肺通氣模型的優化與改進

陸曉金

江蘇省昆山開發區青陽港學校(215300)

肺通氣是指肺與外界環境進行氣體交換的過程,包括吸氣與呼氣兩部分。通過肋間肌與膈肌有規律地收縮與舒張,使得胸廓的容積擴大或縮小,導致肺內氣壓的變小或變大,以此建立肺內氣壓與大氣壓之間的壓力差,使空氣進入肺,又使廢棄排出體外,從而維持肺通氣。該知識點源于北師大版初中生物學七年級下冊第10章“人體的能量供應”第2節“人體細胞獲得氧氣的過程”。依據《新課程標準(2022年版)》,屬于一級主題“人體生理與健康”下的重要內容。肺通氣的原理學生不易理解,需結合學生的生活經驗,通過模型或實物展示、材料分析、探究實驗等活動形式,引導學生識別和推斷人體各系統相應結構的功能,幫助其初步形成結構與功能相適應的觀念[1]。如圖1所示,教材以肺通氣模型1演示肋間肌的舒張與收縮引起肋骨和胸骨的運動。如圖2所示,以肺通氣模型2來模擬膈肌運動引起胸廓容積的改變。通過兩個模型的分步演示,對學生理解肺通氣原理有一定的積極作用,但也存在一些問題:①針對模擬肋間肌收縮與舒張對肺通氣影響的模型,能通過跨學科數學對面積的計算,讓學生感受容積的變大,但局限于平面,不能立體、直觀地呈現出胸廓前后、左右徑的變大,導致胸廓容積的擴大;②對于模擬膈肌對肺通氣影響的模型,課堂上使用的是玻璃鐘罩,但對初一學生來說太厚重,操作時手握不住易掉落而碎;③從學生的認知角度出發,七年級沒有學過物理,不易理解氣壓與容積大小的關系,兩個模型也沒有體現出兩者的關系;④吸氣與呼氣是個連貫的動作,而這兩個裝置卻獨立呈現,分開模擬,不符合實際。基于以上問題,需要優化改進模型,使之更好地將人體肺通氣時各結構的變化呈現在學生面前,使學生更好地理解肺通氣的原理。

圖1 教材肺通氣模型1

圖2 教材肺通氣模型2

1 肋間肌對肺通氣影響模型的改進

1.1 材料

塑料圓環數個、銅絲2根、橡皮筋若干等。

1.2 安裝步驟

首先將銅絲繞成如圖3(a)所示形狀,然后將塑料圓環依次穿過銅絲繞成的小孔,如圖3(b)所示,并加以固定;最后,如圖3(c)所示,在兩兩塑料圓環之間用橡皮筋連接起來,裝置效果如圖3(d)所示。

圖3 肋間肌對肺通氣影響模型的改進裝置圖

1.3 方法與現象

用塑料圓環模擬肋骨,銅絲模擬胸骨與脊柱,圓環間的橡皮筋則模擬肋間肌。向上拉動橡皮筋,模擬肋間肌收縮,胸骨向上,俯視可以看到是胸廓的前后徑、左右徑變大,才導致胸廓容積的擴大,肺內氣壓變小,此時模擬吸氣,反之則模擬呼氣過程。

1.4 改進優點

此裝置能化平面為立體,多方位多角度地呈現出肋間肌收縮與舒張時肋骨、胸廓前后徑、左右徑及容積的運動變化,促進對呼吸運動原理的理解。

2 膈肌對肺通氣影響模型的優化

2.1 材料

容積為4 L的礦泉水瓶1個、小氣球2個、大氣球1個、Y形玻璃管1個、剪刀、熱熔膠、橡皮筋等。

2.2 安裝步驟

如圖4所示,首先用剪刀將礦泉水瓶的底部剪去,再將大氣球的底部(下文稱之為“氣球膜”)剪下備用;接著,用橡皮筋將小氣球固定在Y形玻璃管的2個分支上;然后,把Y形玻璃管的管口穿過礦泉水瓶蓋上的小孔,并在縫隙處用熱熔膠加以密封固定;最后,將氣球膜套住礦泉水瓶的底部開口,裝置效果如圖4(e)所示。

圖4 膈肌對肺通氣影響模型的優化圖

2.3 方法與現象

用氣球模擬肺,Y形玻璃管模擬氣管與支氣管,礦泉水瓶模擬胸廓,氣球膜模擬膈肌。用礦泉水瓶代替玻璃鐘罩,減輕重量的同時,而且能避免鐘罩易碎的情況。用氣球膜代替橡皮膜,由于氣球底部有突起,因此比橡皮膜能更好地上下推拉。當向下拉氣球膜時(模擬膈肌收縮下降),礦泉水瓶上下徑增大,導致容積增大,氣體進入小氣球(模擬胸廓上下徑增大,容積增大,氣壓減小,外界氣體進入肺),此時模擬吸氣狀態,反之則為呼氣狀態。

2.4 改進優點

用礦泉水瓶代替玻璃鐘罩,減輕重量的同時,而且能避免易碎的情況。用氣球膜代替橡皮膜,由于氣球底部有突起,因此比橡皮膜能更好地上下推拉,以便于更好地操作。

3 肋間肌與膈肌對肺通氣影響模型的組合

3.1 材料

增加的材料有定滑輪、細線、解剖針等。

3.2 安裝步驟

如圖5所示,首先將模擬肋間肌對肺通氣影響的實驗裝置放進礦泉水瓶適當的位置,用記號筆做好標記,再用解剖針在合適的位置上打幾個小孔;然后,用銅絲穿過背面小孔將模擬肋間肌對肺通氣影響實驗的裝置固定在礦泉水瓶內,再用熱熔膠加以固定;接著,在礦泉水瓶的正面選取適當位置,用解剖針打一小孔,將細線與塑料圓環系在一起,前端穿過小孔并拉出。再選擇合適的位置通過定滑輪放好細線,最后裝好氣球膜,裝置效果如圖5(d)所示。

圖5 肋間肌與膈肌對肺通氣影響模型的組合圖

3.3 方法與現象

同時下拉細線與氣球膜,發現能同時模擬膈肌、肋間肌的收縮對胸廓擴大的變化,從而模擬吸氣運動;反之上推細線與氣球膜,則能同時模擬膈肌、肋間肌的舒張對胸廓縮小的變化,從而導致呼氣運動。

3.4 改進優點

此裝置的改進能同時模擬肋間肌與膈肌對呼吸運動的影響,狀態清晰,便于學生觀察,使之更加符合人體的構造特點。

4 手持技術的引入

4.1 材料

增加的材料有手持技術壓強傳感器等。

4.2 安裝步驟

如圖6所示,在礦泉水瓶蓋上開一小孔,將壓強傳感器的一端伸入瓶內,另一端與顯示屏相連。

圖6 壓強傳感器與模型的組合圖

4.3 方法與現象

由于礦泉水瓶通過Y形玻璃管與外界相通,所以待數據穩定時,瓶內、外氣壓相同,如圖6(a)所示,屏幕顯示數值為99.4 kPa。當同時下拉細線與氣球膜,此時模擬胸廓容積在擴大,但數值卻在變小,如圖6(b)所示,屏幕顯示數值由99.4 kPa慢慢減小到98.4 kPa。接著松開細線,上推氣球膜,模擬胸廓容積變小,此時能清楚地看到儀器屏幕上的數值在變大,如圖6(c)所示,屏幕顯示數值由98.4 kPa慢慢增加到101.0 kPa。通過引入手持技術壓強傳感器,可以很好地展現出氣壓與容積的關系,將定性實驗定量化,使之更具有說服力。

4.4 改進優點

通過引入手持技術壓強傳感器,可以很好地展現出氣壓與容積的關系,將定性實驗定量的通過數據展現在學生面前,使之更具有說服力,更易理解。

5 小結

通過再次改進后的實驗裝置,將膈肌與肋間肌對肺通氣影響的裝置組合在一起,能同時展現出兩者的收縮與舒張對胸廓容積的變化,從而讓學生更好地理解容積大小與氣壓的關系。相信在對教具不斷改進的過程中,能讓學生糾正自己的潛意識并更好地理解:膈肌與肋間肌的收縮與舒張,導致胸廓容積的擴大或縮小,才引起了吸氣與呼氣,完成肺通氣的過程。在實驗模型構建的過程中,皆由學生和教師共同配合完成,讓學生真正參與到學習活動中去,理解基本概念,增強動手能力,手腦并用,做學合一[2]。