蔡三娟

(江蘇省南京市第九初級(jí)中學(xué) 210018)

生物學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是初中生物學(xué)教學(xué)的重要組成部分。近年來(lái)，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，大量的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器與手段不斷應(yīng)用于新教材的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。生物傳感器作為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器也飛速發(fā)展，且因其具有定量測(cè)定、精確度高、實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀等優(yōu)勢(shì)，已不斷應(yīng)用于中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使傳統(tǒng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室無(wú)法完成或者完成不好的實(shí)驗(yàn)得到了很好的改進(jìn)。溫度傳感器、二氧化碳傳感器、氧氣傳感器和濕度傳感器在中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用已有報(bào)道[1～3]。實(shí)踐表明，將傳感器應(yīng)用到中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不僅是教學(xué)手段的創(chuàng)新，更能激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的興趣，進(jìn)一步提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力和生物科學(xué)素養(yǎng)。但到目前為止，這方面的探索還不夠廣泛、深入。本文嘗試應(yīng)用呼吸傳感器代替肺活量?jī)x來(lái)完成肺活量測(cè)定的實(shí)驗(yàn)，以期不斷創(chuàng)新教學(xué)手段，改進(jìn)傳統(tǒng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，提高教學(xué)效果。

1 應(yīng)用呼吸傳感器進(jìn)行“肺活量的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)

蘇教版生物學(xué)七年級(jí)下冊(cè)“人體與外界環(huán)境的氣體交換”一節(jié)中介紹了人體呼吸的過(guò)程及肺活量的測(cè)定，教材中安排了一個(gè)測(cè)量肺活量的實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法是用肺活量測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)定，但存在兩個(gè)問(wèn)題：①在教學(xué)中一般只提供一個(gè)肺活量測(cè)試儀，由于課堂時(shí)間有限，只能讓個(gè)別學(xué)生當(dāng)堂測(cè)試，不能滿足所有學(xué)生參與的欲望，做不到“面向全體學(xué)生”；②肺活量測(cè)試儀最終只能顯示一個(gè)數(shù)值，不能反映呼氣的過(guò)程及所需的時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)方式較為單一，且每次測(cè)得的數(shù)值還需手寫(xiě)記錄，不能有效保存。利用傳感器的優(yōu)勢(shì)，能實(shí)現(xiàn)分組實(shí)驗(yàn)，只需短短幾秒鐘即可測(cè)出肺活量，操作簡(jiǎn)單，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果以數(shù)據(jù)和曲線的形式呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上，直觀明了，能永久保存。

1.1 實(shí)驗(yàn)器材 計(jì)算機(jī)、呼吸傳感器、吹嘴、氣流頭、數(shù)據(jù)采集器

1.2 實(shí)驗(yàn)方法 ①連接裝置：將呼吸傳感器與吹嘴和氣流頭連接，再與數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)連接；②測(cè)定肺活量：打開(kāi)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件TriE ilab ，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集頁(yè)面，設(shè)置數(shù)據(jù)采集時(shí)間為5 s，時(shí)間間隔為100 ms，添加“呼吸率—時(shí)間”曲線，先深吸一口氣，再將嘴巴貼緊吹嘴(鼻子不呼氣)，點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕，然后用力一次性吹完一口氣，采集數(shù)據(jù)。測(cè)量3次，取最大值。

1.3 結(jié)果與分析 圖1是一位實(shí)驗(yàn)者的肺活量測(cè)定曲線。橫坐標(biāo)是時(shí)間(s)，縱坐標(biāo)是單位時(shí)間呼氣量(L/s)。通過(guò)對(duì)呼氣過(guò)程作積分處理，可得出呼氣時(shí)間為3.52 s，呼出的氣體量為2.995 L，即本次測(cè)得的肺活量為2995 mL。

應(yīng)用呼吸傳感器能使每位學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)，且整個(gè)測(cè)量過(guò)程只需幾分鐘即可完成，得到的數(shù)據(jù)和變化曲線呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上，學(xué)生能實(shí)時(shí)觀察自己測(cè)肺活量的過(guò)程，對(duì)曲線作積分處理，即可算出肺活量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果能永久保存。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師可統(tǒng)計(jì)全班的測(cè)定結(jié)果，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生分析性別、年齡、身體狀態(tài)等因素對(duì)肺活量的影響。

圖1 人體肺活量的測(cè)定曲線

2 應(yīng)用呼吸傳感器對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展

在學(xué)生掌握了呼吸運(yùn)動(dòng)相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上，利用呼吸傳感器還能對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)拓展，如利用呼吸傳感器監(jiān)測(cè)呼吸速率、測(cè)定呼吸頻率和潮氣量等生理指標(biāo)，進(jìn)一步滿足學(xué)生的求知欲望，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和信息處理能力。

2.1 實(shí)驗(yàn)器材 同1.1。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法 ①連接裝置；②測(cè)定人體呼吸率：新建采集頁(yè)面，設(shè)置數(shù)據(jù)采集時(shí)間為1 min，時(shí)間間隔為100 ms，添加“呼吸率-時(shí)間”曲線，嘴巴貼緊吹嘴，鼻子不呼氣，開(kāi)始平穩(wěn)呼吸。點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕，采集數(shù)據(jù)。

2.3 結(jié)果與分析 ①采集結(jié)束后，界面上會(huì)顯示呼吸率隨時(shí)間的變化曲線(圖2)，曲線由很多相近的波形組成，說(shuō)明在靜息狀態(tài)下，人體呼吸速率呈現(xiàn)出有規(guī)律的周期性變化。其中最大呼吸率為0.238 L/s，最小呼吸率為-0.326 L/s；②波形數(shù)量可反映呼吸頻率，圖2中共有18個(gè)波形，說(shuō)明測(cè)量者呼吸頻率為每分鐘18次；③對(duì)一次呼吸過(guò)程中呼氣階段的曲線作積分處理，可計(jì)算呼出肺部的氣體量(圖3)，寬度表示吸氣時(shí)間為1.38 s，積分表示呼出氣體量為0.278 L，進(jìn)而計(jì)算出測(cè)量者的潮氣量為5.56 mL/kg(假設(shè)測(cè)量者體重為50 kg)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師可及時(shí)對(duì)全班測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，便于學(xué)生之間相互了解，還可引導(dǎo)學(xué)生分析影響呼吸率等的因素。

圖2 人體呼吸率隨時(shí)間的變化曲線

3 應(yīng)用呼吸傳感器開(kāi)展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)

利用呼吸傳感器代替肺活量測(cè)試儀來(lái)完成肺活量的測(cè)定，是將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化實(shí)驗(yàn)，其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

圖3 一次呼吸過(guò)程中呼出的氣體量

3.1 提高學(xué)生信息素養(yǎng) 生物數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)和實(shí)驗(yàn)軟件三部分構(gòu)成，傳感器能把實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的信息通過(guò)數(shù)據(jù)采集器處理后上傳到計(jì)算機(jī)，再運(yùn)用計(jì)算機(jī)上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件的強(qiáng)大信息處理功能來(lái)處理和分析數(shù)據(jù)，從而達(dá)到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功效。這就要求學(xué)生掌握傳感器的功能、硬件連接方式、數(shù)據(jù)采集原理、數(shù)據(jù)分析軟件的使用等，并對(duì)獲得的信息進(jìn)行加工和應(yīng)用，所以生物數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，不僅能有效促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還能進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)。

3.2 使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加直觀 傳感器的使用不僅改變了以往傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，更是利用數(shù)字、圖表等直觀的數(shù)據(jù)反映出實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生在電腦上可直觀地看到自己呼吸的過(guò)程，從圖像上感受自己呼吸的規(guī)律，還能實(shí)時(shí)看到呼吸速率數(shù)值的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)圖像進(jìn)行相應(yīng)的分析處理，可計(jì)算肺活量等生理指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也能永久保存下來(lái)。

3.3 拓展學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容 學(xué)生在學(xué)習(xí)了呼吸運(yùn)動(dòng)相關(guān)知識(shí)后，可通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步拓寬視野，提高對(duì)知識(shí)的運(yùn)用能力。肺活量測(cè)試儀只能測(cè)定肺活量，而呼吸傳感器不僅能測(cè)定肺活量，還能測(cè)定呼吸速率、呼吸頻率和潮氣量等生理指標(biāo)，這些指標(biāo)貼近生活，且該實(shí)驗(yàn)是在學(xué)生具有一定的知識(shí)儲(chǔ)備的基礎(chǔ)上開(kāi)展的，符合學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，也能激發(fā)學(xué)生的求知欲望，進(jìn)一步提高學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。