肺呼吸运动模型的成套教具改进

摘要

针对初中生物学教学中现有肺呼吸运动模型无法同步演示膈肌、肋间肌运动与胸廓容积变化的关系，且结构与人体呼吸系统相似性低、直观性差等问题，改进一套肺呼吸运动模型教具。阐述其制作流程、使用方法及优势，并阐明其模拟肺呼吸运动的生理学原理。改进后的成套教具可根据教学需求分阶段使用：先演示胸廓容积变化，再叠加肺内气压变化，最后整合膈肌与肋间肌的协同作用，促进学生建构“结构与功能相适应”的生命观念，提升科学思维与探究能力。

Graphical abstract

关键词

肺呼吸运动模型 / 教具 / 改进

《义务教育生物学课程标准（2022年版）》强调生物学课程注重探究和实践，以丰富的生物学知识为载体，通过多种教学活动展现人们认识自然现象和规律的思维方式及探究过程，反映自然科学的本质^［1］。因此，教师应从生活实践出发，创设生动形象的教学情境，充分利用日常用品和材料^［2］，开发创新教具，开展创新科学实验，提升课堂的有效性，促进教学目标的有效达成。

“发生在肺内的气体交换”是人教版生物学七年级下册中重要的一节。人体呼吸模型教具在教师教学过程中的重要性不容忽视，它可以通过视觉辅助、交互学习、实践操作和个性化学习等方面^［3-4］，促进学生对人体呼吸系统的理解和掌握，提高学生的学习效果和兴趣。

1 教材原型教具分析

“发生在肺内的气体交换”一课主要内容是通过深呼吸体验，感受肋骨运动和胸廓的变化，进而阐述肺与外界进行气体交换的过程，接着联系实际生活分析现象并归纳总结肺泡与血液进行气体交换的结构特点。同时，学生需要理解以下原理：平静状态时，吸气和呼气是依靠膈肌和肋间肌等活动而产生的，吸气和呼气时膈肌、肋间外肌、肋骨、胸腔体积、肺内压力等都会发生变化。这些内容对于七年级学生来说较难理解，教师在教学中通常需要借助教具帮助学生理解知识的重难点。

在教材中，人体呼吸运动模型是利用玻璃管（或塑料管）模拟气管、锥形罩（或塑料瓶）模拟胸腔壁、气球模拟肺、橡皮膜模拟横膈（图1）。该模型虽然可以模拟横膈变化引起吸气和呼气，但不能模拟呼吸时胸廓的变化，也不能模拟肌肉收缩引起肋骨向上运动，更不能直观地展示出呼吸时肺内压力的变化。因此，学生很难理解呼吸时膈肌、肋骨、胸腔体积和肺内压力的变化。

2 已有教具分析

赵宏武等^［5］用L形玻璃管、透明橡胶管、纸盒等自制一套教具，不仅说明了膈肌运动与呼吸的关系，而且较为真实地模拟了膈肌的形态和位置情况，巧妙地将肺内气压变化通过红墨水的移动呈现，直观地揭示了肺内外气压变化的特点。

陈昱^［6］利用木头、细铁丝、气球、橡皮膜套、塑料袋、塑料瓶等自制一套教具。改进后的教具通过向下拉橡皮膜模拟横膈向下运动、向上提拉“胸骨”模拟肋骨的向上向外运动，从而模拟气体吸入体内的过程；向上松开橡皮膜模拟横膈向上运动、收回“胸骨”模拟肋骨的向下向内运动，模拟气体呼出的过程。改进后的模型形象地模拟了呼吸时肺、胸腔、胸廓的变化。

杨守菊等^［7］基于STEM教育理念，开发设计了肺呼吸运动模型，利用铁架台、铁丝、尼龙线等将胸廓模型与胸腔模型结合起来，通过拉伸尼龙线同时展示呼吸运动过程中胸廓和膈肌的变化。

分析相关文献发现：大多数研究者主要在模型制作材料方面进行改进，但现有肺呼吸运动模型教具功能单一，演示功能不全面。例如：有些教具模型侧重演示呼吸时肺内气压的变化；有些教具模型模拟呼吸时胸廓、肋骨、胸骨等的变化。然而，都没有系统地将二者结合，不利于学生理解并逐渐建构相关知识体系。

3 教材教具的改进

为解决目前教具存在的问题，笔者在已有教具的基础上进一步整合优化，制作了肺呼吸运动模型的成套教具。

3.1 改进教具的材料

40 cm×25 cm×30 cm透明亚克力箱、粘贴式扎带座、5 cm×10 cm 90°玻璃导管、9号单孔橡胶塞、5 L透明矿泉水瓶、D7.5 cm塑料Y形导管、D1.2 cm小皮筋、气球、60 g硅胶泳帽、60 cm铁丝、60 cm输液管、D4 cm黄色皮筋、D1 cm硅胶管、4 cm单滑轮、4 cm并排双并滑轮、5 cm小木条、24 cm×32 cm硬纸板、D4 mm硅胶管、20 cm×1 cm刻度尺贴纸、注射器、热熔胶枪、红墨水、棉线、鱼线、透明胶等。

3.2 改进教具的板块设计

改进后的肺呼吸运动模型分为四大板块（图2），制作步骤简单，由气压变化显示板块、动力板块、胸腔板块、胸廓板块组成。

（1） 气压变化显示板块由硬纸板、硅胶管、玻璃导管、刻度尺和贴纸组合制作而成，通过玻璃导管与胸腔板块相连。使用时利用注射器将红墨水注入硅胶管中，通过观察硅胶管内液面的变化了解气压的变化。该板块将气压的变化转化为红墨水液面的变化，利用刻度尺将实验结果量化。

（2） 动力板块是由双并滑轮和两个单滑轮组成的滑轮组构成。利用滑轮组，通过拉动棉线带动肋骨和膈肌变化。

（3） 胸腔板块由拦腰剪断的5 L透明矿泉水瓶的上半部分、2个气球、Y形管、橡胶塞、硅胶泳帽构成。其中，5 L矿泉水瓶模拟胸腔、Y形管模拟气管及支气管、气球模拟肺、硅胶泳帽模拟膈肌。

（4） 在胸廓板块中，包裹铁丝的输液管模拟肋骨，长段硅胶管模拟脊椎，短段硅胶管模拟胸骨，黄色皮筋模拟肋间肌。实验时拉伸棉线，从而带动胸廓板块的变化。

3.3 改进教具的功能

肺呼吸运动模型四大板块侧重展示的重点不同。在真实教学情境中，教师可以选择不同的板块进行不同知识点的讲解。改进后的教具便于教师携带和保存。

（1） 探究呼吸时肺、膈肌等的变化。

利用胸腔板块和动力板块，探究呼吸时肺、膈肌等的变化。用手向下拉连接胸腔的棉线，观察到硅胶泳帽下降，气球变大，该操作模拟“膈肌收缩－膈顶部下降－胸腔的体积增大－肺内气压减小－外界空气进入肺－完成吸气”的过程。

放松连接胸腔的棉线，观察到硅胶泳帽回升，气球变小，该操作模拟“膈肌舒张－膈顶部回升－胸腔的体积减小－肺内气压增大－肺内气体排出体外－完成呼气”的过程。

（2） 探究呼吸时肺、膈肌、气压等的变化。

利用胸腔板块、动力板块、气压变化显示板块，探究呼吸时肺、膈肌、气压等的变化。用手向下拉连接胸腔、胸廓的棉线，观察U形管内液面的变化。观察到硅胶泳帽下降，气球变大，U形管左侧液面下降、右侧液面上升。该操作模拟“膈肌收缩－膈顶部下降－胸腔的体积增大－肺内气压减小－外界空气进入肺（U形管左侧液面下降、右侧液面上升）－完成吸气”的过程。

放松连接胸腔、胸廓的棉线，观察U形管内液面的变化。观察到硅胶泳帽回升，气球变小，U形管左侧液面上升、右侧液面下降。该操作模拟“膈肌舒张－膈顶部回升－胸腔的体积缩小－肺内气压增大－肺内气体排出体外（U形管左侧液面上升、右侧液面下降）－完成呼气”的过程。

（3） 探究呼吸时肺、膈肌、胸廓、气压等的变化。

利用胸腔板块、胸廓板块、动力板块、气压变化显示板块，探究呼吸时肺、膈肌、胸廓、气压等的变化。下拉连接胸腔、胸廓的棉线，观察U形管内液面的变化。观察到硅胶泳帽下降，气球变大，短段硅胶管上升，铁丝上升，黄色皮筋收缩，U形管左侧液面下降、右侧液面上升。该操作模拟“膈肌收缩－膈顶部下降－肋间肌收缩－胸骨、肋骨上升－胸腔的体积增大－肺内气压减小－外界空气进入肺（U形管左侧液面下降、右侧液面上升）－完成吸气”的过程。

放松连接胸腔、胸廓的棉线，观察U形管内液面的变化。观察到硅胶泳帽回升，气球变小，短段硅胶管下降，铁丝下降，黄色皮筋舒张，U形管左侧液面上升、右侧液面下降。该操作模拟“膈肌舒张－膈顶部回升－肋间肌舒张－胸骨、肋骨下降－胸腔的体积缩小－肺内气压增大－肺内气体排出体外（U形管左侧液面上升、右侧液面下降）－完成呼气”的过程。

4 改进教具的优点

4.1 教具成套，层层递进

依据肺呼吸运动的原理制作成套教具，包含四大板块，分别展示了呼吸时肺、膈肌、胸廓的变化，将肺内气压的变化转变为可以观察的液面变化。

在教学中，教师可以结合实际教学情境使用教具不同的结构进行教学展示，层层递进，由浅入深，便于学生理解。

4.2 效果明显，生动有趣

该模型运用透明材料与可动部件形象地模拟了肋间肌变化引发胸廓和肺容积变化的过程，膈肌的变化引发胸廓和肺容积变化过程，用红墨水的移动反映装置内的气压变化。改进教具化难为易，变抽象为直观，效果明显，学生一目了然，能激发学生的学习兴趣，达到理想的教学效果。

4.3 方便易取，使用安全

利用日常用品作为模型制作的原材料，如透明亚克力箱、扎带固定座、铁丝、输液管、矿泉水瓶等。制作材料在网上或超市里都能买到，价廉物美，质量轻，使用方便、安全，可重复使用，性能稳定。

5 结语

改进后的肺呼吸运动模型的设计与相关知识的教学目标紧密相连，能够直观地展示肺部的呼吸运动过程，帮助学生理解肺部的结构和功能。同时解决了教学过程中的重难点，在教学过程中，教师可借助这一成套教具模型引导学生直观、清晰、有效地理解人体的呼吸运动，建立更加系统的知识体系^［8］。

但在之后的研究中，我们可以从以下几个方面进一步优化：第一，改进用手拉细线带动胸骨和膈的变化的操作，以期实现肋间肌的自主收缩、舒张；第二，进一步凸显肋间内肌在呼吸中的作用效果；第三，引入新型教学用具，如采用气压传感器检测胸腔内气压的变化^［9］，结合电脑形成胸廓容积变化与气压关系曲线图等。

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] 蔡盼盼.自制“呼吸运动”模型的改进建议［J］.中学生物教学，2023（08）：52-53.

[3] 吴雅静.基于体验活动培养高阶思维：以“人体和外界环境的气体交换（第2课时）”教学为例［J］.理科考试研究，2022，29（22）：64-65.

[4] 贾立堂，徐宝兰.运用项目式学习取长补短改进模型：以“模拟呼吸运动”为例［J］.实验教学与仪器，2024，41（10）：81-82.

[5] 赵宏武，陆晓霞.膈肌运动与呼吸的关系演示实验模型改进及其操作［J］.中国现代教育装备，2021（10）：43-45.

[6] 陈昱.肺呼吸运动模型的改进［J］.生物学教学，2015，40（12）：26.

[7] 杨守菊，张树青.基于STEM理念的初中生物学项目式学习探索：以呼吸运动模型的设计与制作为例［J］.生物学教学，2021，46（09）：69-72.

[8] 潘园园，虞驰，潘利永.人体缩手反射物理模型的制作和使用［J］.中学生物教学，2021（22）：56-58.

[9] 李金耿，张艳萍.人体呼吸运动模型的制作与使用［J］.生物学教学，2022，47（07）：41-42.

基金资助

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