从传统到数字：生物学与物理跨学科学习探究

沈敏 汤金波 倪景元

教师开展跨学科实践学习活动，重在引导学生综合运用多学科知识和方法来分析和解决实际问题。《义务教育生物学课程标准（2022年版）》（以下简称“课标”）提出以学习主题为单位构建课程内容体系，设置“生物学与社会·跨学科实践”学习活动，引导学生综合运用生物学、化学、物理、地理、数学等学科知识，尝试分析和解决实际问题。模拟制作类跨学科实践活动教学要求为：针对特定的生物学内容，运用生物学、物理、技术、工程学等学科概念，以及“结构与功能”“尺度、比例和数量”“系统与模型”等概念，选择恰当的材料，设计并制作模型，直观地表征相应的结构与功能，提升探究实践能力[1]。笔者以肺呼吸模型的创意制作活动为例开展生物学、物理跨学科教学，利用气体压强解释肺呼吸原理，通过多个肺呼吸模型的设计、制作、探讨和改进，从简单到复杂，从单学科出发到多学科综合实践，培养学生独立、持续探究的兴趣，提升学生的学科素养。

一、学用结合分析学科内容

胸廓是由肋骨、胸骨、脊柱和呼吸肌构成的骨笼。肋骨位于胸廓两侧，胸廓具有一定的弹性和活动性。肺呼吸原理是呼吸肌收缩和舒张引发肋骨运动，改变胸廓容积，引发气压差进而导致气体进出。呼吸肌收缩会带动肋骨向上向外运动，造成胸腔容积增大、肺泡扩张，肺内气压低于外界气压，气体在外界大气压的作用下经鼻、咽、喉、气管、支气管进入肺部，即完成吸气过程。当呼吸肌舒张时，肋骨向下向内运动，胸腔容积缩小、肺泡收缩，造成肺内气压高于外界气压，气体呼出。

肺呼吸模型的制作涉及生物学中人体结构和物理气体压强的相关知识。

二、在迭代创新中完善建模

如果学生体检发现肺活量偏低，医生会建议其用吹气球来提高肺活量。吹气球时气球中的气体总量近似于肺活量。气体进入，肺扩张；挤压肺，气体排出。为什么肺会扩张或缩小？肺呼吸原理需要学生亲身实践探究。制作肺呼吸模型是一项模型设计制作类的学科实践活动。为了解决问题，达成目标，学生需要按照要求设计方案、制作模型。这要求学生有一定的创造力，具备一定的设计、思维和动手能力。

（一）胸廓容积变化模型

肺位于胸廓内，学生深呼吸时可明显感受到肋骨运动会引发胸廓容积变化。为了让学生直观感受这种变化，笔者尝试带领学生制作模型来演示肺呼吸过程。师生用三通管模拟气管和支气管，用气球模拟肺，用底部覆盖橡皮膜的透明容器模拟胸廓，用橡皮膜模拟膈肌，用拉伸橡皮膜的方式模拟膈肌收缩和舒张，进而改变胸腔容积，引发气体进出（如图1）。

分析 ：吸气时，肋间肌和膈肌收缩，向下展平，胸廓增大。呼气时，肋间肌和膈肌舒张，向上顶起，胸廓体积缩小。当向下拉伸橡皮膜时（模拟膈肌的收缩），容器体积变大（胸廓变大），气体进入，气球变大（肺泡扩张）。当向上推动橡皮膜时（模拟膈肌的舒张），容器体积变小（胸廓容积变小），气球内气体被挤出，气球变小（肺泡收缩）。学生借助该模型可直观清晰地观察到肺的吸气和呼气过程。但七年级学生还不能理解为什么改变胸腔大小会引发气体进出肺。

拓展：胸廓容积变化对肺呼吸的影响本质上是气体压强变化对肺呼吸的影响。气体压强是大量气体分子对容器壁的持续的、无规则撞击产生的。气体的进出与容器内外压强差有关，在理想情况下，气体压强与气体质量、气体温度成正比，与气体体积成反比。如何模拟气压差引发气体进出？在笔者的引导下，学生尝试制作胸廓气压差模型。

（二）胸廓气压差模型

取一个550 ml的针筒，将气球固定在针筒的一端，拉动针筒活塞，观察气球变化情况。

当活塞被拉到示数为450 ml的位置时，气体大量进入气球，但一旦将手松开，可明显观察到活塞自动回推，说明此时外界压强大于针筒内压强。也就是说，当拉动针筒活塞时，针筒容积变大，针筒内气压变小，气体进入气球，造成气球体积变大。当活塞被推进去时，针筒容积变小，针筒内气压大于气球内气压，气体排出，气球体积变小，当活塞被推到示数为240 ml的位置时，气体已基本全部排出（如图2）。

分析：学生借助模型可以直接感受和观察到容积变化会引发气压值变化，进而引起气体进出。胸廓容积受呼吸肌收缩与舒张影响。目前可以模拟膈肌的收缩与舒张对胸廓容积的影响。然而，究竟如何模拟肋间肌的收缩与舒张对肺呼吸的影响？

拓展：肋间肌的收缩或舒张，引发肋骨运动，改变胸廓容积。当肋间肌收缩时，引起肋骨向上向外运动，使得胸廓容积增大，气体进入肺；当肋间肌舒张时，引起肋骨向下向内运动，使得胸廓容积减小，气体排出肺。

（三）肋间肌呼吸模型

学生基于前两个模型的制作经验与思考，设计如下方案：取双层可充气塑料袋一个（外层塑料袋容积不会变化，在双层塑料袋之间可充气或排气，袋子内外层间的气体体积决定内层塑料袋形状），改变内层袋子的容积来模拟肋间肌收缩和舒张，从而引发胸廓容积变化。学生用粗铁丝环绕缠绕成螺旋状用以模拟肋骨的运动，同时起到支撑肋间肌的作用，用三通管、小气球分别模拟气管、支气管和肺（如图3）。

方案物化：首先将小气球固定在三通管上，然后将粗铁丝环绕缠绕成螺旋状放入塑料袋作为支架，接着将连接好的小气球和三通管放入支架内，利用热熔胶将三通管和塑料袋内壁接口处进行密封，塑料袋内壁空腔模拟胸腔，最后在双层塑料袋充气孔插入吸管，通过吸气或吹气模拟胸腔鼓起或回缩（如图4）。

分析：从工程学角度分析该模型并无问题，但从科学与美学角度分析还有欠缺，特别是采用人工吹气或吸气来控制肋间肌收缩或舒张，气体质量无法精准控制，需要改进。

拓展：如何保证每次进气与出气量相等？需要应用数字技术。如果用程序控制每次进气量，这个实验设计将更加科学。

（四）数字智能呼吸模型

师生通过网络购买人体装饰骨骼，组装后，借助单片机控制模型充气口吸气或排气。学生在系统控制板上连接两个气泵、一个三通电子阀、电源等部件（如图5），借助Mind+平台将代码加载至控制板，在控制板卡上连接气泵等工作模块，实现了自动吸气或排气（如图6）。

分析：智能模型工作原理是用双层塑料袋的内层与外层间的体积模拟肋间肌，用气球模拟肺部，应用程序控制双层塑料袋间的充气和排气，模拟肋间肌收缩和舒张，产生气压变化，最终有效模拟肺部的呼气和吸气过程。

拓展：从人体生理结构出发，上述方案仍有改进空间。如果将肋骨放在两层塑料袋之间更为科学，在内层塑料袋内（胸腔内）和气球内（肺内）加入两个压强传感器（如图7），借助压强传感器1测出肺内气压p1，借助压强传感器2测出胸腔内气压p2，直接测得大气压强p3，在软件中输入物理压强差公式△p1=p1-p2，△p2=p1-p3，通过改变胸腔容积可直接读出吸气或呼气时的气压差，再与呼吸机模型结合起来，这样更能体现跨学科的思想，更有实践意义，更有利于提升学生学科素养。

需要指出的是，肺呼吸不光与胸廓容积有关，该行为是在神经调节下引发呼吸肌收缩与舒张的结果。本模型制作并没有涉及神经调节因素。

三、切合实际创新模式才能有效跨学科

肺呼吸是初中生物学教与学的难点之一。在本案例中，教师用初中物理中气体压强知识清晰解释了肺呼吸原理。但是，七年级学生还未系统学习物理知识，难以理解气压与肺的容积变化的关系，同时，人体结构对于七年级学生来说仍模糊不清，要求学生将学科知识和呼吸运动时人体各结构的变化联系起来有一定的难度[2]。教师设计模型制作的系列实践活动解决了学生跨学科实践时缺乏学科知识的问题。

结合肺呼吸模型制作的实践，笔者认为跨学科实践教学应以学科知识为依托，以发展学生能力为宗旨，重在培养学生独立思考、持续探究的科学素养。教师应因地制宜、因材施教，设计合适的跨学科实践活动，使学生获得丰富的参与研究、亲身实践的体验，进一步提高学生发现问题、提出问题和解决问题的能力，养成实事求是的科学态度，同时增强他们的社会责任心和使命感。

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] 池思思.基于生活化教学和模型建构的“肺的通气”教学设计[J].中学生物教学，2022（26）：54-57.

（作者沈敏系南京师范大学附属中学树人学校高级教师；汤金波系南京师范大学附属中学树人学校特级教师；倪景元系南京外国语学校高三学生）

责任编辑：祝元志