李樂峰??張婉嫻

摘要： 呼吸運動原理涉及生物學(xué)和物理學(xué)知識，教師僅用一般實驗?zāi)Ｐ徒虒W(xué)難以突破難點。用信息技術(shù)改進后呼吸運動實驗?zāi)Ｐ涂捎糜跍y量“肺”內(nèi)氣壓隨肋間肌和膈肌的收縮舒張變化數(shù)據(jù)，有利于學(xué)生建立呼吸運動能改變肺內(nèi)氣壓與大氣壓之間氣壓差的認(rèn)知，建構(gòu)肺通氣概念。

關(guān)鍵詞：實驗?zāi)Ｐ?；?shù)字化實驗；呼吸運動；生物學(xué)；信息技術(shù)

初中生物學(xué)課程涉及“肺與外界的氣體交換是通過呼吸運動實現(xiàn)的”相關(guān)內(nèi)容。學(xué)生需要理解以下原理：呼吸運動造成胸廓容積變化，而胸廓容積的變化影響肺內(nèi)氣壓的變化，與外界形成氣壓差，進而實現(xiàn)氣體進出肺泡。這些內(nèi)容對于七年級學(xué)生來說較難理解——他們不了解運動系統(tǒng)，不知曉呼吸運動的動力來自骨骼肌的收縮，也不了解胸廓結(jié)構(gòu)，無法用科學(xué)術(shù)語解釋呼吸運動；另外實現(xiàn)氣體進出肺的根本原因在于肺內(nèi)氣壓與大氣壓存在氣壓差，而學(xué)生并不具備容積變化與氣壓變化關(guān)系的知識。因此，學(xué)生難以理解“容積變大會使氣壓變小，容積變小會使氣壓變大”。在教學(xué)中，教師通常需要借助模型幫助學(xué)生理解重難點知識。

一、一般模型和存在的不足

教師常用兩個模型（如圖1和圖2）幫助學(xué)生認(rèn)識呼吸運動。模型1：表示構(gòu)成胸廓的脊柱、肋骨、胸骨和肋間肌，此模型用于幫助學(xué)生了解肋間肌舒縮時引起的肋骨和胸骨位置的變化，探究胸廓容積的變化規(guī)律，為認(rèn)識呼吸運動打基礎(chǔ)。模型2：鐘形罩代表胸廓，兩個氣球代表肺，橡皮膜代表膈肌，通過下拉和上推橡皮膜來演示膈頂升降的變化，以及肺容積的變化。

模型1和模型2的構(gòu)建是為了幫助學(xué)生理解呼吸運動，但在教學(xué)中，存在諸多問題，難以達到預(yù)期效果。

模型1的主要問題：肋骨運動模型是平面的。在操作過程中，學(xué)生只能感受胸廓前后徑的變化，無法感知胸廓左右徑的變化。代表肋骨、胸骨和脊柱的這些結(jié)構(gòu)與真實的結(jié)構(gòu)比較，無論是長度比例還是外形上均有較大差異，不夠形象、直觀。

模型2的主要問題：膈肌的真實形狀是穹頂狀，是向上凸起的，但模型中橡皮膜是平面的，用平面的膜代表膈肌，學(xué)生難以理解“為什么下拉膈肌時，代表的卻是膈肌收縮狀態(tài)”。此外，學(xué)生并不了解氣壓相關(guān)知識，而實驗?zāi)Ｐ陀譄o法直觀呈現(xiàn)容積變化與氣壓關(guān)系，造成學(xué)生很難理解氣體進出肺的根本原因。

針對呼吸運動模型1和模型2存在的問題，一些教師嘗試進行了改進（如圖3、圖4和圖5）。

模型3、模型4和模型5在形態(tài)上與真實胸廓結(jié)構(gòu)更加接近，其中模型3和模型4均對模型1和模型2進行了整合。但是改進后的模型依然無法直觀呈現(xiàn)容積變化與氣壓關(guān)系，學(xué)生還是難以理解氣體進出肺的根本原因。同時，這些模型均未呈現(xiàn)膈肌的穹頂狀形態(tài)，因此學(xué)生仍然難以理解“為什么膈肌收縮，膈頂下降”。

二、模型的深度改進及應(yīng)用

為了解決上述問題，筆者經(jīng)過不斷摸索，對模型1、模型2和初步改進后的模型3、模型4、模型5進一步整合優(yōu)化（如圖6），結(jié)合氣壓傳感器制作了新模型，應(yīng)用效果較好。

（一）制作材料的選擇

筆者制作新模型選用如下器具材料：木棒1根、木板1塊、較薄的小木條1塊、彩虹圈1個、皮球1個、3M雙面膠、普通雙面膠、有一定硬度的透明塑料板1塊、有厚度的透明塑料袋、氣球2個、Y形管1個、熔膠槍、熔膠棒、氣釘槍、鉆孔器、剪刀、氣壓傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦。

（二）制作方法

第一步，用氣釘槍將木棒和木板固定在一起，搭建支架。模型中木棒代表人體脊柱。

第二步，用鉆孔器在木棒上部均勻打孔，用于放置和固定彩虹圈。肋骨本身是扁平的，彩虹圈也是扁平的，用彩虹圈可以更好地模擬人體肋骨形態(tài)。彩虹圈是塑料的容易塑形，筆者通過加熱使彩虹圈形成一定的弧度。截取的彩虹圈長度不等是為了使模型整體結(jié)構(gòu)與真實胸廓形態(tài)更加接近。筆者將塑形后的彩虹圈兩端分別插入木棒鉆孔進行固定。

第三步，以小木條作為胸骨，用3M雙面膠粘在彩虹圈正前方，固定牢固。選用扁平的小木條，可以更真實地模擬胸骨形態(tài)。這樣，整個胸廓結(jié)構(gòu)就建構(gòu)完成。

第四步，繼續(xù)完善胸腔結(jié)構(gòu)。之所以選擇小皮球是因為它的彈性和硬度適中。筆者將小皮球帶氣孔這一面朝正上方放置好之后，剪開球體，使其分成兩半。隨后，將有氣孔的一面，用3M膠固定在最下面的彩虹圈上。球面呈現(xiàn)的穹頂狀用于模擬真實膈肌的形態(tài)。有打氣孔的一面下方凸起，拉曳很方便，用來模仿膈肌的上升和下降。

第五步，在彩虹圈上粘貼普通的雙面膠，用塑料袋包裹整個胸廓結(jié)構(gòu)，用熔膠槍打3M膠封閉，最終達到不漏氣的效果。塑料袋用以模擬肋間肌。筆者將塑料袋用雙面膠粘貼在彩虹圈上。這樣，在升降胸骨位置時，實驗者可以看到塑料袋不同的狀態(tài)，以便同時模擬肋間肌的收縮和舒張狀態(tài)。

第六步，在塑料板中央留出一大一小兩個孔，大孔用于放置并固定Y形管，小孔用于放置并固定氣壓傳感器。筆者在Y形管的兩個分支上分別安裝并固定一只氣球。此時，Y形管可以模擬氣管和支氣管，氣球被用來模擬肺。筆者對組裝完的塑料板進行裁剪使之合適大小，將其固定在彩虹圈上部，然后用3M膠密封、固定（如圖7）。

第七步，用數(shù)據(jù)采集器分別連接氣壓傳感器和電腦，測量平靜狀態(tài)下的大氣壓，讓學(xué)生認(rèn)識大氣壓的存在。至此，整個裝置制作完畢（如圖8）。

（三）應(yīng)用方法

第一步，學(xué)生對照胸腔結(jié)構(gòu)模擬裝置，認(rèn)識模型各部位代表的具體結(jié)構(gòu)。

第二步，用手向上推動胸骨，用以模擬肋間肌收縮（如圖9），此時胸骨、肋骨上移，胸廓容積增大。用手下壓胸骨，用以模擬肋間肌舒張（如圖10），此時胸骨、肋骨下移，胸廓容積減小。

第三步，用手向下拉皮球進氣口的凸起部位，用以模擬膈肌收縮（如圖11），此時膈頂下降，胸廓的容積增大。用手向上推皮球進氣口的凸起部位，用以模擬膈肌舒張（如圖12），此時膈頂上升，胸廓容積減小。

第四步，先用手上推胸骨，后用手下壓胸骨，多次重復(fù)此過程，引導(dǎo)學(xué)生分析電腦顯示屏上數(shù)值的變化趨勢（如圖13），探究胸廓容積變化與氣壓的關(guān)系。筆者先用手向下拉皮球進氣口的凸起部位，再用手向上推皮球進氣口的凸起部位，并多次重復(fù)此過程，讓學(xué)生分析電腦顯示屏上數(shù)值的變化趨勢，再次探究胸廓容積變化與氣壓的關(guān)系。隨后，整體分析胸廓容積變化與氣壓關(guān)系。學(xué)生觀察曲線變化情況，直觀感知“容積變大，氣壓變??；容積變小，氣壓變大”。學(xué)生認(rèn)識到“肺”內(nèi)氣壓的變化與胸廓容積有關(guān)系，進而理解實現(xiàn)氣體進出肺的根本原因在于肺內(nèi)氣壓與大氣壓之間存在氣壓差。

三、新模型教學(xué)優(yōu)勢與效果

筆者自制的模型教具融合了以往常用的實驗?zāi)Ｐ偷膬?yōu)點和信息技術(shù)的優(yōu)勢，可以逼真模擬真實的胸腔結(jié)構(gòu)。筆者使用這一教具，既能模擬肋間肌的變化引發(fā)胸廓和肺容積變化過程，又能模擬膈肌的變化引起胸廓和肺容積變化過程。模型形象逼真，有利于學(xué)生理解相關(guān)原理和知識。同時，透明塑料薄膜的使用有利于演示呈現(xiàn)肋間肌收縮和舒張的狀態(tài)，便于學(xué)生觀察肺容積變化。用皮球帶有充氣口的一面剪裁出“膈肌”，逼真模擬了人體膈肌形態(tài)，便于學(xué)生理解膈肌收縮導(dǎo)致膈頂下降的過程。另外，皮球的進氣口下方有一個凸出的結(jié)構(gòu)，實驗者升降膈肌非常方便。

信息時代，生物學(xué)教師開展教學(xué)活動要與時俱進。傳統(tǒng)教具已不能滿足當(dāng)前的教學(xué)需求。筆者應(yīng)用氣壓傳感器教學(xué)，讓學(xué)生認(rèn)識到大氣壓的存在。數(shù)字化實驗的應(yīng)用實現(xiàn)了定性實驗的定量化分析。學(xué)生通過“膈肌和肋間肌”收縮、舒張時氣壓曲線圖像，觀察胸廓容積的變化導(dǎo)致肺內(nèi)氣壓的變化情況，探究肺容積變化與氣壓的關(guān)系，真正理解了氣壓差是實現(xiàn)肺通氣的根本原因，突破了難點。

當(dāng)然，筆者自制的教具仍有待完善。例如，沒有實現(xiàn)肋間肌的自主收縮、舒張引起胸骨和肋骨的上移或者下移，需要用手往上推或者拉。另外，不能顯示肋間內(nèi)肌的作用效果。筆者所在學(xué)校傳感器數(shù)量有限，只能因陋就簡完成實驗。有條件的學(xué)校可以采用兩部氣壓傳感器，一部用于檢測胸廓內(nèi)氣壓，另一部用于檢測大氣中的氣壓，實時同屏顯示外部大氣壓和內(nèi)部氣壓進行對比，效果更佳。

注：本文系?2022年安徽省教育科學(xué)規(guī)劃立項課題“基于核心備課組的IMA區(qū)域教研模式創(chuàng)新研究”（項目編號：JK22092）的階段性成果。

參考文獻

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（作者李樂峰系安徽省淮北市教育科學(xué)研究所副主任，正高級教師；張婉嫻系浙江省杭州市錢塘區(qū)金沙湖實驗學(xué)校教師）

責(zé)任編輯：祝元志