呼吸運動實驗模型的數字化改進

李樂峰??張婉嫻

摘要： 呼吸運動原理涉及生物學和物理學知識，教師僅用一般實驗模型教學難以突破難點。用信息技術改進后呼吸運動實驗模型可用于測量“肺”內氣壓隨肋間肌和膈肌的收縮舒張變化數據，有利于學生建立呼吸運動能改變肺內氣壓與大氣壓之間氣壓差的認知，建構肺通氣概念。

關鍵詞：實驗模型；數字化實驗；呼吸運動；生物學；信息技術

初中生物學課程涉及“肺與外界的氣體交換是通過呼吸運動實現的”相關內容。學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氣壓的變化，與外界形成氣壓差，進而實現氣體進出肺泡。這些內容對于七年級學生來說較難理解——他們不了解運動系統，不知曉呼吸運動的動力來自骨骼肌的收縮，也不了解胸廓結構，無法用科學術語解釋呼吸運動；另外實現氣體進出肺的根本原因在于肺內氣壓與大氣壓存在氣壓差，而學生并不具備容積變化與氣壓變化關系的知識。因此，學生難以理解“容積變大會使氣壓變小，容積變小會使氣壓變大”。在教學中，教師通常需要借助模型幫助學生理解重難點知識。

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）幫助學生認識呼吸運動。模型1：表示構成胸廓的脊柱、肋骨、胸骨和肋間肌，此模型用于幫助學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律，為認識呼吸運動打基礎。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的構建是為了幫助學生理解呼吸運動，但在教學中，存在諸多問題，難以達到預期效果。

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構與真實的結構比較，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，學生難以理解“為什么下拉膈肌時，代表的卻是膈肌收縮狀態”。此外，學生并不了解氣壓相關知識，而實驗模型又無法直觀呈現容積變化與氣壓關系，造成學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在形態上與真實胸廓結構更加接近，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容積變化與氣壓關系，學生還是難以理解氣體進出肺的根本原因。同時，這些模型均未呈現膈肌的穹頂狀形態，因此學生仍然難以理解“為什么膈肌收縮，膈頂下降”。

二、模型的深度改進及應用

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

（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、數據采集器、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。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構與真實胸廓形態更加接近。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。這樣，整個胸廓結構就建構完成。

第四步，繼續完善胸腔結構。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。球面呈現的穹頂狀用于模擬真實膈肌的形態。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構，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，以便同時模擬肋間肌的收縮和舒張狀態。

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，用數據采集器分別連接氣壓傳感器和電腦，測量平靜狀態下的大氣壓，讓學生認識大氣壓的存在。至此，整個裝置制作完畢（如圖8）。

（三）應用方法

第一步，學生對照胸腔結構模擬裝置，認識模型各部位代表的具體結構。

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，多次重復此過程，引導學生分析電腦顯示屏上數值的變化趨勢（如圖13），探究胸廓容積變化與氣壓的關系。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，并多次重復此過程，讓學生分析電腦顯示屏上數值的變化趨勢，再次探究胸廓容積變化與氣壓的關系。隨后，整體分析胸廓容積變化與氣壓關系。學生觀察曲線變化情況，直觀感知“容積變大，氣壓變小；容積變小，氣壓變大”。學生認識到“肺”內氣壓的變化與胸廓容積有關系，進而理解實現氣體進出肺的根本原因在于肺內氣壓與大氣壓之間存在氣壓差。

三、新模型教學優勢與效果

筆者自制的模型教具融合了以往常用的實驗模型的優點和信息技術的優勢，可以逼真模擬真實的胸腔結構。筆者使用這一教具，既能模擬肋間肌的變化引發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，有利于學生理解相關原理和知識。同時，透明塑料薄膜的使用有利于演示呈現肋間肌收縮和舒張的狀態，便于學生觀察肺容積變化。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，便于學生理解膈肌收縮導致膈頂下降的過程。另外，皮球的進氣口下方有一個凸出的結構，實驗者升降膈肌非常方便。

信息時代，生物學教師開展教學活動要與時俱進。傳統教具已不能滿足當前的教學需求。筆者應用氣壓傳感器教學，讓學生認識到大氣壓的存在。數字化實驗的應用實現了定性實驗的定量化分析。學生通過“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致肺內氣壓的變化情況，探究肺容積變化與氣壓的關系，真正理解了氣壓差是實現肺通氣的根本原因，突破了難點。

當然，筆者自制的教具仍有待完善。例如，沒有實現肋間肌的自主收縮、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，不能顯示肋間內肌的作用效果。筆者所在學校傳感器數量有限，只能因陋就簡完成實驗。有條件的學校可以采用兩部氣壓傳感器，一部用于檢測胸廓內氣壓，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部氣壓進行對比，效果更佳。

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

參考文獻

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[2] 陳昱.肺呼吸運動模型的改進[J].生物學教學，2015（12）：26.

[3] 楊守菊，張樹青.基于STEM理念的初中生物學項目式學習探索——以呼吸運動模型的設計與制作為例[J].生物學教學，2021（9）：69-72.

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

責任編輯：祝元志