多，也没有进行深入研究。

（三）运动损伤及其康复的研究现状

运动生物力学研究竞技体育中运动训练引起损伤机制，了解与认识其病因、探讨预防、治疗及康复措施一直是运动医学与运动生物力学在竞技体育研究中要解决的重点问题之一。在竞技体育中用运动生物力学的方法研究运动损伤及康复的研究也越来越受到重视，而且与运动专项结合更加紧密。运动损伤相关研究包括对正常运动系统的研究，由于运动创伤中以韧带、软骨的损伤为主，故韧带与软骨成为研究的重点，尤其是软骨，此外对运动损伤相关研究还包括运动损伤及修复与重建后相关组织的生物力学研究，运动损伤及修复与重建后关节的整体生物力学特性研究也是研究重点[2]。

（四）技术动作的研究现状

竞技体育项目动作的技术分析研究是目前运动生物力学研究成果最多的，这些研究成果为运动成绩的提高作了重大的贡献。但是在技术动作的研究中也出现了一些问题，田径、武术等项目研究得比较多，而技术稳定性差，对抗性及灵活性强的项目研究的比较少，这也许是由于像田径等稳定性强的动作技术容易进行分析研究，而技术稳定性弱的项目技术动作不易分析研究而造成的。运动生物力学在技术研究中目前最先要解决的是怎样将生物力学的有关理论尽快地运用到体育实践中解决技术训练中存在的具体问题。

（五）人体运动模型研究及计算机模拟与仿真的模拟现状

经计算机实现对人体运动的模拟仿真，这类研究是目前处于人体运动研究的最前沿的理论方法，它不仅能用电脑全过程模拟人体各种复杂运动并用三维动画方式完整地显示，而且能对人体尚未实现的运动预测其可能性和技术要点[3]。这一方法将是今后运动生物力学研究的重要方面。这些方法在竞技体育中能得以应用将会对我国竞技体育的发展将会有着重大的意义。目前我国在这个方面研究的不是很多主要是应用于高难度，高危险性的技术的方面的项目，如：跳水项目，郝卫平等建立了跳水运动的三维人体运动仿真与显示平台――数字化三维跳水专项运动仿真系统，这种系统的建立可以对运动技术与连接方式进行精确的分析研究，有效的指导技术训练。

（六）运动生物力学的理论研究与实验测试结合的研究现状

目前运动生物力学的理论研究成果还比较少，研究成果不够丰富，从而成为制约我国运动生物力学在竞技体育中发展的瓶颈。测试报告复杂难懂：通过运动生物力学测试，我们提供给教练的测试报告大多数都是数字、曲线等比较抽象的材料，由于教练和运动员自身的生物力学知识水平受限，他们对科研人员提供的数据和材料难以理解，很难将科研成果吸收和消化、时间长就丧失了对科研的兴趣，科研训练实践严重脱节[4]。

三、运动生物力学在竞技体育中的发展趋势

（一）运动装备、训练器械、测试仪器设备的研究日益引起重视

运动装备、训练器械、测试仪器设备是与竞技体育的发展是密不可分的，当今竞技体育的发展对装备、器械、测试仪器提出了更高的要求。近年来运动生物力学与其它学科的指标进行交叉运用使测试仪器的功能、准确度等不断的提高。器材与测试仪器出现专项化，测试和训练的计算机化，专项技术的专用测试仪器以及运动员的服装，器械的研究不断的增强。随着科学训练的不断普及化，技术测试仪器专项化等在竞技体育研究中得到充分应用并不断向科学化和合理化的方向发展。运动生物力学在设计、研究、改进体育仪器、运动装备、训练器械等历来是研究的一个重要方面，运动生物力学在未来的竞技体育科研中应以机械、电子、材料、计算机等的专家积极交流，在竞技体育的仪器、器材设备、和设施的科研、开发和应用方面，发挥自己的作用。

（二）运动生物化学在运动员选材中将扮演更加重要的作用

运动生物力学中的许多测试仪器可用来收集、分析和评价运动员与器材运动的信息，高速摄影仪，测力台、肌电图、关节测角仪等这些仪器精确度高，效果好。且这些仪器是科研人员的在竞技体育研究中的重要研究工具，运动员选材在竞技体育中是非常重要的，随着科学训练的普及化，有些仪器也被教练员及科研人员使用来进行运动员选材并且在选材过程中扮演中重要的作用

（三）运动损伤及康复的研究将更加的深入

预防运动损伤是运动员取得更好的成绩有着重要的意义，并且在实践研究中找出导致损伤的因素及提出预防措施，使运动损伤的风险降至最低，为运动员取得最佳成绩打下了基础。近年来我国在运动损伤及康复的研究也越来越受到重视且与运动专项结合不断加强。预防运动损伤与康复的研究要多方法、多学科结合的研究，所以加强多学科的交叉对预防运动员伤病与康复的研究是运动生物力学研究的发展趋势。

（四）技术动作的分析研究增多

竞技体育动作技术研究是运动生物力学主要研究的领域之一。用运动生物力学原理优化的训练方法与技术动作应用在竞技体育中，可以有效延长运动寿命还可以预防运动的损伤，为运动员取得理想的成绩奠定了基础。目前研究技术动作最多的项目有田径、武术等技术稳定性的项目，而集体项目、对抗性项目等项目研究的较少。而今后竞技体育的动作技术研究的发展趋势主要有：从几个运动项目的研究向众多运动项目的研究扩展；从单人项目向集体项目向对抗性项目发展；从单纯技术研究向战术研究发展；从单项指标的测试研究向多项指标的综合测试；从单一的运动学指标测试研究向运动学、动力学、生物学多项指标的综合测试研究发展；从单学科研究向多学科综合研究发展；从单一的运动生物力学研究向生物力学、运动生理生化、运动心理等多学科的综合测试研究方向迈进[5]。

（五）人体运动模型研究及计算机模拟与仿真

计算机实现对人体运动模型的研究是目前处于人体运动研究的最前沿的理论方法，此种方法不仅能用电脑全过程模拟人体各种运动并用三维动画方式完整地显示出来，而且还能对人体尚未实现的运动预测其可能性和技术要点，这个方法是运动生物力学今后研究的重要领域之一。但是随着电子计算机在运动生物力学研究中的普遍利用，运动生物力学研究中很多困难已逐步得到解决，因此，建立各种运动模型进行模拟试验是运动生物力学研究方法的又一发展趋势。在建立人体运动模型的基础上，对运动过程进行模拟与仿真是目前也是目前运动生物力学探索的难点及运动生物力学尖端研究课题。国家体育总局科研所郝卫亚等[6]研究并实现了一个适合于跳水运动的三维人体运动仿真与显示平台――数字化三维跳水专项运动仿真系统。通过该系统，可以对竞技体育动作技术进行生物力学的分析且利用三维动画对运动员的动作技术进行模拟仿真，进而促进科学化训练。

（六）运动生物力学的基础理论研究与训练实验的结合不断加强

运动生物力学的研究旨在更好的进行科学训练，目前最先要解决的是怎样将生物力学的有关理论和测试方法等研究尽快地运用到竞技体育实践中解决运动训练的具体问题，为此根据目前训练的需要应将研究的报告简单化、形象化、实用化，以提高运动训练的实效性，帮助运动员提高运动成绩。

四、小结

（一）对运动技术研究在今后运动生物力学在竞技体育研究中仍然是研究的重点，竞技体育动作技术研究是今后运动生物力学研究的重要领域之一。

（二）运动装备、训练器械、测试仪器设备的研制增多，且运用高新技术研制生物力学的测试仪器是运动生物力学研究者不断研究的内容。

（三）运动生物力学在运动员的选才过程中将扮演中重要的作用，随着科学训练的普及化，运动生物力学中的许多测试仪器经常应用于运动员的选材。

（四）运动损伤与康复的研究将更加得到重视，应广泛结合其它学科的交叉研究共同解决运动生物力学在竞技体育研究中的有关问题，而且与运动专项结合更加紧密的研究以期来减少在训练中的运动损伤。

（五）加强多学科的合作，研究与训练实践的更好结合，促进运动生物力学的科研更好地为训练服务，以提高运动训练的实效性，促进运动员成绩的提高。

（六）人体运动模型及计算机模拟仿真等高新技术使运动生物力学的研究手段得到大幅度提高，适时运用高新技术来研制测试仪器是运动生物力学研究的一个重要课题。

参考文献：

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[2]刘平.生物力学在运动医学领域应用现状和展望[J].医用生物力学.2008.2(23):99.

[3]华立君.运动生物力学的研究现状与展望[J].牡丹江师范学院学报.2006.4:41-42.

[4]华立君.运动生物力学的研究现状与展望[J].牡丹江师范学院学报.2006.4:41-42.

第3篇：生物力学的研究范文

[关键词] 丹参酚酸B；后处理；组织工程；心脏瓣膜；形态学；生物力学

[中图分类号] R318.08 [文献标识码] A [文章编号]1673-9701（2011）22-13- 02

Effect of Salviaolic Acid B Postconditioning on Morphology and Biomechanics in Decellularized Porcine Aortic Valve

TAO Rancen GUO Guangwei

Department of Cardiothorocic Surgery，the Second Affiliated Hospital of Shanxi Medical University，Taiyuan 030001，China

[Abstract] Objective To observe the effect of salviaolic acid B postconditioning on morphology and biomechanics of decellularized pocine aortic valve，providing theoretical support for tissue engineering. Methods Porcine aortic valve leaflets were theated by two different proticols. Control group1 involved treatment with Triton-x100，sodium deoxycholate，DNase and RNase. And group 2 were treated by Triton-x100，sodium deoxycholate，DNase and RNase， then using salviaolic acid B post-processing. Eath samples were observered by microscopy and scanning electron microscope； Biomechanics characteristics measured by biomechanics properties-maximum deflection，elongation rate and max tensile stress. Statistical analysis was performed to compare the thickness. Results There was no significant difference in tissue thickness was found between two methods，Tx-sal method can protect the heart valve three-dimensional structure，biomechanics properties-maximum deflection ， max load and elongation rate were increased significantly in the group with salviaolic acid B. Conclusion Salviaolic acid B post-processing can effectively protect the collagen and elastic fibers and improve the biomechanical properties of decellularized pocine aortic valve.

[Key words] Salviaolic acid B； Postconditioning；Tissue engineering；Heart valves； Morphology；Biomechanics

理想的组织工程异种生物瓣膜支架应彻底去除细胞成分、最大限度地保存弹性纤维和胶原纤维，才能最大程度地减低免疫原性，较好地保留细胞黏附所需的三维微环境，进而更好地避免在瓣膜置换术后瓣膜的钙化和腐败，提高瓣膜耐久性[1-2]。目前，国内外所采用的酶或/和去垢剂脱细胞猪心脏瓣膜仍存在血栓形成、力学和免疫反应等方面的问题。因此本研究通过建立传统的曲拉通法脱细胞模型、应用丹参酚酸B后处理的方法，比较两组瓣膜形态学及生物力学性能的差别，探讨其在组织工程心脏瓣膜（TEHV）的应用前景。

1 材料与方法

1.1 实验材料

猪心购自太原屠宰场，选取6～7月龄的猪宰杀后取出心脏，PBS液冲洗后，放入无菌袋中立即运回实验室，在处死1h内取主动脉瓣膜。

1.2 药品、试剂和仪器

丹参酚酸B（四川广汉市本草植化有限公司）、脱氧胆酸钠、Triton-x100、EDTA、核糖核酸酶（RNaseⅠ）和脱氧核糖核酸酶（DNaseⅠ）购自美国Sigma公司；水浴恒温震荡仪，Olympus双目显微镜，扫描电子显微镜（H-8000），HD-10型厚度仪（中国郑州），拉力试验机（Instron Company，SE08-292，USA）。

1.3 实验分组及试验方法

按随机数字法，将120片瓣叶随机分为三组：曲拉通组、曲拉通-丹参酚酸B组和正常组（新鲜猪主动脉瓣叶）。每组40片，曲拉通-丹参酚酸B作为实验组，曲拉通和正常组作为对照。

①曲拉通（Triton-x100，Tx）组[3]：消毒处理好的瓣叶，PBS液反复冲洗后置入含0.25%的脱氧胆酸钠（sodium deoxycholate）、0.25%Triton-x100、0.02%的DNA酶、RNA酶和EDTA溶液恒温37℃持续震荡48h，用PBS液洗涤至清澈，后在4℃Hanks液中保存。②曲拉通-丹参酚酸B（Triton-x100 +salvianolic-acid B，Tx-sal）组：消毒处理好的瓣叶，PBS液反复冲洗后置入含0.25%的脱氧胆酸钠、0.25%Triton-x100、0.02%的DNA酶、RNA酶和EDTA溶液恒温37℃持续震荡48h，后置于0.5%的丹参酚酸B溶液中4℃恒温震荡48h，用PBS液洗涤至清澈，后在4℃Hanks液中保存。

1.4 观察指标

1.4.1 光学显微镜和电子显微镜观察 取各组瓣叶，常规4%甲醛固定，石蜡包埋，切片，从各组取5张石蜡切片， 二甲苯脱蜡，HE染色、Masson染色，光学显微镜下观察。分别观察脱细胞程度、两组对胶原纤维的影响。两组各取5片瓣叶，用3%戊二醛预固定，用1%的四氧化锇再固定，乙醇梯度脱水，离子溅射喷金，扫描电镜观察。

1.4.2 组织厚度 每组各取10片瓣叶，分别应用 HD-10型厚度仪测量瓣膜组织厚度。

1.4.3 生物力学特性 用拉力试验机（Instron Company，SE08-292，USA）将瓣叶沿瓣膜长轴进行拉伸实验，标距为20mm，以10 mm/ min速度牵拉瓣叶至断裂，计算拉伸强度、最大变形量、断裂伸长比。

1.5 统计学处理

所有数据以均数±标准差（χ±s）表示，应用SPSS16.0统计软件。组间差异性判断应用单因素方差分析，两两比较采用t检验，P ＜ 0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 标本观察结果

新鲜组瓣叶呈淡红色，基本保持正常形态结构。经曲拉通脱细胞处理后瓣叶呈白色半透明，实验组经丹参酚酸B处理后瓣叶为乳白色。三组瓣叶均柔软，富有弹性。

2.2 光镜观察结果

HE染色显示，正常组可见大量间质细胞和蓝染的内皮细胞核，瓣膜结构紧密，Tx组和Tx-sal组脱细胞较完全，内皮细胞无残留，见封三图1、2、3。Masson染色显示，正常组胶原纤维排列整齐、无断裂现象。Tx组胶原纤维结构改变明显，纤维走向模糊，排列松散，波浪状结构消失；Tx-sal组胶原纤维三维网状结构完整存在，波浪状规则排列，纤维走向自然清晰，见封三图4、5、6。

2.3 电镜观察结果

扫描电镜显示两组去细胞瓣膜内皮细胞、间质细胞清除彻底，无残留。Tx组可见瓣膜支架结构明显改变，胶原纤维轻度断裂，形成深浅不一的沟。相比之下，Tx-sal组瓣膜三维网状结构规则、清晰，超微结构改变不明显。

2.4 组织厚度

组织厚度Tx组与加Tx-sal组分别为（0.73±0.03）mm和（0.75±0.05）mm，差异无统计学意义（P＞0.05 ）。

2.5 生物力学性能测定

Tx-sal组心脏瓣膜的抗拉强度、最大变形量、断裂伸长比明显高于Tx组（P＜0.05）。见表1。

表1 各组生物力学性能测定结果（χ±s， n=10）

组别 抗拉强度（MPa） 最大变形量（mm） 断裂伸长比（λ）

正常组 2.32±0.34 7.89±0.24 1.66±0.33

Tx组 2.21±0.37 8.15±0.77 1.25±0.18

3 讨论

近年来，随着组织工程学科的发展，组织工程心脏瓣膜（TEHV）能更好地解决人工瓣膜置换术后诸多的并发症，已成为目前瓣膜领域研究的热点[4，5]。理想的去细胞方法要求完全去除瓣膜细胞，降低免疫原性，又能保留天然瓣膜的胶原纤维、弹力纤维等细胞外基质成分，保持足够的机械强度以满足心脏瓣膜的功能需求[6，7]。Bodnar[8]用Triton-x100和脱氧胆酸钠去细胞法处理瓣膜较为理想，细胞去除彻底，血液相容性好，是两种良好的组织工程瓣膜支架的制作方法。但是两者都存在钙化和衰败以及黏附较为困难的问题。有研究表明[9]，机械应力变化是直接引起异种生物瓣膜腐败的重要因素之一，且承受应力大的部位也最容易发生钙化，长期的机械应力不仅导致瓣膜胶原纤维机械性损毁，还可使瓣膜变形产生间隙，大量的离子和血浆进入组织间隙聚集引起血栓发生，导致瓣膜衰败。因此，研究如何提高支架机械性能、减低移植物免疫原性、减少瓣叶钙化，具有重要临床意义。

丹参酚酸B（Salviaolic acid B）是丹参提取物的重要组成成分，为一种缩酚酸多羟基化合物，由一分子咖啡酸与三分子丹参素缩合而成，分子式C36H30O16。大量研究表明，salB能捕捉超氧阴离子；清除氧自由基；减低内皮细胞间黏附因子（ICAM-1）的表达，减少白细胞浸润；还可避免细胞内的钙超载，降低钙化[10]。本研究结果显示，经丹参酚酸B改性处理脱细胞猪心脏瓣膜的弹性纤维、胶原纤维等细胞外基质的三维网状结构明显优于传统的曲拉通法，此外，拉力力学检测结果表明，实验组脱细胞猪心脏瓣膜抗拉强度、最大变形量、断裂伸长比明显高于对照组，显示了优良机械性能，提高瓣膜抗疲劳性，有助于延长置换术后瓣膜的使用寿命。

综上所述，经丹参酚酸B后处理的心脏瓣膜内皮细胞去除彻底，胶原纤维保存完整，机械性能较为稳定，是制备组织工程心脏瓣膜支架的优良方法，并显示可观的临床应用前景。

[参考文献]

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[9] Balguid A，Rubbens MP，Mol A，et al. The role of collagen cross-links in biomechanical behavior of human aortic heart valve leaflets--relevance for tissue engineering[J]. Tissue Eng，2007，3（7）： 1501-1511

第4篇：生物力学的研究范文

【摘要】 目的 通过应用解剖型股骨粗隆锁定钩板内固定系统（ALHP）固定股骨粗隆间不稳定性骨折的生物力学研究，探讨老年性股骨粗隆间骨折ALHP的生物力学性能和临床应用。方法 8具国人新鲜股骨标本进行ALHP和动力髋螺钉（DHS）固定后的生物力学对比测试。结果 两者载荷应变、载荷位移、强度和刚度、扭转力学性能、极限载能等统计学显示有显著性差异（P＜0.05）。结论 生物力学实验结果证明ALHP在抗张、抗压、抗弯、抗剪切方面明显优于DHS。ALHP设计合理，立体固定，整体稳定性高，有利于老年患者早期功能锻炼，防止各种并发症的发生。

【关键词】 股骨骨折；股骨粗隆；内固定；生物力学；钢板

Abstract： Objective To study the biomechanics of anatomical locked hookplate(ALHP) for treating instable intertrochanteric fracture for providing the basis of clinical application.Methods Eight pairs of fresh mature femor specimen were respectively fixed with anatomical locked hookplate system and DHS (dynamic hip screw)，and then biomechanical results of both were compared.Results The biomechanical comparison showed that there was significant statistical difference between the anatomical locked hookplate and DHS in loadstrain，loaddisplacement，strength and rigidity，the ability of antitorsion and ultimate bearing capacity（P＜0.05）.Conclusion ALHP has remarkable advantages over DHS in the ability of antitension，anticompression，antibending and anticut.ALHP has better design and stronger stability.It can make aged patients exercise early and reduce the incidence of complication.

Key words:femoral fracture；femoral trochanter;internal fixation;biomechanics;plate

股骨粗隆间骨折多发于骨质疏松的老年人，近年来其发病率呈显著上升趋势。其保守治疗需长期卧床，容易导致坠积性肺炎、泌尿系统感染及褥疮等严重并发症。国外文献报道老年股骨粗隆间骨折患者保守治疗的死亡率高达50%［1］，也有报告老年股骨粗隆间骨折非手术治疗组的死亡率要比手术治疗组高4.5倍［2］，而采用手术切开复位器械固定，则效果更佳［3］。作者于2006年开始研制解剖型股骨粗隆锁定钩钢板内固定系统（anatomical locked hook-plate internal fixation system，ALHP），经临床应用疗效满意，极大地降低了髋内翻畸形、肢体短缩和髋部疼痛等并发症的发病率。为了进一步论证本器械在治疗股骨粗隆不稳定骨折的优点，本文通过生物力学实验论证动力髋螺钉（DHS）和ALHP的生物力学性能，为临床提供科学的基础理论依据。

材料与方法

1 一般资料

采集老年骨质疏松标本8具，男性5例，女性3例；平均年龄70岁，体重68kg。标本先行剥离软组织，经X射线证实无病理缺陷、畸形、骨折或肿瘤病患者。标本封装储存于-40℃冰柜内保存。实验时逐级解冻。

2 标本的实验力学模型制作

所有标本用NORLAND公司生产的XR36型双能X线吸收骨质密度仪测定股骨粗隆间的骨质密度值。本文取骨质密度值0.76g/cm2以下者为骨质疏松标本，仿Evans股骨粗隆间骨折类型人工形成Ⅳ型骨折。将标本随机分为实验组（ALHP）和对照组（DHS）。模拟单足站立负重，考虑外展肌参与作用，在股骨头部及股骨干部布置应变片6枚（见图1）。

图1 股骨粗隆间骨折Evans分型及内固定

生物力学实验模型图标本在WE5生物力学实验机上加载，载荷级别分别为0、600、1200、1800N，加载速度为1.4mm/min。测量股骨粗隆部位及股骨干上应力分布及头部移位情况，以比较不同器械固定的生物力学性能。所有的标本模型、结构、材料力学性能、加载及手术创伤和固定方法尽量保持一致，以提高测量精度，并事先对股骨头的机械力学性能进行测量。

3 ALHP结构

在深入研究股骨近端解剖、复杂受力特征和治疗股骨粗隆间骨折各种内固定物优缺点的基础上，笔者设计了ALHP（见图2）。其结构包括：钩板、拉力螺钉、压定螺钉、锁定螺钉、加压螺钉。钩板主体为钩板体和粗隆钩，粗隆钩设有2个，以解剖形态钩抱粉碎的骨折块，压定螺钉可防止拉力螺钉松动退出。拉力螺钉为3枚空心螺钉，远端设置外螺纹，具有自攻功能。组合螺钉孔设有3～5个。本内固定系统特点为3根拉力螺钉固定于股骨头颈，把持力强，具有明显的分散应力的作用，防止螺钉应力集中对股骨头颈的切割。两个股骨粗隆钩固定股骨大粗隆粉碎性骨块，复位理想，固定坚强。股骨外侧钢板具有张力带作用，有效对抗剪切和旋转应力。各部分锁定装置维系整个系统的稳定性，防止骨折移位导致髋内翻畸形，有利于早期功能锻炼，防止各种并发症。

4 数据处理

应用统计软件SPSS 10.0进行统计学最小二乘法处理、t检验和方差分析，设显著性水平为P＜0.05。

结 果

1 载荷应变变化

股骨上的正常组（N）、ALHP固定组和DHS固定组载荷应变变化经生物力学测量（见表1）结果表明：（1）股骨张力侧（OS）ALHP系统固定比DHS系统平均应变小12%，统计显示具有显著性差异（P＜0.05）；（2）在股骨压力侧（IS）平均应变两者比较同样小11%，统计显示具有显著性差异（P＜0.05）；（3）股骨上压力侧的应变明显比张力侧大26%。

2 载荷位移变化

股骨粗隆间骨折在髋载荷作用下引起的位移为股骨头的下沉位移u和水平位移μ，测量结果见表2。

结果表明：（1）ALHP的下沉位移比DHS的位移小17%，水平位移小21%，并接近于正常组N，统计显示具有显著性差异（P＜0.05）；（2）粗隆间骨折断面张开角α，即使在1800N力作用下，ALHP系统只有2.31°，而DHS要产生3.36°，两者相差31%（P＜0.05）。

3 股骨粗隆间骨折固定的强度和刚度

股骨粗隆间骨折固定后的强度和刚度变化结果见表3。强度指股骨抵抗破坏能力的大小，刚度指股骨抵抗变形能力的大小。结果表明：（1）股骨粗隆间骨折固定后在髋载荷P=1200N力的作用下在股骨的外侧应力强度，ALHP系统比DHS高14%，内侧强度高13%，统计显示具有显著性差异（P＜0.05）；（2）从股骨粗隆间骨折固定后的轴向刚度（EF）和弯曲刚度（EJ）来比较，ALHP内固定系统比DHS分别高17%和23%，统计显示具有显著性差异（P＜0.05）。

4 剪断（cutout）试验结果

股骨粗隆间骨折固定最大的危险是在髋关节剪切应力作用下往往会产生剪断的危险，即在剪切力作用下产生剪切破坏、骨折部塌陷现象。根据所有样本在髋关节力500N时的剪断试验结果（见表4）表明：（1）ALHP剪切应力、粗隆间界面剪切力高于DHS的15%，统计显示具有显著性差异（P＜0.05）；（2）在相同载荷作用下，从股骨粗隆界面剪切位移来看，ALHP的移位与DHS的移位相差29%，即前者剪切刚度高于后者约40%。

5 抗扭强度试验结果

股骨由于前倾角的存在，会产生髋内翻、旋转松动和移位，根据所有标本的试验结果得到粗隆间骨折内固定的扭矩-扭角关系（见表5）。结果表明：（1）采用ALHP内固定系统其最大破坏扭矩为4.11N.M，相应扭角为3.45°，而采用DHS内固定系统其最大破坏扭矩为3.48N.M，相应扭角为4.10°，统计显示具有显著性差异（P＜0.05）。表1 股骨粗隆间骨折两种不同内固定载荷应变变化关系表2 股骨粗隆间骨折两种不同内固定载荷位移、转角变化关系表3 股骨粗隆间骨折两种不同内固定的强度 和刚度(P=1200N) 表4 股骨粗隆间骨折固定剪断(cutout)试验结果（髋关节力P=500N时，±s）

6 极限力学性能试验

股骨粗隆间骨折采用两种不同内固定后，按Evans分型进行极限力学性能试验。

结果表明：（1）股骨粗隆间不稳定性骨折，若以最严重的一种Evans IV型股骨粗隆间粉碎性骨折比较，采用ALHP内固定的极限能力为2160N，极限位移10.48mm，相对应DHS内固定的极限承载能力1768N，相应位移为11.32mm。两者比较相差18%，具有显著性差异（P＜0.05）。（2）按股骨粗隆间Evans分型不稳定性骨折分别试验结果为：Ⅱ型AALHP为3628N，DHS为2924N；Ⅲ型分别为2916N和2300N；Ⅳ型分别为2160N和1768N，均显示具有显著性差异（P＜0.05）。表5 股骨粗隆间骨折两种不同内固定扭矩扭角关系

讨 论

股骨粗隆间骨折尤其是老年人不稳定骨折手术后常常会出现髋内翻、下肢短缩及外旋畸形的并发症，究其原因大多为内固定器械不理想。如以前常用的鹅头三翼钉术后并发症高达30%～40%，角钢板钉也有不少并发症，髋内翻、松动移位时有发生［4］。国内常常将DHS动力髋螺钉视作为金标准，DHS通过股骨颈的拉力螺钉固定骨折近端，另一端为板状结构固定骨折远端，具有静力加压与动力加压的双重功效，能保持良好的股骨颈干角，结构牢固，抗弯能力强，治疗稳定性粗隆间骨折成功率达95%，因此临床上较为常用。但是对于粉碎性不稳定股骨粗隆间骨折，由于股骨颈后内侧皮质缺损，应力难以通过股骨距传导，内置物上应力增大，螺钉切割股骨头易导致钢板疲劳断裂、骨折不愈合或畸形愈合等并发症的发生，尤其是DHS有难以抗旋转的结构弱点，对骨折累及大粗隆、严重粉碎性粗隆下骨折，骨折线位于DHS进钉处时则更不适用。Simpson等［5］通过回顾性研究证实DHS的并发症为15%，尤其对于骨质疏松Evans IV型骨折的老年患者失败率更高。对此也有人采用改良型的双钉DHS，但有手术复杂，难度大，在同一股骨头颈内难以固定的缺点。

为此，我们设计了ALHP，有效地克服了上述DHS的不足，发挥整体结构的力学优势，形成几何不变的内固定系统，以拉力螺钉-锁定螺钉-钩板形成立体框架结构，加上锁定系统，坚强有力地构成了三维立体内固定系统。三根前倾10°、仰角135°松质骨拉力螺钉固定在股骨近端张力侧，恢复了张力骨小梁的连续性，静力加压使骨折断端嵌紧锚固，发挥了抗张力作用，相当于DHS动力髋优点，斜孔旋入尾端锁定的拉力螺钉使其紧贴股骨距，发挥了它的抗压作用，同时两钩合抱股骨大粗隆能提高抗弯能力达7～8倍之多，所以在这个意义上ALHP形成了立体锚固结构，发挥了股骨张力骨小梁、压力骨小梁、弯曲骨小梁的各自抗张、抗压、抗弯的作用。钩、板、钉共同承重使整个内固定系统达到了最优的重建力学体系。载荷应变和载荷位移变化实验证明ALHP内固定应力、应变分布均匀合理，而且固定牢固，对抗张应力、抗剪切、防止旋转的能力较强，并接近正常组，具有明显的优势，有效防止了股骨头旋转位移和髋内翻。加上我们设计了压定螺钉，有效地防止了退钉、松动、滑移的弊端。而在钉板的近端增加了两个锚钩，将不稳定骨折碎片牢牢合抱，发挥了整体力学优势，完整地重建了承重力学体系。股骨粗隆间骨折固定的强度和刚度以及抗扭强度试验证明ALHP维持股骨粗隆间骨折内固定的稳定性是有保证的，抗扭强度接近于正常组，明显高于DHS内固定系统。由于整体结构坚强、牢固，尤其防止股骨粗隆间骨折剪力cut－out的破坏，发挥了积极的对抗作用，剪断（cutout）试验结果说明ALHP抗剪能力强于对照组，有明显优势。极限力学性能试验证明使用ALHP内固定系统整体力学性能有较大的提高，充分证明使用本内固定系统具有整体力学性能优势，对股骨粗隆间骨折稳定性具有很好的支撑作用。ALHP立体固定结构有效地防止了髋内翻和旋转畸形并发症的发生。

ALHP上述一系列的整体结构经生物力学实验证实优于DHS，符合“AO”坚强固定原则，保障了老年性股骨粗隆间骨折术后的稳定性，使得老年性骨质疏松患者能早期功能锻炼，恢复肢体功能，有效地防止各种并发症的发生，具有广阔的临床应用前景。

参考文献

［1］鲁英，罗先正.203例股骨粗隆间骨折的治疗分析［J］.骨与关节损伤杂志，1991，6（1）：7-9.

［2］Madsen JE，Naess L，Aune AK，et al.Dynamic hip screw with trochanteric stabilizing plate in the treatment of unstable proximal femoral fratures:a comparative study with the Gamma nail and compression hip screw［J］.J Orthop Trauma，1998，12(4):241-248.

［3］刘明忱.股骨颈和转子间骨折［M］.沈阳：沈阳出版社，2004.125-131.

第5篇：生物力学的研究范文

1 学生学习物理的兴趣特点

中学生学习物理的兴趣状况大体上有四种情况.第一种情况是有些学生对物理只有直觉兴趣.表现是：这部分学生只满足于被新奇的物理现象所吸引，他们很希望看到鲜明的、生动的、不平常的物理现象和物理实验，但并没有产生探索这些物理现象的原因，不关心为什么，只是希望看.一般来讲，初二学生的水平常常是这样.这个阶段叫有趣阶段.第二种情况是有操作性的兴趣.这种兴趣的特点是：总是要求通过自己的活动对自然现象和实验现象施加影响.他的兴趣点在于直接操作，而忽视对现象本质的认识，一旦他把这个现象重复出来了他就满足了.这是一部分人对物理的兴趣表现.一般来看初中学生处于这种水平的较多，有的高中学生也是这个水平.这个阶段我们给它取个名字叫乐趣阶段.第三种情况是具有因果认识的兴趣.表现：不仅要求了解怎么改变现象而且对于现象发生的原因更有兴趣，很想了解它的物理实质，老问“为什么？”多数高中学生学习物理大致是这个阶段，叫致趣阶段.第四种情况是有概括认识的兴趣.这种兴趣的再现是：他们要求运用因果联系来掌握整个物理学的一般规律，他们最感兴趣的是一般规律，很喜欢分析综合这种思维活动.比如，老师给他讲了一个物理现象，并做了解释，他会问：“就是这样吗？不这样能不能解释？”比如你给他讲了平面上的问题，他会想：这只限于平面吗？斜面行不行？……总想得到一个普遍的规律.他们很喜欢分析综合.学习物理比较好的一部分学生开始有这种兴趣.他们在做题的题，喜欢多种概念、多种规律的综合交叉，难度不够引不起兴趣来.这个阶段也叫致趣阶段，只不过是高一级的致趣阶段.第一、第二阶段的兴趣是直接兴趣；第三、第四阶段的兴趣是间接兴趣.一般的，兴趣状况都是从对物理现象本身的认识开始，转向对它的内部规律的认识这样一个过程.所以引起兴趣不能停在一个水平，一种模式上，必须随着学生的兴趣的转移而改变教学方法和教学过程，否则就达不到目的.

2 学生学习物理的思维特点

2.1 学生学物理有这么一种倾向――很容易凭“想当然”去看问题

我们物理教学需要引导学生思考、判断，就是要严格的以概念和逻辑关系作依据这是物理教学的要求.可是学生刚一学物理时不习惯于这套办法，他习惯于“想当然”.因为学生不是从学物理那天才开始接触物理的，在学习物理之前已经接触到了大量的物理现象.他对物理现象的认识不可能从本质去认识的.他是根据生活中的感受去作判断.如“物体受力就运动.不受力不动” .而我们物理学的要求 则是先建立力的概念，再根据要领作判断、分析.我们的任务是要把学生的认识纳入到学习物理的轨道上来，这就需要训练和引导.所以经过训练，养成正确的分析问题的习惯是很重要的，形成这样的习惯了，物理学就好学了.

2.2 学生学物理时往往表现出强烈的思维独立性和批判性

因为物理学科是一种思维学科，没有思维物理学就没法展开，不是背一些定义就行的，得形成一个概念环.建立概念的目的不是背出来就完了，是要运用概念形成一个新的东西，再推理形成新的，一环一环地向前发展，这是物理学的特点.所以思维在物理学中占有突出的作用.因此，思维就必然带有独立性.特别是物理现象和物理规律不一致的时候，这时的思维的独立性和批判性表现得尤为突出.一个学得好的学生都要经过这么一个过程.经过思维的独立性、批判性，慢慢地摸索，得到了主客观的统一，帮纳入了正确的轨道.这就需要引导.如拿这样一个问题问学生：“夏天在太阳曝晒下，木质双杠和铁质双杠的温度是否一样高？”多数学生都认为木质的温度低，铁质的温度高.为什么呢？因为铁的汤手，木质的不汤手.这个观念很牢固，你说温度一样高，他很不容易接受.这样的例子很多，这种“独立性”和“批判性”是很强的，在这个问题上解决了，在另一个问题上又会显露出来.这是学生思维的一种特点.

3 学生学习物理的思维障碍和它形成的原因

物理难学是一种世界性的现象，这是由这个学科的特点决定的.究其根本还是在思维过程中某个环节出了障碍了，学不下去了.因此，从心理倾向和思维规律来着手研究这个问题，可能会得到一些结果.这样做对于提高物理教学的质量，进行物理教学改革提供依据.

3.1 先入为主，错误的生活经验在起作用，造成思维障碍

学生在学物理以前已经接触到了大量的物理现象.我们在物理教学中既要借助这些现象，又要克服错误的现象，这是我们的双重任务.学生对物理教学之前的那些都是先入为主的，是缺乏引导的，多数是自然而然形成的.其中也有些概念是本质和现象一致的，是有利于要领建立的.但很多要领是不反映物理本质的，妨碍了正确要领的建立，这些就造成了思维障碍.比如我问学生这样一个问题：“人站在前进的火车上，跳起来后能不能落在原地？”学生回答：“如果跳得不高，基本上能落在原地，跳高了就不成了.”有这种想法的学生不是一两个.因为他没有做过这个实验.你要建议他做做这个实验，他会觉得可笑.你问他：“那么请你站在火车上跳一天，看能不能从第一节车箱跳到第三节去.”你这么一说，他才会想到，自己的想法是不对的.所以，对于学生脑子里的这类错误概念，当你把它极端化了的时候，学生才开始认识到了，不极端化他认识不到.再比如跟高中学生谈这么一个问题：“自行车停下来是靠什么力？”他们却说是闸皮和瓦圈的摩擦力使车停下来的.相当多的学生这么认为.闸还得灵才行，闸不灵车停不下来，能以闸皮和瓦圈的摩擦力是造成车停的原因.牛顿定律学过了，还有这种问题.因为生活经验就是这样，就是控闸车停嘛，生活里很难分内力、外力，谁是研究对象，力是谁给谁的.生活里不做这样的分析，只考虑客观结果.物理学就不行，首先应确定研究对象，不确定对象就没法研究，一旦对象确定了，就分内、外了.那么闸皮和瓦圈间的力是内力还是外力？牛顿第二定律里讲的是内力还是外力？这一系列的问题就来了.所以对于前面这类错误概念的排除就不是件容易的事.在本质和现象不统一的时候，他还相信现象.这时我们的作法是即要重视实验，又要重视概念规律要点的掌握和正确的推理方法，要经过长时期训练才能解决的，不是一朝一夕能解决的.

3.2 隐蔽因素的忽视和干扰造成思维障碍

在学生处理物理问题的时候，往往问题是多因素的，有些因素是明显起作用，有些因素是隐蔽起作用.明显起作用的因素学生容易考虑到，隐蔽起作用的因素，学生不容易考虑到.隐蔽起作用的往往起两种作用，有的隐蔽因素起干扰作用.有的隐蔽因素起指导作用.比如，前年有一个国外代表团来到北京某重点中学去参观.他们总的评价认为中国中学生物理水平是相当高的，他们说，他们要到了一些练习 .这上面的题在美国除了理科重点学校的学生之外，一般学生做不来.但是他们也提出一个问题很值得咱们深思，他说他曾在一所重点中学跟一些学生谈话，谈完了随便给学生出几道题，请他们做.请了五个学生，没有一个做出来.问他什么题，他说了三个题：一个热量题，一个电路题，一个波的题.这几个题并不难.但这题的风格和中国的不一样.如：一个通过用电器，电阻多大电阻丝多长，通电时间多少，发多少热量，温度升高多少……一个题有九到十个数据.其实这个题用四个数据就能算出来，八、九个数据摆在那儿.可咱们的学生不敢这么做，总觉得这些数据都应该上才行呢.对于我们的中学生的这种现象他们很不理解.觉得条件少了不行条件多了怎么也不行呢？用不着你不要不就完了吗 他们举了一个例子说：我让你修理一个东西，需要一把钳子，一个改锥，一把锤子三样工具.少了锤子不行，少了改锥也不行.现在我把整个工具箱都 端给你了，里边什么工具都 有，你用什么拿什么 就完了，不用就算了嘛. 解题也是这样，条件多了怎么倒不会做了呢？这就给我们提出一个问题，这就是一些隐蔽因素起干扰作用，学生才不会了.所以作为思维训练，命题也可以改变一下角度，不一定要几个条件给几个.

3.3 由于改变问题的方式，造成思维的混乱，形成的思维障碍

有人作过这样一次思维调查，调查题目是：“抽屉里有两种阻值不同的电阻各七只，假如让人蒙住眼睛去拿，每次拿一只，问至少要拿几次，才能保证取到一对阻值相同的电阻？”据调查60% 的人说，至少要拿8次.他怎么想的呢？――可能前七次拿出的都是一样的第八次才拿出一个不一样的来.其实这个问题很清楚.但出这样的错误是什么原因呢？关键就是“相同”和“不同”这两个词的问题.题目说是给了两种阻值不同的电阻，这“不同”二字就牢牢地印在他的脑子里了.而实际题目问的是：拿两只“相同”的电阻.这不是烦难的智力问题，所以答不对不是智力问题，是思维的问题.是由于从不同的角度提问题才造成的思维混乱.因为从心理学的角度讲，问题是从“不同”的角度提出的，而解答却要求从“相同”的角度作出回答，这样就有一种暗示的心理倾向，使人感觉题目有一种暗示.这里的“不同”就是一种暗示.而暗示有积极的，也有消极的.这就是“暗示”这种心理现象在起作用.

3.4 习惯思维定势的影响

所谓定势，就是总是习惯从一个角度、一个侧面来提问题和认识问题.所谓变势就是改变提问题的角度.思维定势对我们考虑物理问题有时确实起消极作用，它对发散思维的培养是不利的.例如，有的学生提出这样的问题：“蜂窝煤在五楼燃烧是不是比在一楼燃烧放出的热量多？”学生认为是多 因为人搬上去要对煤做功，转化为煤的内能，所以就得出上面的结论.这是什么问题呢？这是思维定势的影子.脑子里就想功能原理，多做了功就能化为能.一提蜂窝煤就想热能，不能干别的用，就是用来烧的.做功和能联系起来，蜂窝煤和热能联系起来.所以做功就转化为内能了，内能多了燃烧起来放出的热量就多了.照这个说法，要把蜂窝煤搬到摩天大楼上去，那一块顶好几块用.为什么这想法不对呢？那功是不是白做了呢？当然不是.五楼的煤燃烧后生成的二氧化碳和煤灰收集起来势能就比一楼的大.这是哪儿来的呢？就是做功的结果.这个例子说的就是一种思维定势的影响.――把没有必要联系在一起的给联系在一起了.改变了提问题的方式，思维情况就不同了.所以我们进行物理教学除了要进行要领规律教学外，思维障碍的排除也是我们教学应当考虑的问题.要想排除，就得抓住的思维规律和心理倾向.

3.5 不善于寻找替换方案，造成思维上的障碍

因为物理学上不少方面要借助于等效的方法.如力的合成，力的分解，电阻串联、并联这都是等效.实际并不存在那么一个合力，只是其效果与那几个力的总效果相同，在这里学生容易出现的问题就是不习惯于转换研究对象.物理学是很强调研究对象的.一定的物理过程，物理条件都是对一定的对象而言的，对象一变，研究系统也就变了，一切条件跟着全变了.所以这个对象是非常重要的.所以我们物理教学应当培养学生首先确定研究对象.不管力学、热学、电学、光学、原子物理，都要先把对象确定下来再展开物理思索，不要对象还没明确，就开始想了.例如：“一个人打秋千，知道秋千绳长、人的质量，摆动情况，求秋千板受的压力多大.”这个问题对象是谁？有的学生就把秋千板当研究对象，进行分析，得不出结果来.这得拿人当研究对象.人的受力情况分析清楚了，求出了秋千板给人的支持力，那么秋千板受的压力也就知道了.这就需要进行一次对象变换.往往有的学生就是这样，你问什么我就拿什么当研究对象，对这种对象的转换寻找不出一种替换的方案来就形成一种思维的障碍.

3.6 抓不住关键环节是物理思维障碍的一个重要原因

物理学解决问题的过程实际上总是从一个初始状态出发，经过一步步的中间状态，最后达到目标状态，问题就解决了.初始状态就是已知条件，目标状态就是所求问题.经过什么样的中间状态才由初始状态达到目标状态呢？这中间状态就成了问题的空间（包括时间，所以也叫时空）我们解决问题的习惯就是采取对问题时空进行搜索的方法.而要搜索问题时空，最重要的是怎么抓住关键环节.一般有两种方法，一种方法就是常规的办法，一步一步地增加中间状态和目标状态的相似性，什么样的中间状态和目标状态开始相似了，就抓那个中间状态.“相似”并不“等于”.再抓一个再相似，又出一个中间状态.这么抓下去，越复杂的问题经过的中间相似状态越多，最后达到目标状态.这是常规的办法――抓相似的中间状态.第二种方法背离目标状态的方法.先远离目标状态，就可以找到一个更相似于目标状态的那么一个中间状态.比如说研究一个平衡物体，求它的某一个物理量.我们就先分析不平衡的时候会怎么样？不平衡的问题一解决，平衡问题的结果就出来了.

3.7 用数学概念代替物理概念造成的思维障碍

第6篇：生物力学的研究范文

在物理实验教学中如何培养学生的探究能力呢？下面结合自己的教学实践谈点体会.

一、高中生物理实践与探究能力的现状

高中学生学习物理学科所必须具备的能力之———实验与探究能力.如果不引起足够的重视，必将对物理探究性实验的开展和物理新课程的改革产生阻碍.学生探究能力欠缺的主要表现为：对于物理实验的目的不明确，对于物理实验得出的原理不理解，在做实验的过程中不能正确选择实验方法，对于实验之后得出的实验报告和结论不能准确地总结描述等.

教师对实验教学也普遍感到困惑，学生若被动看书、听课，对抽象的定律理解不深刻、不到位、不透彻.在高考指挥棒的调控下，教师普遍存在重知识内容的讲授，不注重培养学生的动手操作能力，影响学生科学素养的整体提升.

二、利用实验，培养学生的探究能力

1.要求学生课前了解实验内容

教师应当调动学生探究学习的动机，让学生带着疑问自主探索知识的奥秘，学生会时时刻刻感到有问题要解决，就会更加主动、热情地参与到实验中.

2.分小组讨论学习

课堂实验情境的设置，可以调动学生的视觉和听觉器官，不断提高学生探究新知识、解决新问题、研究新方法的能力，让学生带着疑惑走进物理实验，缩短物理科学与学生的心灵距离.一般较简单的训练题，学生可以独立完成；综合性的题目，可以通过小组讨论交流解决.

3.实验后布置训练题目

训练题要结合学科特点精心设计，整合课本、资料和网络上的题目.要分层次设计，可设必做题、选做题，满足不同层次学生的学习需要.训练题设计要围绕教学重点、难点、易错点、易混点，题目质要上，量要当，当堂完成.

4.要求学生总结反思

要求学生自我小结：本节课学会了哪些内容，并反思自己从实验给出的条件得出结果.实验本身要对提高学生的科学素养有帮助，教师也可以提出一些问题让学生思考.

三、设计探究性实验应注意的问题

1.设计符合学生兴趣的研究主题和方案

在选择探究性学习主题的时候，教师应从学生的人生经历和主体经验中挑选出与教学内容相符合、相关联的主题，激发学生的学习兴趣和探究动机，有助于学生消除学习过程中的恐惧心理，使其全身心投入到学习探索与创造之中.这样学生反映热烈，身临其境地体验，对于本节物理知识印象深刻，还能够体会到探究中的无限趣味.学生应按照自己的兴趣与爱好，合理地选择实验方案.同时，教师巧妙地引领学生积极参与探究性实验，并精心设计编排一些趣味性的实验开展探究性学习，让学生在实验中创新，使他们体验到成功的快乐，激发学生参与探究的积极性和主动性.

2.实验的总体安排应有一定的梯度

探究问题的数量也应考虑由少到多，使教师和学生都有一个逐步适应的过程.探究学习是一种注重理解的学习方式，但肯定不是唯一的方式.事实上，灵活多样的教学方法，有助于提高学习效率.教师可以根据实验的难度及学生的能力水平，进行不同的指导.课时由少到多，课时少是高中物理教学不可避免的问题，科学探究需要花费大量时间，如果所有的实验都用探究方法，教学时间肯定不允许，也不符合教育的经济性原则.在具体实验的安排上，应遵循从易到难的原则，逐步加大探究的力度.在学生对探究有了一定的认识之后，就可以安排有关控制变量、设计实验等难度较大的活动，如开放性的探究，以发展学生的探究能力.

3.实验过程注重指导，鼓励学生自主学习

新课程充分体现了学生是自我发展的主体，教师只起引导作用，但不是忽略教师，教学的本质就是在教师指导下，还给学生自主学习的时间.在组织探究实验教学时，教师应注重指导，不要给出过于具体的步骤和方法，要鼓励学生采用不同的方法，提出不同的见解，以达到预期效果.在高中物理教学中，教师应采用行之有效的方式，引导学生主动探究问题，灵活地设计物理实验，把抽象的、难懂的物理定理变得简单、具体，从而提高教学效果和教学质量.

第7篇：生物力学的研究范文

关键词：生物实验；生物教学；创新能力；培养策略

一、生物实验教学中培养学生创新能力的必要性

1.为满足社会培养创新性人才的需求

培养学生的创新能力是符合时展的必然要求。随着21世纪科学技术的迅猛发展，国际竞争日益激烈，创新已成为一个民族和国家兴旺发达的不竭动力。因此，是否能够培养出优秀的创新人才，决定了一个国家的未来发展趋势和综合国力的竞争优势。就我国的国情而言，当前我们正面临着实现国家的现代化和应对知识经济的挑战的多重任务，这就要求我们的教育应该为社会培养更多的创新型人才，为实现民族的伟大复兴提供更多的人才资源。生物教学作为一门创新性极强的自然科学，更是应该注重培养学生的创新能力。

2.信息技术的发展提供了有利条件

和传统的课堂相比，现代化教育下的课堂大多引入了多媒体设备和网络信息技术，辅助各学科教学工作的开展。这就为生物教学提供了更多便利，它能使教师在运用多媒体技术进行辅助教学的前提下，更好地拓展教学空间，丰富教学内容，通过图文并茂、声像同步的方式提高教学效果。同时，也能在更直观的教学情境下启发学生思考，为学生创新能力的培养提供良好的条件。

二、生物实验教学中培养学生创新能力的策略

1.变演示实验为探究性实验，发挥学生的主体作用。

以往的生物实验教学大多以演示实验为主，一方面是考虑实验的安全性，另一方面也是考虑教学效果，让实验结果更为直观有效。然而，这样的演示实验却完全忽视了学生能力的培养，对于学生思维的拓展和知识的巩固也极为不利。但探究性实验则不同，它能为学生提供一个动脑、动手的良好平台，不仅能够真正体现学生在课堂上主体性地位，而且能够激发学生创新思维的培养。

例如，在讲解“绿色植物的呼吸作用”这一节内容时，教师可以将原本定为演示实验的“种子在呼吸作用中释放CO2”的内容，改为学生自主探究实验。教师可以指导学生参照生物课本上的图文资料，进行实验设计和具体操作。首先，教师可以指导学生验证“萌发的种子放入澄清的石灰水中是否会让水变浑浊”。这是一个非常简单的小实验，由于学生缺乏相关方面的知识，因此在探究这个问题时，都会对实验结果比较惊讶，这就起到了调动学生兴趣的目的。然后，教师可以进一步启发学生：石灰水变浑浊的原因是由于种子在萌发后进行了呼吸作用。那么，大家还可以用哪些方法获得CO2气体来使石灰水变浑浊呢？有的学生想到了人体会呼出CO2，从而想到用口吹气的方法，结果石灰水真得变浑浊了。这样不仅可以调动了学生积极参与生物实验教学的积极性，而且能让学生体验到知识的生成过程，加深生物学知识的理解。

2.引导学生自拟实验方案，培养学生设计能力

为培养学生在生物实验教学中的创新能力，教师应该从实验设计环节开始，注重引导学生自主设计实验方案。毕竟学生在生物知识方面尚有欠缺，而且思维空间也存在着很大的局限性，无法设计出像教材内容那样完整严密的实验。因此，教师的启发和引导在学生主设计实验过程中尤为重要。一方面，教师应该引导学生自己提出想要探索的问题，然后为他们提供必要的材料和仪器，让学生自己寻找解决问题的思路，并且独立完成实验操作。另一方面，教师应该在学生设计实验时为他们把好关，以免实验设计出现问题影响后面的整个操作。

例如，在学习“社会行为”这一节内容时，教材中涉及了蚂蚁的通讯方式，教师可以引导学生运用已学的生物知识设计一个简单的“蚂蚁的通讯”实验。首先，让学生进行分组，以小组合作的学习方式来设计实验。然后，让学生进行组员分工，一部分人对蚂蚁的巢穴进行观察，另一部分人员则准备实验道具，如放大镜、镊子、蔗糖等。接着，再由学生自主完成实验操作，并做好相应的实验记录。这种富有趣味性和挑战性的学习方式，对于激发学生的学习兴趣具有较大帮助，而且能起到培养学生创新思维的作用。

三、小结

生物实验教学的目的，不但是对教材内容进行检测，而且是出于培养学生科学实验素养、提高学生创新能力的目的。除了上文中所提到的变演示实验为探究性实验、引导学生自拟实验方案等途径，教师还可以拓展学生的课外实践活动，让学生在日常生活中加强对生物实验的思考，拓展个人的创新思维，提高解决实际问题的能力。

参考文献：

第8篇：生物力学的研究范文

【关键词】新课程 生物创新能力 研究

【中图分类号】G632 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810（2014）07-0140-03

随着知识经济的发展，当今社会对人才的要求也越来越高。国家的综合竞争力绝大部分取决于创新能力的开发。而高素质人才的培养在于对创新能力和创新思维的培养，现今的教育教学所培养出来的学生已难以适应当今社会的发展。《国家中长期教育发展与改革规划纲要》（以下简称《纲要》）指出，教育的根本任务是培养人才，人才培养观念的更新和培养模式的创新将成为规划的亮点。同时，更要注重学生社会责任感、实践能力和创造精神的培养。本文基于新课程视野下，关注现今中学生生物创新能力的培养现状，并针对目前存在的问题提出相应的解决策略。

一 新课程理念下生物创新能力的概述

1.创新能力的概念

从心理学角度来审视创新能力，它是指人们运用已有的知识、经验引申出某种新颖、独特的方案，从而有效地解决实际问题的能力；从教育发展的角度审视创新能力，它是由知识技能、思维和人格构成且相互作用的复杂能力。同时，这种能力具有从低到高的发展过程，新课程的实施有助于学生高水平创新能力的发展。

2.生物学科特点下的创新能力

生物是高中阶段重要的科学课程。《普通高中生物课程标准（实验稿）》（以下简称《标准》）的落实，更尊重学生多样化的发展需求，更重视学生的创新能力和实践能力。考查生物课程的学科特点，主要包括：（1）生物学是一门以实验为基础的学科。生物科学发展历史上的每项重大突破与其实验技术的发展是密不可分的。因此，生物学科应该培养学生最基本的能力有：观察能力、实验能力、思维能力和科学探究能力。（2）生物是一门具有创新性、时代性、生命性的学科。21世纪生命科学的飞速发展，使得生物领域中的科学发展和科技热点成为生物学科知识应用的延伸与发展。生物高考中命题人员将知识与真实情境相结合，体现了生物学科的时代性。因此，生物学科应该注重培养学生获取、处理信息的能力，创新精神和动手实践能力。（3）生物具有其独特的方法论和科学思想。生物历史的发展蕴含着理论思维，科学方法和科学品质影响着人们的思想和方法，是人类宝贵的精神财富，为创新能力的构建奠定了发展基础。

3.中学生的生物创新能力概述

根据创新能力的概念，分析中学生的年龄特征，并结合生物课程的学科特点，中学生的生物创新能力可以概括为：中学生在生物学的探究创新活动中，借助个性品质的支撑，根据已有的生物学知识和经验，利用新颖独特的方案解决生物学问题，并生发出有价值的思想、方法或成果的能力。而中学生的生物创新能力是根据自身的特色来发展的，其中包括获取信息、搜集和处理信息以及发现、分析和解决问题的能力等。

综上所述，就高中生物学习而言，学生的创新主要表现在学生利用自己的方法，对人类已有的生物学知识的发现、概括和运用。具体表现为：（1）在思考生物学问题时的灵活性和多样性。（2）涉及需要解决的实际问题时，能够善于提出问题、作出假设，并进行验证。（3）打破自己原有的认知结构，重新建构新的认知结构。因此，结合生物新课程的特点，要求教师在生物教学目标中进一步灵活处理、拓宽思路，将新课程的理念贯彻到课堂教学中，从而促进学生学习方式的改变。

二 以《物质跨膜运输的实例》为例分析生物创新能力的培养

1.教材分析

本节内容包括细胞的吸水和失水、物质跨膜运输及其他实例等内容。通过对问题探讨中的物理渗透装置的学习，学生能够得出水分是从相对含量多的一侧流向相对含量少的一侧。并以渗透作用的原理以类比推理的教学模式来解释细胞的吸水和失水。本节内容涉及了植物细胞的吸水和失水的实验。该实验是一个“探究实验”，也是学生高中阶段第一次接触“探究实验”，因此进行探究的基本方法和步骤等程序性知识需要让学生能够理解。实验本身很简单，关键是要引导学生如何从生活现象中发现问题，提出有价值的问题，引导学生学会如何分析问题并作出假设，根据所做的假设来设计实验，考虑实验操作的具体细节（材料、用具、试剂的选择，操作步骤，结果预期，设计记录表格等）等，因此该节课将创新能力的培养作为重点。

2.学情分析

本节内容与学生生活经验相关联。例如做菜馅时加入一些盐，蔬菜中的水分会大量浸出；萎蔫的蔬菜放在清水中会更加硬挺等，这些现象都会帮助学生理解本节课的内容。初中生物中有大量的探究实验供学生学习，因此学生能够较快地进入探究实验的学习，但由于学生在学习中习惯以解决问题为主，教师在教学过程中应正确引导并鼓励学生根据生活现象来提出问题。

第9篇：生物力学的研究范文

在现不同版本的生物教材中，均有数个探究实验。这些探究实验对于学生理解和掌握探究方法，理解探究意义有很大的帮助。但我们认为，探究性的学习应该经常地出现在生物教学中，尤其是在生物实验教学中。因为学生通过探究性的生物实验，不仅能获得更多的生物知识，而且还能通过探究活动真正感受到学习的乐趣。

一、转变实验的模式

目前，在中学生物实验教学中，教师在每次实验课上要花相当长的时间讲出教材中规定的该实验的目的、原理，要介绍仪器、实验步骤，甚至要先演示一遍，然后才让学生照着老师所给的步骤动几下，实验就算完成了。这样的实验从教学内容到教学方式没有给学生留出足够的发展空间。这种重操作、重结论、轻思维的实验教学方式，既呆板又无法使实验教学的作用充分的体现，也不利于提高学生发现和解决问题的能力，更无从谈到培养学生的创新思维。

例1.在讲授《花的结构》一节时，老师让学生把自己带的花拿出来观察，同时，在屏幕上打出桃花的结构图。然后请同学到讲台上，向全班同学展示所带花的结构，同时，其他学生对照自己所带花的结构，若不同，则再上台展示。然后，学生讨论花的基本结构应该有哪些……

例2.师：“今天我们讲解桃花的结构。”边说边用镊子解剖桃花实物。“最外面是花萼，共有五片；里面一层是花瓣，也有五片，再往里面就是雄蕊，数量很多，中间的叫做雌蕊，只有一个……”

在生物学新课程中，改变了实验与讲授知识的顺序，将验证性实验改为探究性实验，教师由结论式教学变为过程式教学，学生在实验中先观察，后获得结论，这样的学习符合学生的认知规律，通过探究能更好地激发学生积极思考。

例2这个实验过程是我们以往司空见惯的做法。接着，如果有实验的话，便是学生验证花的结构了。这样，学生在做科学的实践中才能养成科学态度，获得科学的方法。而只有在探究性的实践中，学生才能获得这种全新的感受和收获。

二、在验证式实验中加入探究性因素

例3.苏科版《生物》七年级上册有一节是《饮食与营养》。在这一节中，课本有一个实验：鉴定食物的主要成分。课本列出该实验的实验材料：馒头、鸡蛋清、花生、菜油、碘酒、烧杯、滤纸、载玻片、玻棒等。然后用图片的方式将实验的过程演示出来。最后，以提示的方式将实验的结果表达出来。其实，书本上的这个实验是个验证性的实验，就是让学生依样画葫芦似的去做，也只不过让学生仅仅知道这些事实罢了。在实际上课中，我是这样处理的：实验材料除了书上提到的外，还加了米饭粒，松子，并且特意准备了凉水和开水。另外，给每人准备了一张实验记录，记录上的内容很简单，只有设想、方法、现象、结论四个项目，共三组，即每个学生可以做三个实验。在开始实验的时候，我用投影机打出了提示：1.淀粉遇碘酒变蓝色；2.蛋白质遇高温凝固成白色固态物质；3.脂肪能在纸张上留下油斑。然后，我就叫学生打开课本，可以参照书本上的步骤去做。实验开始了，发现几乎所有的学生均按着书本上的步骤一一地做着。于是，我就提醒学生：有什么其他的设想，可以在这里试一下，不必局限于课本上的方法。学生在我提示后，又积极地试验起来。在随后的实验结果介绍中，有的同学这样说：我设想松子里有淀粉，于是用碘酒滴到松子上，发现松子微微变蓝了，说明松子有少量的淀粉。另一同学说：我设想米饭粒中有脂肪，于是我用米饭粒放到白纸上挤压，结果没有“油迹”产生，说明米饭粒内没有脂肪。还有同学说：我不小心将碘酒滴在白纸上，发现白纸变成蓝色，因此，我认为白纸中有淀粉的成分等等。由于是学生自己设计的实验，因此，大家都希望将自己的想法与他人分享。热闹的场面使人感到学生的积极性被调动起来，学生学习的兴趣被激发了。

通过这样的课堂教学，培养了学生们“发明创造的欲望、标新立异的作风、刨根问底的风气、坚持己见的信心，改正错误的勇气。”要达到这样的要求，学生在课堂上学习必须体现主体性，给学生一个自由的空间，并创设一个探究的氛围。上述例中，就是由于教师的刻意地引导，由常规实验变成了含较多探究成分的课。因此，平时我们尊重教材但不死守教材，对于应用探究性学习，也并非等到书中出现探究二字后才采用。

三、在实验中相信学生的创新能力

例4.在人教版《生物》第二册中，有这样一项实验：测定人体在不同状态时的脉搏。它是分安静状态，运动状态两种情况下测脉搏数。该实验在教室内完成，那运动状态如何进行？学生们自有方法，有的小组学生做俯卧撑，有的练习原地高抬腿，有的迅速起蹲，有的还背着一位同学进行负重走……同学们练习得兴高采烈。得出数据后，有的小组不仅完成了表格填写，还绘制了柱形图、曲线图等。显示了投入地学习后所迸发出的灵感。

在例4中，教师其实在课前并未想到有如此多的运动方式，只是提了个纪律要求：尽量在运动过程中不影响其他班级的上课秩序。然后，教师就将运动方式的设计方案交给了学生。实际也是看看学生能否按纪律要求完成这个实验，实在不行，就将此实验放到课后自行完成。这实际上就是放弃这个实验了，但结果让教师很高兴。这给教师的启示是：你只要点燃了学生兴趣的火花，智慧就会自动闪光。所以，该放手时须放手，放手就意味着学生的创新。

四、对学生探究能力的培养应注意的几个问题

1.教师自身应有探究学习的理念。我们在平时教学过程中深切地体会到：有什么样的教育理念，就有什么样的教学模式、教学策略，最终产生什么样的教学效果。如果教师有了探究学习的理念，那么，他就会有意识地将这种理念渗透到课堂中去，不论选用什么样的教材，教师都会设计出或引导出以学生探究为主旨的实验教学活动。

2.教师要注意引导学生的探究意识。实践证明：在没有被训练之前，学生的思维一般都局限于书本或教师所讲授的范围内，正如例三中所述那样，学生习惯于照本宣科，而学生的这种习惯正是我们长期教育的结果。因此，我们教师在平时的教学中就要有意识地去引导，激活学生的思维，让他们多想一想，多说一说。面对学生的异想天开，我们教师应抱有欣赏甚至惊喜的态度。因为这种异想天开正是学生想象力、创造力的体现，是学生智慧的火花。比如，在例三中，有学生提出碘酒滴在纸张上，居然令纸张变蓝色，是否有淀粉存在。对于这个问题，若教师在课堂一时答不出，可以在课后再验证，再讨论，甚至可以作为一个课题去研究。所以，在实际教学中，我们要注意保护学生的好奇心，鼓励学生提问题，向现成的结论挑战，向权威挑战。真正实现学生学习的主体性。