呼吸运动实验模型的数字化改进

李乐峰  张婉娴

摘要： 呼吸运动原理涉及生物学和物理学知识，教师仅用一般实验模型教学难以突破难点。用信息技术改进后呼吸运动实验模型可用于测量“肺”内气压随肋间肌和膈肌的收缩舒张变化数据，有利于学生建立呼吸运动能改变肺内气压与大气压之间气压差的认知，建构肺通气概念。

关键词：实验模型；数字化实验；呼吸运动；生物学；信息技术

初中生物学课程涉及“肺与外界的气体交换是通过呼吸运动实现的”相关内容。学生需要理解以下原理：呼吸运动造成胸廓容积变化，而胸廓容积的变化影响肺内气压的变化，与外界形成气压差，进而实现气体进出肺泡。这些内容对于七年级学生来说较难理解——他们不了解运动系统，不知晓呼吸运动的动力来自骨骼肌的收缩，也不了解胸廓结构，无法用科学术语解釋呼吸运动；另外实现气体进出肺的根本原因在于肺内气压与大气压存在气压差，而学生并不具备容积变化与气压变化关系的知识。因此，学生难以理解“容积变大会使气压变小，容积变小会使气压变大”。在教学中，教师通常需要借助模型帮助学生理解重难点知识。

一、一般模型和存在的不足

教师常用两个模型（如图1和图2）帮助学生认识呼吸运动。模型1：表示构成胸廓的脊柱、肋骨、胸骨和肋间肌，此模型用于帮助学生了解肋间肌舒缩时引起的肋骨和胸骨位置的变化，探究胸廓容积的变化规律，为认识呼吸运动打基础。模型2：钟形罩代表胸廓，两个气球代表肺，橡皮膜代表膈肌，通过下拉和上推橡皮膜来演示膈顶升降的变化，以及肺容积的变化。

模型1和模型2的构建是为了帮助学生理解呼吸运动，但在教学中，存在诸多问题，难以达到预期效果。

模型1的主要问题：肋骨运动模型是平面的。在操作过程中，学生只能感受胸廓前后径的变化，无法感知胸廓左右径的变化。代表肋骨、胸骨和脊柱的这些结构与真实的结构比较，无论是长度比例还是外形上均有较大差异，不够形象、直观。

模型2的主要问题：膈肌的真实形状是穹顶状，是向上凸起的，但模型中橡皮膜是平面的，用平面的膜代表膈肌，学生难以理解“为什么下拉膈肌时，代表的却是膈肌收缩状态”。此外，学生并不了解气压相关知识，而实验模型又无法直观呈现容积变化与气压关系，造成学生很难理解气体进出肺的根本原因。

针对呼吸运动模型1和模型2存在的问题，一些教师尝试进行了改进（如图3、图4和图5）。

模型3、模型4和模型5在形态上与真实胸廓结构更加接近，其中模型3和模型4均对模型1和模型2进行了整合。但是改进后的模型依然无法直观呈现容积变化与气压关系，学生还是难以理解气体进出肺的根本原因。同时，这些模型均未呈现膈肌的穹顶状形态，因此学生仍然难以理解“为什么膈肌收缩，膈顶下降”。

二、模型的深度改进及应用

为了解决上述问题，笔者经过不断摸索，对模型1、模型2和初步改进后的模型3、模型4、模型5进一步整合优化（如图6），结合气压传感器制作了新模型，应用效果较好。

（一）制作材料的选择

笔者制作新模型选用如下器具材料：木棒1根、木板1块、较薄的小木条1块、彩虹圈1个、皮球1个、3M双面胶、普通双面胶、有一定硬度的透明塑料板1块、有厚度的透明塑料袋、气球2个、Y形管1个、熔胶枪、熔胶棒、气钉枪、钻孔器、剪刀、气压传感器、数据采集器、电脑。

（二）制作方法

第一步，用气钉枪将木棒和木板固定在一起，搭建支架。模型中木棒代表人体脊柱。

第二步，用钻孔器在木棒上部均匀打孔，用于放置和固定彩虹圈。肋骨本身是扁平的，彩虹圈也是扁平的，用彩虹圈可以更好地模拟人体肋骨形态。彩虹圈是塑料的容易塑形，笔者通过加热使彩虹圈形成一定的弧度。截取的彩虹圈长度不等是为了使模型整体结构与真实胸廓形态更加接近。笔者将塑形后的彩虹圈两端分别插入木棒钻孔进行固定。

第三步，以小木条作为胸骨，用3M双面胶粘在彩虹圈正前方，固定牢固。选用扁平的小木条，可以更真实地模拟胸骨形态。这样，整个胸廓结构就建构完成。

第四步，继续完善胸腔结构。之所以选择小皮球是因为它的弹性和硬度适中。笔者将小皮球带气孔这一面朝正上方放置好之后，剪开球体，使其分成两半。随后，将有气孔的一面，用3M胶固定在最下面的彩虹圈上。球面呈现的穹顶状用于模拟真实膈肌的形态。有打气孔的一面下方凸起，拉曳很方便，用来模仿膈肌的上升和下降。

第五步，在彩虹圈上粘贴普通的双面胶，用塑料袋包裹整个胸廓结构，用熔胶枪打3M胶封闭，最终达到不漏气的效果。塑料袋用以模拟肋间肌。笔者将塑料袋用双面胶粘贴在彩虹圈上。这样，在升降胸骨位置时，实验者可以看到塑料袋不同的状态，以便同时模拟肋间肌的收缩和舒张状态。

第六步，在塑料板中央留出一大一小两个孔，大孔用于放置并固定Y形管，小孔用于放置并固定气压传感器。笔者在Y形管的两个分支上分别安装并固定一只气球。此时，Y形管可以模拟气管和支气管，气球被用来模拟肺。笔者对组装完的塑料板进行裁剪使之合适大小，将其固定在彩虹圈上部，然后用3M胶密封、固定（如图7）。

第七步，用数据采集器分别连接气压传感器和电脑，测量平静状态下的大气压，让学生认识大气压的存在。至此，整个装置制作完毕（如图8）。

（三）应用方法

第一步，学生对照胸腔结构模拟装置，认识模型各部位代表的具体结构。

第二步，用手向上推动胸骨，用以模拟肋间肌收缩（如图9），此时胸骨、肋骨上移，胸廓容积增大。用手下压胸骨，用以模拟肋间肌舒张（如图10），此时胸骨、肋骨下移，胸廓容积减小。

第三步，用手向下拉皮球进气口的凸起部位，用以模拟膈肌收缩（如图11），此时膈顶下降，胸廓的容积增大。用手向上推皮球进气口的凸起部位，用以模拟膈肌舒张（如图12），此时膈顶上升，胸廓容积减小。

第四步，先用手上推胸骨，后用手下压胸骨，多次重复此过程，引导学生分析电脑显示屏上数值的变化趋势（如图13），探究胸廓容积变化与气压的关系。笔者先用手向下拉皮球进气口的凸起部位，再用手向上推皮球进气口的凸起部位，并多次重复此过程，让学生分析电脑显示屏上数值的变化趋势，再次探究胸廓容积变化与气压的关系。随后，整体分析胸廓容积变化与气压关系。学生观察曲线变化情况，直观感知“容积变大，气压变小；容积变小，气压变大”。学生认识到“肺”内气压的变化与胸廓容积有关系，进而理解实现气体进出肺的根本原因在于肺内气压与大气压之间存在气压差。

三、新模型教学优势与效果

笔者自制的模型教具融合了以往常用的实验模型的优点和信息技术的优势，可以逼真模拟真实的胸腔结构。笔者使用这一教具，既能模拟肋间肌的变化引发胸廓和肺容积变化过程，又能模拟膈肌的变化引起胸廓和肺容积变化过程。模型形象逼真，有利于學生理解相关原理和知识。同时，透明塑料薄膜的使用有利于演示呈现肋间肌收缩和舒张的状态，便于学生观察肺容积变化。用皮球带有充气口的一面剪裁出“膈肌”，逼真模拟了人体膈肌形态，便于学生理解膈肌收缩导致膈顶下降的过程。另外，皮球的进气口下方有一个凸出的结构，实验者升降膈肌非常方便。

信息时代，生物学教师开展教学活动要与时俱进。传统教具已不能满足当前的教学需求。笔者应用气压传感器教学，让学生认识到大气压的存在。数字化实验的应用实现了定性实验的定量化分析。学生通过“膈肌和肋间肌”收缩、舒张时气压曲线图像，观察胸廓容积的变化导致肺内气压的变化情况，探究肺容积变化与气压的关系，真正理解了气压差是实现肺通气的根本原因，突破了难点。

当然，笔者自制的教具仍有待完善。例如，没有实现肋间肌的自主收缩、舒张引起胸骨和肋骨的上移或者下移，需要用手往上推或者拉。另外，不能显示肋间内肌的作用效果。笔者所在学校传感器数量有限，只能因陋就简完成实验。有条件的学校可以采用两部气压传感器，一部用于检测胸廓内气压，另一部用于检测大气中的气压，实时同屏显示外部大气压和内部气压进行对比，效果更佳。

注：本文系 2022年安徽省教育科学规划立项课题“基于核心备课组的IMA区域教研模式创新研究”（项目编号：JK22092）的阶段性成果。

参考文献

[1] 赵继民.人体呼吸运动原理实验装置的改进与使用[J].生物学教学，2010（10）：37.

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

[3] 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（9）：69-72.

（作者李乐峰系安徽省淮北市教育科学研究所副主任，正高级教师；张婉娴系浙江省杭州市钱塘区金沙湖实验学校教师）

责任编辑：祝元志