基于新课程理念的实验模型改进

摘要

利用废弃塑料水瓶代替无底广口瓶制作“肺与外界的气体交换”实验模型，不仅变废为宝，而且具有易得、轻便和安全等优点。改进实验模型可在自然状态下（舒张时）让橡皮膜（模拟膈肌）呈现胸腔突起的穹隆状，且模型中的气球（模拟双肺）在充气情况下其体积是充满胸腔的，更贴近于人体结构的真实状态。另外，利用数字化手持技术并引入气压计传感器辅助实验演示，让学生通过图表即可直观感受到膈肌运动引起肺内气压变化及与肺呼吸的关系，将抽象的概念直观化，是生物学跨学科融合教学的一次实践尝试。基于该模型结合“吸烟等不良嗜好对人体健康具有危害作用”的概念整合教学，设计“吸烟危害肺的健康”实验，提升学生的健康意识。

Graphical abstract

关键词

新课程理念 / 实验模型 / 膈肌 / 肺 / 呼吸 / 气体交换 / 数字化手持技术

《义务教育生物学课程标准（2022年版）》（以下简称“课程标准”）指出，生物学课程需要“设立跨学科主题学习活动，加强学科间相互关联，带动课程综合化实施，强化实践性要求”^［1］“设置‘生物学与社会·跨学科实践’学习主题，引导学生综合运用生物学、化学、物理、地理、数学等学科的相关知识和方法，尝试分析和解决实际问题”^［2］。因此，教师应引导学生在真实情境中发现问题、提出问题，综合利用各学科知识去解决问题，以期培养学生跨学科学习的思维和能力。数字化手持技术和智能设备与中学生物学传统教具相结合，可以在生物学教学中融入其他学科（如物理、数学等）知识，便于学生理解，以此落实新课程理念中提升学生跨学科学习和综合能力的要求。笔者以“肺与气体交换”为例开发实验模型，并将其用于“吸烟危害人体肺部的健康”演示实验中，从而践行新课程中的“围绕大概念组织教学”的理念。

1 教材版本分析

“发生在肺内的气体交换”是人教版生物学七年级下册第四单元第三章第2节的内容，该章对应“课程标准”课程内容（五）人体生理与健康的一个重要概念：人体通过呼吸系统与外界进行气体交换。第2节主要介绍了肺与外界的气体交换和肺泡与血液的气体交换等知识。其中，肺与外界的气体交换的过程既是该节的重点，也是难点，故教材安排了“模拟膈肌的运动”作为凸显其知识的一个演示实验，帮助学生理解呼吸运动与肺吸气、肺呼气的关系。该实验涉及物理学科关于压力与胸腔体积之间的关系等方面的知识，但教材中的膈肌运动模型具有一定的局限性。

另外，人教版生物学八年级下册第八单元第三章第2节“选择健康的生活方式”中提到烟草燃烧时会产生如尼古丁、焦油等对人体有害的物质，但如何让学生具体、深刻地感受到吸烟对肺的影响和伤害，教材并未设计相关的学生活动。结合“课程标准”在“课程实施”的教学建议中提出“围绕大概念组织教学内容和教学活动”的建议，笔者认为吸烟危害人体肺部的健康是和“呼吸运动可以实现肺与外界的气体交换”的概念相关联的，遂决定将两者结合起来展开相关教学。

2 实验教学内容

人教版生物学七年级下册第四单元第三章第2节中设计了“模拟膈肌的运动”演示实验，该实验主要是验证膈肌收缩和舒张时胸廓体积变化导致肺内压力发生变化，从而引起肺（即装置中的气球）胀大和收缩的过程，其装置如图1所示。教材装置是将橡皮膜平铺、扎紧于无底的广口瓶底端，目的是使其密闭，但存在以下不足。

（1） 膈肌在人体自然状态下（舒张时）是呈现胸腔突起的穹隆状，而一般装置在自然状态下模拟膈肌的橡皮膜却呈水平状^［3］。另外，人体的肺的体积在真实情况下几乎充满整个胸腔，如图2所示；而一般模型中的气球（模拟肺）的体积相对较小，演示时难以让学生清楚地感受到膈肌运动过程中胸腔体积变化导致胸腔内的气压变化，最后引起肺的呼吸运动的现象。

（2） 教材实验是手推橡皮膜（模拟膈肌）和其自动复原的过程，部分学生会错误地将橡皮膜自动复原过程误认为是膈肌的舒张引起肺吸气，而手推橡皮膜的过程被误认为是膈肌的收缩引起肺呼气，其实这恰好与膈肌的运动和肺的呼吸相反^［2］。

（3） 膈肌的收缩（舒张），引起胸廓缩小（扩大），从而引起肺的容积减小（增大）。当气体体积一定时，容器体积越小气压越大，容器体积越大气压越小，故在自然状态下，模型胸腔内的气压应与外界气压一致。当用手推橡皮膜时，胸廓体积变小，气压增大，挤压气球，气球缩小，模拟肺呼气；反之，当橡皮膜复原时，气球膨胀，模拟肺吸气。但气球（模拟肺）内的压力变化对初一年级学生来说还是比较抽象，部分学生更是难以理解。

3 模型改进原理

针对前述问题，结合教材实验原理，笔者决定将原有模型改为如图3所示的模型，实现了橡皮膜（模拟膈肌）在自然状态下（舒张时）呈现胸腔突起的穹隆状，更好地复原了人体内膈肌在自然状态下的应有形态，同时选取更大体积的气球模拟肺的部分，使得实验演示过程中肺的变化更为明显和合理。

针对膈肌运动导致肺内压力变化这一较为抽象的问题，笔者引入数字化手持技术——气压计传感器和配套的图表软件，利用气压计传感器所采集的实验数据和图表软件所描绘的图像展示橡皮膜（模拟膈肌）收缩或舒张时气球（模拟肺）内的实时气压变化，让学生直观地感受实验过程中气球（模拟肺）内的气压变化情况。

4 模型所需的制作材料

塑料水瓶、塔口Y形三通管、气球、橡皮膜（可用大号气球代替）、橡皮筋、气压传感器及装有配套软件的平板电脑或台式电脑、棉绳、化妆棉、热熔胶枪、电烙铁等。

5 模型的制作和组装

5.1 胸廓模型的制作

从塑料水瓶瓶口至瓶底2/3处作一标记，再沿该标记将底部剪掉，留上部作为模型的胸廓部分，如图4所示。利用电烙铁在瓶盖位置开孔，孔径大小与塔口Y形三通管或软胶管的直径一致，具体操作如图5所示。

5.2 肺模型的制作

利用塔口Y形三通管加软胶管模拟肺的气管和支气管，其优点是塔口Y形三通管的管口有塔形膨大卡位，更利于气球的固定，同时软胶管与塔口Y形三通管分离更方便安装，如图6所示。

5.3 膈肌模型的制作

将大号气球剪开，留中段部分备用，较窄的一端固定在皮筋上（图7）；将图7上端橡皮筋卡于胸腔模型瓶口处，在把膈肌模型中的橡皮膜展开并套住瓶底前，要先把气压传感器导管接入其中一只红色气球（模拟肺）内，再把橡皮薄膜封住瓶（模拟胸腔）底，随后连接好气压传感器、数据采集器，整体效果见图8。图9展示的模型的橡皮膜（模拟膈肌）在自然状态下（舒张时）呈现胸腔突起的穹隆状，改进了自然状态下呈水平状的缺点。另外，在模拟膈肌运动时，可通过连接的气压传感器采集模型中气球（模拟肺）内压力的变化数据，即可让学生通过传感器所配套的数据采集软件观察图像的变化，从而直观了解膈肌运动过程中胸廓大小的变化引起肺内压力发生改变的情况，由此进一步推断出肺内压力变化与肺呼吸的关系。

6 模型的使用方法

6.1 “模拟膈肌运动”实验

“模拟膈肌运动”的模型有两种使用方式：一是常规演示。拉动模型中的橡皮膜（模拟膈肌）使塑料瓶（模拟胸腔）的容积发生变化，继而引起塑料瓶（模拟胸腔）内压力发生变化，最终引起气球内（肺内）压力发生变化，促使气体进出气球（模拟肺），如图10、图11所示。二是结合手持数字化技术（引入气压传感器）进行演示。在“模拟膈肌运动”实验基础上，可实时采集气球（模拟肺）内的压力变化数据并据此描绘出图像，让学生直观地感受到膈肌运动引起肺内压力变化和肺呼吸的关系，如图12所示。

6.2 健康教育“吸烟危害肺的健康”演示实验

基于“课程标准”的课程理念中的“内容聚焦大概念”和“教学过程重实践”，结合人教版生物学八年级下册第八单元第三章第2节“选择健康的生活方式”中烟草燃烧时会产生如尼古丁、焦油等对人体肺部健康有影响的内容，设计相关演示实验。以上述设计的模型为基础，用湿润的化妆棉包裹塔口Y形三通管的两端，借此模拟肺内的二级和三级支气管（图13）；给塔口Y形三通管套上气球（模拟肺），若想使演示过程更直观和明显，可直接按图14的模拟模式安装，即可通过膈肌的收缩和舒张实现肺的呼吸，以此模拟人吸烟的过程。实验结果显示，香烟中的焦油会附着在湿润的化妆棉上（图15），这一结果警示学生吸烟对人体肺部健康的危害。

7 实验装置改进的创新点

该实验装置具备以下4个方面的创新点。

（1） 利用废弃塑料水瓶代替无底广口瓶，不但变废为宝，而且塑料水瓶相对大号无底广口瓶具有易得、轻便、安全等优点。

（2） 改进模型使橡皮膜（模拟膈肌）在自然状态下（舒张时）呈现胸腔突起的穹隆状；选用大号气球模拟肺，使充气时达到基本充盈胸腔的效果，真实地还原了人体结构的情况。

（3） 基于生物学跨学科教学，利用手持数字化技术（引入气压传感器）辅助演示实验，可实时采集气球（模拟肺）内的气压变化数据并描绘出图像，学生即可直观地感受到膈肌运动引起肺内的压力变化与肺呼吸的关系，将抽象的概念直观化。

（4） 基于生物学学科核心素养，围绕大概念整合教学，利用湿润的化妆棉模拟肺的二级和三级支气管，设计“吸烟危害肺的健康”演示实验，实验结果明显，从而增强学生的健康意识，促进其生命观念的形成。

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] 刘恩山.义务教育生物学课程标准（2022年版）解读［M］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[3] 尹旺兴.“模拟膈肌的运动”演示实验装置的改进［J］.发明与创新（中学生），2019（05）：49-50.

基金资助

广州市教育研究院2024年度科研课题“手持实验技术支持下的初中生物学实验教学实践研究”(2024czsw02)