呼吸传感器在“肺活量的测定”实验中的应用

蔡三娟

(江苏省南京市第九初级中学 210018)

生物学是一门以实验为基础的科学，生物学实验教学是初中生物学教学的重要组成部分。近年来，随着信息技术的发展，大量的数字化实验仪器与手段不断应用于新教材的实验教学。生物传感器作为数字化实验仪器也飞速发展，且因其具有定量测定、精确度高、实验结果直观等优势，已不断应用于中学生物学实验教学中，使传统生物学实验室无法完成或者完成不好的实验得到了很好的改进。温度传感器、二氧化碳传感器、氧气传感器和湿度传感器在中学生物学实验教学中的应用已有报道[1～3]。实践表明，将传感器应用到中学生物学实验教学中，不仅是教学手段的创新，更能激发学生实验探究的兴趣，进一步提高学生实验操作能力和生物科学素养。但到目前为止，这方面的探索还不够广泛、深入。本文尝试应用呼吸传感器代替肺活量仪来完成肺活量测定的实验，以期不断创新教学手段，改进传统生物学实验，提高教学效果。

1 应用呼吸传感器进行“肺活量的测定”实验

苏教版生物学七年级下册“人体与外界环境的气体交换”一节中介绍了人体呼吸的过程及肺活量的测定，教材中安排了一个测量肺活量的实验，传统实验方法是用肺活量测试仪进行测定，但存在两个问题：①在教学中一般只提供一个肺活量测试仪，由于课堂时间有限，只能让个别学生当堂测试，不能满足所有学生参与的欲望，做不到“面向全体学生”；②肺活量测试仪最终只能显示一个数值，不能反映呼气的过程及所需的时间，实验结果呈现方式较为单一，且每次测得的数值还需手写记录，不能有效保存。利用传感器的优势，能实现分组实验，只需短短几秒钟即可测出肺活量，操作简单，且实验结果以数据和曲线的形式呈现在计算机上，直观明了，能永久保存。

1.1 实验器材 计算机、呼吸传感器、吹嘴、气流头、数据采集器

1.2 实验方法 ①连接装置：将呼吸传感器与吹嘴和气流头连接，再与数据采集器、计算机连接；②测定肺活量：打开实验系统软件TriE ilab ，进入数据采集页面，设置数据采集时间为5 s，时间间隔为100 ms，添加“呼吸率—时间”曲线，先深吸一口气，再将嘴巴贴紧吹嘴(鼻子不呼气)，点击“开始”按钮，然后用力一次性吹完一口气，采集数据。测量3次，取最大值。

1.3 结果与分析 图1是一位实验者的肺活量测定曲线。横坐标是时间(s)，纵坐标是单位时间呼气量(L/s)。通过对呼气过程作积分处理，可得出呼气时间为3.52 s，呼出的气体量为2.995 L，即本次测得的肺活量为2995 mL。

应用呼吸传感器能使每位学生参与实验，且整个测量过程只需几分钟即可完成，得到的数据和变化曲线呈现在计算机上，学生能实时观察自己测肺活量的过程，对曲线作积分处理，即可算出肺活量，实验结果能永久保存。实验结束后，教师可统计全班的测定结果，进一步引导学生分析性别、年龄、身体状态等因素对肺活量的影响。

图1 人体肺活量的测定曲线

2 应用呼吸传感器对实验进行拓展

在学生掌握了呼吸运动相关知识的基础上，利用呼吸传感器还能对该实验进行适当拓展，如利用呼吸传感器监测呼吸速率、测定呼吸频率和潮气量等生理指标，进一步满足学生的求知欲望，提高学生的实验操作能力和信息处理能力。

2.1 实验器材 同1.1。

2.2 实验方法 ①连接装置；②测定人体呼吸率：新建采集页面，设置数据采集时间为1 min，时间间隔为100 ms，添加“呼吸率-时间”曲线，嘴巴贴紧吹嘴，鼻子不呼气，开始平稳呼吸。点击“开始”按钮，采集数据。

2.3 结果与分析 ①采集结束后，界面上会显示呼吸率随时间的变化曲线(图2)，曲线由很多相近的波形组成，说明在静息状态下，人体呼吸速率呈现出有规律的周期性变化。其中最大呼吸率为0.238 L/s，最小呼吸率为-0.326 L/s；②波形数量可反映呼吸频率，图2中共有18个波形，说明测量者呼吸频率为每分钟18次；③对一次呼吸过程中呼气阶段的曲线作积分处理，可计算呼出肺部的气体量(图3)，宽度表示吸气时间为1.38 s，积分表示呼出气体量为0.278 L，进而计算出测量者的潮气量为5.56 mL/kg(假设测量者体重为50 kg)。实验结束后，教师可及时对全班测得的数据进行统计，便于学生之间相互了解，还可引导学生分析影响呼吸率等的因素。

图2 人体呼吸率随时间的变化曲线

3 应用呼吸传感器开展数字化实验的优势

利用呼吸传感器代替肺活量测试仪来完成肺活量的测定，是将传统实验转变为数字化实验，其独特的优势主要体现在以下几个方面：

图3 一次呼吸过程中呼出的气体量

3.1 提高学生信息素养 生物数字化实验平台是由传感器、数据采集器、计算机和实验软件三部分构成，传感器能把实验中测量的信息通过数据采集器处理后上传到计算机，再运用计算机上实验系统软件的强大信息处理功能来处理和分析数据，从而达到传统实验器材无法实现的功效。这就要求学生掌握传感器的功能、硬件连接方式、数据采集原理、数据分析软件的使用等，并对获得的信息进行加工和应用，所以生物数字化实验的开展，不仅能有效促进实验教学，还能进一步培养学生的信息素养。

3.2 使实验结果更加直观 传感器的使用不仅改变了以往传统的实验方法，更是利用数字、图表等直观的数据反映出实验的结果。在实验过程中，学生在电脑上可直观地看到自己呼吸的过程，从图像上感受自己呼吸的规律，还能实时看到呼吸速率数值的变化。实验结束后，对图像进行相应的分析处理，可计算肺活量等生理指标，实验结果也能永久保存下来。

3.3 拓展学生学习内容 学生在学习了呼吸运动相关知识后，可通过数字化实验进一步拓宽视野，提高对知识的运用能力。肺活量测试仪只能测定肺活量，而呼吸传感器不仅能测定肺活量，还能测定呼吸速率、呼吸频率和潮气量等生理指标，这些指标贴近生活，且该实验是在学生具有一定的知识储备的基础上开展的，符合学生的最近发展区，也能激发学生的求知欲望，进一步提高学生运用知识解决实际问题的能力。