呼吸傳感器在“肺活量的測定”實驗中的應用

蔡三娟

(江蘇省南京市第九初級中學 210018)

生物學是一門以實驗為基礎的科學，生物學實驗教學是初中生物學教學的重要組成部分。近年來，隨著信息技術的發展，大量的數字化實驗儀器與手段不斷應用于新教材的實驗教學。生物傳感器作為數字化實驗儀器也飛速發展，且因其具有定量測定、精確度高、實驗結果直觀等優勢，已不斷應用于中學生物學實驗教學中，使傳統生物學實驗室無法完成或者完成不好的實驗得到了很好的改進。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生物學實驗教學中的應用已有報道[1～3]。實踐表明，將傳感器應用到中學生物學實驗教學中，不僅是教學手段的創新，更能激發學生實驗探究的興趣，進一步提高學生實驗操作能力和生物科學素養。但到目前為止，這方面的探索還不夠廣泛、深入。本文嘗試應用呼吸傳感器代替肺活量儀來完成肺活量測定的實驗，以期不斷創新教學手段，改進傳統生物學實驗，提高教學效果。

1 應用呼吸傳感器進行“肺活量的測定”實驗

蘇教版生物學七年級下冊“人體與外界環境的氣體交換”一節中介紹了人體呼吸的過程及肺活量的測定，教材中安排了一個測量肺活量的實驗，傳統實驗方法是用肺活量測試儀進行測定，但存在兩個問題：①在教學中一般只提供一個肺活量測試儀，由于課堂時間有限，只能讓個別學生當堂測試，不能滿足所有學生參與的欲望，做不到“面向全體學生”；②肺活量測試儀最終只能顯示一個數值，不能反映呼氣的過程及所需的時間，實驗結果呈現方式較為單一，且每次測得的數值還需手寫記錄，不能有效保存。利用傳感器的優勢，能實現分組實驗，只需短短幾秒鐘即可測出肺活量，操作簡單，且實驗結果以數據和曲線的形式呈現在計算機上，直觀明了，能永久保存。

1.1 實驗器材 計算機、呼吸傳感器、吹嘴、氣流頭、數據采集器

1.2 實驗方法 ①連接裝置：將呼吸傳感器與吹嘴和氣流頭連接，再與數據采集器、計算機連接；②測定肺活量：打開實驗系統軟件TriE ilab ，進入數據采集頁面，設置數據采集時間為5 s，時間間隔為100 ms，添加“呼吸率—時間”曲線，先深吸一口氣，再將嘴巴貼緊吹嘴(鼻子不呼氣)，點擊“開始”按鈕，然后用力一次性吹完一口氣，采集數據。測量3次，取最大值。

1.3 結果與分析 圖1是一位實驗者的肺活量測定曲線。橫坐標是時間(s)，縱坐標是單位時間呼氣量(L/s)。通過對呼氣過程作積分處理，可得出呼氣時間為3.52 s，呼出的氣體量為2.995 L，即本次測得的肺活量為2995 mL。

應用呼吸傳感器能使每位學生參與實驗，且整個測量過程只需幾分鐘即可完成，得到的數據和變化曲線呈現在計算機上，學生能實時觀察自己測肺活量的過程，對曲線作積分處理，即可算出肺活量，實驗結果能永久保存。實驗結束后，教師可統計全班的測定結果，進一步引導學生分析性別、年齡、身體狀態等因素對肺活量的影響。

圖1 人體肺活量的測定曲線

2 應用呼吸傳感器對實驗進行拓展

在學生掌握了呼吸運動相關知識的基礎上，利用呼吸傳感器還能對該實驗進行適當拓展，如利用呼吸傳感器監測呼吸速率、測定呼吸頻率和潮氣量等生理指標，進一步滿足學生的求知欲望，提高學生的實驗操作能力和信息處理能力。

2.1 實驗器材 同1.1。

2.2 實驗方法 ①連接裝置；②測定人體呼吸率：新建采集頁面，設置數據采集時間為1 min，時間間隔為100 ms，添加“呼吸率-時間”曲線，嘴巴貼緊吹嘴，鼻子不呼氣，開始平穩呼吸。點擊“開始”按鈕，采集數據。

2.3 結果與分析 ①采集結束后，界面上會顯示呼吸率隨時間的變化曲線(圖2)，曲線由很多相近的波形組成，說明在靜息狀態下，人體呼吸速率呈現出有規律的周期性變化。其中最大呼吸率為0.238 L/s，最小呼吸率為-0.326 L/s；②波形數量可反映呼吸頻率，圖2中共有18個波形，說明測量者呼吸頻率為每分鐘18次；③對一次呼吸過程中呼氣階段的曲線作積分處理，可計算呼出肺部的氣體量(圖3)，寬度表示吸氣時間為1.38 s，積分表示呼出氣體量為0.278 L，進而計算出測量者的潮氣量為5.56 mL/kg(假設測量者體重為50 kg)。實驗結束后，教師可及時對全班測得的數據進行統計，便于學生之間相互了解，還可引導學生分析影響呼吸率等的因素。

圖2 人體呼吸率隨時間的變化曲線

3 應用呼吸傳感器開展數字化實驗的優勢

利用呼吸傳感器代替肺活量測試儀來完成肺活量的測定，是將傳統實驗轉變為數字化實驗，其獨特的優勢主要體現在以下幾個方面：

圖3 一次呼吸過程中呼出的氣體量

3.1 提高學生信息素養 生物數字化實驗平臺是由傳感器、數據采集器、計算機和實驗軟件三部分構成，傳感器能把實驗中測量的信息通過數據采集器處理后上傳到計算機，再運用計算機上實驗系統軟件的強大信息處理功能來處理和分析數據，從而達到傳統實驗器材無法實現的功效。這就要求學生掌握傳感器的功能、硬件連接方式、數據采集原理、數據分析軟件的使用等，并對獲得的信息進行加工和應用，所以生物數字化實驗的開展，不僅能有效促進實驗教學，還能進一步培養學生的信息素養。

3.2 使實驗結果更加直觀 傳感器的使用不僅改變了以往傳統的實驗方法，更是利用數字、圖表等直觀的數據反映出實驗的結果。在實驗過程中，學生在電腦上可直觀地看到自己呼吸的過程，從圖像上感受自己呼吸的規律，還能實時看到呼吸速率數值的變化。實驗結束后，對圖像進行相應的分析處理，可計算肺活量等生理指標，實驗結果也能永久保存下來。

3.3 拓展學生學習內容 學生在學習了呼吸運動相關知識后，可通過數字化實驗進一步拓寬視野，提高對知識的運用能力。肺活量測試儀只能測定肺活量，而呼吸傳感器不僅能測定肺活量，還能測定呼吸速率、呼吸頻率和潮氣量等生理指標，這些指標貼近生活，且該實驗是在學生具有一定的知識儲備的基礎上開展的，符合學生的最近發展區，也能激發學生的求知欲望，進一步提高學生運用知識解決實際問題的能力。