运用血氧仪设计“发生在肺内的气体交换”实验

摘要

以市售指夹式脉搏血氧仪为教具，设计测定运动前后血氧、脉搏变化的实践活动，让初中生在真实情境中从直观的数据理解运动后血氧饱和度下降、心率上升，休息后又逐渐恢复的趋势，从而认同锻炼能增强心肺功能，渗透健康生活的理念。该活动可以帮助学生实现从现象感知到理性认知的跃迁，深化对生物学核心概念的理解，建立稳态与调节的生命观念。

Graphical abstract

关键词

初中生物学 / 血氧仪 / 血氧饱和度 / 心肺功能 / 健康生活 / 跨学科

在“发生在肺内的气体交换”实验教学中创新性地引入指夹式脉搏血氧仪开展多样化的跨学科实践活动，帮助学生直观了解运动前后身体发生的变化，理解肺内进行气体交换的重要性，养成规律运动的健康生活理念，对中学生物学实验教学具有一定的借鉴意义。

1 教材与学情分析

“发生在肺内的气体交换”一节，选自人教版初中生物学七年级下册第三章第二节。在《义务教育生物学课程标准（2022年版）》中，对应的是模块五“人体生理与健康”，要求学生从系统、器官等不同的结构层次认识人体的结构和功能，认识到良好的行为习惯对机体健康的至关重要性；而对该节的要求为，掌握“呼吸运动可以实现肺与外界的气体交换”的核心概念^［1］。

学生虽已清楚绿色植物的光合作用和呼吸作用，理解呼吸作用是生物的共同特征，但对于后续学习肺泡与血液进行气体交换、体循环、肺循环和神经体液调节机制等内容仍存在认知困难。从概念进阶图（图1）可以看出，学生的认知需要从“全身各系统器官和细胞都是在神经系统的控制下，相互配合完成各自功能”进阶到“人体的生命活动既受到神经系统的调节，也受到激素的影响”。为此，笔者借助一些智能设备开展跨学科活动，目的是分散教学难点，帮助学生加深对相关概念的理解。

2 血氧仪与生物学教学相结合

在教材的该节中，“科学·技术·社会”栏目安排有森林浴、有氧运动和高压氧治疗等教学内容，以及在“技能训练”栏目安排有测量和计算肺活量活动，同时课后练习涉及不同运动与耗氧量关系的相关问题。但此时学生对动物的呼吸仍然没有清晰的认知，难以理解以上问题，故笔者设计活动，让学生使用血氧仪，测量不同运动前后血氧饱和度和心率的变化，借直观的数据感受身体变化。

正常人的心率和脉搏是一致的，故一般通过测量脉搏来反映心率。指夹式脉搏血氧仪，是在日常生活中常见的测定人体身体指标的仪器，具有操作简单、实时、快速，以及无须对受测者进行采血即可快速检测出人体血氧含量和脉搏等优点^［2］，适于家庭、医院、氧吧、运动保健等范围内使用。该实验活动选择指夹式脉搏血氧仪（图2），用其测量不同运动前后血氧饱和度和脉搏变化情况，帮助学生更好地理解肺内气体交换的重要性，养成规律运动的健康生活理念。

3 利用指夹式脉搏血氧仪测定运动前后血氧饱和度和心率的变化情况

3.1 活动流程

提问学生：①运动后是否会有呼吸急促、心率变快的感受？②运动后我们身体的血氧饱和度是否发生了变化？③经常运动和不经常运动学生的血氧饱和度和心率变化是否一致？针对问题，引导学生利用指夹式脉搏血氧仪设计实验，探究运动后人体心率和血氧饱和度变化情况，对数据进行分析并查阅相关资料后认同经常锻炼的健康生活习惯。

3.2 实验设计

各小组学生选择跳绳、跑步、打篮球等体育运动项目，分别测定经常运动和不经常运动学生的运动前后血氧饱和度和心率的变化情况。运动前，测量静息状态下血氧饱和度和心率，规定运动10 min，且10 min内每间隔2 min停止运动并测量一次数据，尽量保持运动强度的一致性；运动结束后，静坐10 min，间隔2 min测量一次数据。

3.3 实验结果

学生选择运动项目到操场开展实验，认真记录实验数据。教师引导学生运用数学知识制作数学模型——折线图，直观表达运动前后血氧饱和度和心率发生变化的趋势，分析和比较经常运动和不经常运动学生有何差别。如表1、表2、图3、图4所示，记录的是跳绳组的4名学生跳绳前后血氧饱和度、心率的变化数据和变化曲线。跳绳后血氧饱和度有下降趋势，运动结束后血氧饱和度逐渐恢复；心率有上升的趋势，运动结束后也逐渐恢复。同时发现：经常运动学生的血氧饱和度和心率波动幅度较不经常运动学生的波动小，且恢复静息状态耗时较短。

3.4 结果分析

学生运动10 min后分析实验数据，直观理解运动过程中身体对氧和养料的需求增大，身体耗能增多，耗氧量增大，因此呼吸急促，血氧饱和度有轻微下降的趋势，心跳加快以加速血液循环。运动结束后静坐10 min内，血氧饱和度和心率逐渐恢复平稳。因为机体的摄氧量是由能量代谢决定的，这时虽然运动结束后大多数肌肉停止了运动，但由于能量代谢未恢复到运动前的静息状态，摄氧量也未恢复到运动前的静息状态，存在运动后过量氧耗（excess post-exercise oxygen consumption，EPOC）^［3］，所以也未完全恢复静息状态时的血氧饱和度和心率。

据前人研究可知，运动后过量氧耗受运动强度、运动方式、性别、激素、年龄等多种因素的影响^［3］。跳绳组的学生虽然进行同一项运动且运动时间相同，但运动前后血氧饱和度和心率变化不一致，初步得出经常运动学生较不经常运动学生的血氧饱和度和心率变化起伏较小且恢复静息状态所需时间更少的结论。原因是经常运动学生的心肺功能强，较慢的心率就能维持全身的供血。有研究表明，对青少年进行高强度间歇训练8周后，能显著改善青少年的心肺适能、身体成分、肌肉耐力，提升身体活动量和体力活动水平。

3.5 活动注意事项

（1） 安全性。在室外进行测量运动前后血氧饱和度和心率变化的实践活动中，尤其要注意安全第一，尽量避免因活动造成的意外伤害。教师应提前了解被测学生是否有心脏病或不适合运动的疾病，尤其要关注平时身体素质较差的学生，若发现学生有不良反应，则应立即停止其活动，并将其送学校医务处进行检查。

（2） 运动强度的一致性。虽然同一项运动间隔2 min测量一次，但被测学生身体素质和体力不一致，会导致运动强度有所差异，因此各小组在进行运动和测量时，需尽量保持运动强度一致，减少无关变量对实验结果的影响。

（3） 有序性。各小组提前分配好运动员、计时员、记录员的工作，确保实验的科学性和有序性。

4 结语

该实验活动通过使用指夹式脉搏血氧仪测量运动前后血氧饱和度和心率的变化进行跨学科实践活动，引入“发生在肺内的气体交换”一节的内容，贴近学生日常生活，让学生学会使用指夹式脉搏血氧仪，渗透健康生活的理念，认同锻炼能增强心肺功能，养成良好的生活态度和行为习惯。

该实验活动丰富了课堂教学形式的多样性，落实了课程标准中提出的教学过程重实践的理念。学生通过亲身体验获得科学知识，体验生命现象，感知生物学事实，激发了好奇心和学习积极性；直观感受呼吸带来的身体变化，并在数据处理和科学推理的过程中发展信息素养和科学思维；理解机体具有一定的调节功能，各系统相互联系、相互协调，共同完成生命活动，形成稳态与调节观；认识到呼吸运动维持生命活动的重要性，为后续学习肺泡与血液进行气体交换、心脏结构和功能、体循环和肺循环等奠定了基础。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育生物学课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 邓振进，黄海萍，吴碧涛，等.脉搏血氧仪血氧饱和度和脉搏率准确性试验方法的研究［J］.中国医疗设备，2023，38（09）：46-52.

[3] 陈钢锐，戴剑松.运动后过量氧耗的研究综述［J］.南京体育学院学报（自然科学版），2017，16（03）：43-47.

基金资助

人民教育出版社课程教材研究所课题“初中生物学教材中跨学科实践活动设计与实践”(KC2022-001)