生物學(xué)跨學(xué)科實(shí)踐活動的設(shè)計與開展
——以肺活量計量桶的制作為例

王琨 韓寧

（云南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 云南昆明 650500）

2019年，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于新時代推進(jìn)普通高中育人方式改革的指導(dǎo)意見》，提出要深化課堂教學(xué)改革，注重加強(qiáng)項目設(shè)計、研究性學(xué)習(xí)等跨學(xué)科綜合性教學(xué)，并適當(dāng)增加探究性、實(shí)踐性、綜合性作業(yè)。社會不斷發(fā)展，對人才的要求越來越高，無論高中、初中還是小學(xué)，跨學(xué)科綜合性教學(xué)都是人才培養(yǎng)的重要方式。

1 跨學(xué)科綜合實(shí)踐活動的理論基礎(chǔ)

“跨學(xué)科”就是從學(xué)科知識、概念群到認(rèn)識論和方法論，構(gòu)筑新的研究視角來解決某單一學(xué)科難以解決的問題。《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011）年版》的課標(biāo)中列出了10個一級主題，每個一級主題一般包含了若干二級主題及具體內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)和活動建議。其中，活動建議列舉了有利于學(xué)習(xí)目標(biāo)達(dá)成的觀察、調(diào)查、資料的收集和分析、討論、實(shí)驗、實(shí)踐等活動，包括了開展校園或社區(qū)綠化設(shè)計、自制雞卵孵化箱、為校園植物掛牌、制作發(fā)酵食品、模擬練習(xí)急救等系列活動。這些活動與生物學(xué)教學(xué)內(nèi)容息息相關(guān)，同時也涉及其他學(xué)科的知識。因此，這些活動的完成都需要綜合各學(xué)科內(nèi)容來展開。

2 生物學(xué)綜合實(shí)踐活動的開展

2.1 活動目標(biāo)

本次活動目標(biāo)主要是應(yīng)用身邊簡易材料制作“肺活量計量桶”。學(xué)生通過應(yīng)用知識、動手實(shí)踐，在過程中感受樂趣，以成果實(shí)現(xiàn)知識和實(shí)踐的價值，提升生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

肺活量是指一次盡力吸氣后，再盡力呼出的氣體總量。肺活量與人的呼吸密切相關(guān)。生理學(xué)研究表明：人體的各器官、系統(tǒng)、組織、細(xì)胞每時每刻都在消耗氧，機(jī)體只有在氧供應(yīng)充足的情況下才能正常工作。人體內(nèi)部的氧供給全部靠肺的呼吸來獲得，在呼吸過程中，肺不僅要攝入氧氣，還要將體內(nèi)代謝出的二氧化碳排出。因此，肺是機(jī)體氣體交換的中轉(zhuǎn)站。這個中轉(zhuǎn)站的容積大小直接決定著每次呼吸氣體交換的量，這是檢測肺功能的最直觀、也是最客觀的指標(biāo)。

目前，用于測量肺活量的基本為電子肺活量測試儀，直接吹氣便可以顯示肺活量。但是電子肺活量測試儀的制造需要一定的技術(shù)手段，中學(xué)生也不知道其基本原理為何。教師引導(dǎo)學(xué)生利用身邊的常見材料，促使學(xué)生基于學(xué)科知識，動手實(shí)踐，豐富學(xué)生的實(shí)踐活動，讓學(xué)生感受運(yùn)用知識創(chuàng)造產(chǎn)品的過程，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識與動手能力。

2.2 活動涉及學(xué)科領(lǐng)域

本次肺活量計量表的設(shè)計與實(shí)驗主要涉及生物學(xué)、物理和化學(xué)等學(xué)科知識。肺活量的測試與生物學(xué)息息相關(guān)。肺活量計量表的制作原理涉及了小學(xué)科學(xué)“物質(zhì)科學(xué)”模塊中“水和空氣”的基本特征，物理知識“氣體的壓強(qiáng)和體積的關(guān)系”，化學(xué)實(shí)驗中“量筒的操作”等知識。例如，在進(jìn)行“標(biāo)記計量”的操作時，主要涉及化學(xué)實(shí)驗“量筒的操作”；在組裝“肺活量計”時，主要涉及“水不易被壓縮，占據(jù)的空間不會變化，而氣體容易被壓縮，占據(jù)的空間會發(fā)生變化”的知識。因此，該活動不僅能將不同學(xué)科知識聯(lián)系起來，還能將不同階段所學(xué)的知識進(jìn)行重組。

2.3 活動材料及工具

活動材料包括4.5 L飲水桶1只，5×7 mm塑料管1 m，塑料漏斗1只，直徑12 mm的硅膠塞1只。需要的工具包括黑色油性記號筆、100 mL、1 000 mL量杯各一只。

2.4 制作步驟

2.4.1 標(biāo)記計量

將飲水桶置于水平處，用量杯注滿1 000 mL水倒入飲水桶中，每次倒入后用記號筆標(biāo)記1次。加2 000 mL水后，換100 mL量杯加水。每十次標(biāo)記線延長2倍，直至4 200 mL處。在每條標(biāo)記線后寫上數(shù)量和單位1 000 mL、2 000 mL、2 100 mL……4 200 mL到最高處標(biāo)記線。

2.4.2 開排氣孔

在飲料桶底部開一小孔，小孔的直徑為10 mm，配上直徑12 mm的硅膠塞。

2.4.3 組裝吹氣管

把塑料管一端與塑料漏斗相聯(lián)，從計量桶口插入并用鐵絲固定，如圖1所示。

圖1 肺活量計量桶

2.5 實(shí)驗步驟

2.5.1 組裝肺活量計

用一只24 L水桶灌滿水，打開計量桶排氣孔，將其壓入水桶中，且排出全部空氣，塞入橡皮塞。

2.5.2 準(zhǔn)備實(shí)驗

一位學(xué)生負(fù)責(zé)記錄，兩位學(xué)生分別負(fù)責(zé)給吹嘴消毒。每位學(xué)生吹氣前，用消毒噴霧劑對吹嘴消毒，并用棉球擦拭干凈。

2.5.3 開始實(shí)驗

肺活量是盡力吸氣后、再盡力呼氣所能呼出的氣體量。學(xué)生吹氣結(jié)束后，將計量桶提起，使內(nèi)外水面相平，此時讀取讀數(shù)，水面在兩條計量線中間可估算出大體的讀數(shù)。每人重復(fù)3次，記錄肺活量值。

3 活動討論

3.1 計量的選擇要有依據(jù)和范圍

根據(jù)《國家學(xué)生體質(zhì)健康檢測標(biāo)準(zhǔn)》，各個年級學(xué)生的肺活量標(biāo)準(zhǔn)不同。以初一學(xué)生為例，初一男生肺活量標(biāo)準(zhǔn)為1 850～3 750 mL，初一女生肺活量標(biāo)準(zhǔn)為1 350～2 350 mL。因此，在飲水桶上進(jìn)行標(biāo)記計量時，教師可參考《國家學(xué)生體質(zhì)健康檢測標(biāo)準(zhǔn)》，針對測試對象，選擇最低計量和最高計量。為了提高普遍適用性，教師可在最低計量和最高計量處適當(dāng)降低或加大計量范圍。

3.2 排氣孔的制作要恰當(dāng)

在實(shí)踐活動中，排氣孔的設(shè)計是關(guān)鍵，若設(shè)計不合理會造成漏氣，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確。本次活動中教師首先采取刀切的方式。但是使用刀切方式存在極大安全隱患，且切割不均勻。之后，教師嘗試用“烙”的方式，即用酒精燈將釘子燒燙后，再來烙飲水瓶底部。但是此方法也存在諸多問題：首先操作復(fù)雜，由于飲水瓶底部較厚，因此需要重復(fù)多次；其次，經(jīng)過鐵烙的塑料飲水瓶，在烙的地方會出現(xiàn)卷邊，用硅膠塞難以塞嚴(yán)實(shí)，會出現(xiàn)漏氣情況；最后，在烙的過程中稍不注意也會出現(xiàn)切割不均勻的情況。教師經(jīng)過多番實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，可以先在底部找到合適的地方后，用記號筆畫一個的圓，保證與硅膠塞大小契合，不漏氣，然后用小電鉆打孔。這樣既保證排氣孔均勻，又省時省力。

3.3 消毒工作不可忽視

在實(shí)驗過程中，每個學(xué)生吹氣前都要注意用酒精噴霧進(jìn)行消毒處理，保證實(shí)驗者的健康。有條件每人一個漏斗，一次性使用。

4 結(jié)語

制作肺活量計是一項有趣而又有意義的跨學(xué)科綜合實(shí)踐活動，能夠培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識、動手實(shí)踐能力和科學(xué)素養(yǎng)。一方面，教師引導(dǎo)學(xué)生充分利用生活中簡易材料，如飲水桶、塑料管等，倡導(dǎo)“變廢為寶”的理念；另一方面，學(xué)生在這一實(shí)踐活動中可綜合不同階段的不同學(xué)科知識，將知識轉(zhuǎn)化為成果，提高問題解決能力和動手實(shí)踐能力，提升了科學(xué)素養(yǎng)。