呼吸运动实验模型的改进与数字化

呼吸运动实验模型，是人教版《生物学》七年级下册第三章第二节“发生在肺内的气体交换”中的一个演示实验，是实际教学中的一个难点，尤其是肺与外界气体交换的原理比较抽象，学生在理解上有一定的难度。通过呼吸运动实验模型，可以帮助学生更好地理解肺内的情况，相对容易地掌握相关概念。结合中学生物实际教学、备课组教研活动、调查问卷和文献综述等反馈，原课堂教学模型结构较为简单，不能简单明了地展现肺内呼吸过程的复杂变化，学生难以理解呼吸过程中的生物学本质，影响了教学的实际效果。因此，在《义务教育生物学课程标准（2022 年版）》的指导下，教师和学生共同将初中生物学知识与其他学科相融合，通过跨学科实践，解决真实情境中遇到的教学问题。

模型改造技术路径

起始阶段

学生使用3D 软件设计肋骨和气管3D 图形；使用3D 打印机根据设计图打印肋骨和气管模型。

材料准备阶段

准备所需材料，包括3D 肋骨模型、玻璃罩、液压推杆电机、压强传感器、亚克力箱、自制膈肌模型等。

零件设计制作

学生绘制出设计好的零件草图，并标明零件大小，请厂家用亚克力板作为材料雕刻出所需零件。学生对细节进行打磨，制作出可以牵拉肋骨的装置，并对打印出的肋骨模型进行重构和调整，比如锯开肋骨模型，连上一节弹性好的橡胶材料，模拟肋软骨的作用。

系统集成

运用Python 语言编程，对液压推杆电机、流水指示灯及语音控制等功能进行系统化集成；使用压强传感器和呼吸率传感器将抽象的气压变化以图形方式进行可视化展现。

安装传感器

安装压强传感器和呼吸率传感器，以监测和显示实验过程中的气压变化。

实验测试

进行实验测试，确保所有系统和传感器正常工作，并对实验结果进行验证。

模型创新改进过程

呼吸运动模型制作经历了3 代模型2 次改造升级。本实验利用3D打印技术打印的肋骨模型和气管模型让实验更加逼真，也更贴近呼吸时器官的结构变化（图1）。

本实验的设计主要运用了生物学中人体呼吸的生理结构特点，同时也融合了材料设计、智能化技术、3D 打印技术和物理学中气压变化及力学知识，是对2022 年新课标中倡导的跨学科主题教学的一次尝试。

创新改进方案

材料准备

3D 肋骨模型、玻璃罩、液压推杆电机、压强传感器、亚克力箱、自制膈肌模型（图2）；橡皮绷带、口鼻咽喉模型、Y 型玻璃管、3D 打印气管、橡胶塞、主控设备（ESP32开发板、降压模块、电机驱动器、12.6 V 锂电池、WS2812 灯带、语音芯片等）等，见图3。

实验模型制作方法

首先，学生配合信息课程教师利用3D One 软件设计肋骨3D 图形，绘制完成后运用3D 打印机打印出肋骨和气管模型。在此过程中学生借助信息技术手段对实验产生了实际的推动，为后续探究奠定了基础。接下来是一些小零件的设计制作，学生先绘制出设计好的零件草图（图4），标明零件大小，再请厂家用亚克力板进行雕刻。零件到位后，根据材料和设计要求，再由学生对细节处进行打磨，比如打印出的肋骨模型材料比较坚硬，不具备良好的伸缩性，需要将肋骨锯开连上一节弹性好的橡胶材料，这节橡胶管同时起到模拟肋软骨的作用（图5），使得装置更贴近实际器官。通过设计和实践改进方案，培养了学生的探究精神、严谨的求实态度，以及勇敢的质疑精神。

随后，对器材进行拼装与演示。拼装过程中，膈肌自动推升装置一开始采用的是学校STEM 创新社团学生组装的升降机（图6），后来发现其推升马力远远达不到要求。在请教物理教师后，建议使用大推力的液压装置，最终在机电市场找到了最大可推升20 千克重物的液压推杆电机（图7），解决了实验模型中膈肌自动升降的问题，很好地模拟了膈肌在实际情况中自主收缩的生理特点。

通过实验，我们发现膈肌的上下移动会导致肺部、肋部，以及气压的显著变化。然而，由于缺乏物理知识，很多学生无法深刻领悟这种变化，因此需要提高模型模拟的准确性，深入研究肺、膈等器官的结构特征。膈的实际形状是向上凸起的。另外，胸膜的脏层与壁层间存有一个潜在的密闭胸膜腔，胎儿出生后，在平和呼吸时，胸内压始终低于大气压，以大气压为零点，在检压计上可以读出负值，故称为胸内负压。

综上，可以设计出一种模仿呼吸运动与膈运动关系的模型，需要解决的两个要点为：①让自然状态下的橡皮膜稍向瓶内突起；②让瓶内（由瓶内壁、橡皮膜和气球等围成的内空隙，可认为是胸膜腔）处于负压状况，并保证其气密性。第1 种方法是先将橡皮膜边缘扎紧，然后将液压推杆电机调节到橡皮膜向瓶内顶起，再用橡皮塞封口，并保证气密性；第2 种方法是先将橡皮膜边缘扎紧，然后将配好的气球稍微吹大一些，再用橡皮塞封口，并保证气密性。

通过上述方法，均可让瓶内处于负压状态。再通过压强传感器将肺内气压的变化以数字化的方式直观地呈现在学生面前，帮助学生理解气压差在呼吸中的重要作用。图8 为多次演示过程中的一张气压变化比较均匀的曲线图，可以明显看到在呼气和吸气时胸腔内气压变化的往复过程。

最后一步是电路设计和程序开发过程。电路部分采用高性能的ESP32 微控制器作为主控芯片，负责整个系统的逻辑控制。通过控制L298N 电机驱动器，实现对电机的精确驱动，实现正反转，进而控制液压推杆的伸缩运动。此外， 利用WS2812 灯带实现呼吸方向流水灯效果，增强演示的视觉效果。

为了接收外部信号，电路部分还设计了按键模块和语音识别芯片。按键模块用于手动控制演示，而语音识别芯片通过连接麦克风和扬声器，实现了语音控制功能。电源部分采用1 组3S 锂电池，通过降压模块将电压降至5 V，为ESP32 和其他电子部件供电。

编程部分使用MicroPython 为ESP32 编写程序，主要包括4 个方面：①流水灯，通过控制WS2812 灯带的亮度变化，实现呼吸方向流水灯效果；②驱动电机逻辑，通过控制L298N电机驱动器的2 个引脚，实现电机的正反转；③软串口接收来自语音识别芯片的命令，将语音识别结果转化为控制信号；④接收按键模块信号，实现手动控制。

为了满足随时切换演示、终止演示的需求，我们在程序设计中采用了多线程控制输入信号，使得系统能够随时响应控制命令，切换演示模式。整个自动化演示系统共设计了4 种模式：停止循环、呼吸循环、单吸气动作和单呼气动作，通过程序控制，实现演示内容多样化。

模型测试

使用Python 语言进行智能化编程，实现液压推杆电机、流水指示灯及语音控制等功能系统化集成。绿色指示灯表示吸气（图9），红色指示灯表示呼气（图10）。

将压强传感器与呼吸率传感器相结合，实现肺内气压变化与胸廓变化的实时图形对比，肺内气压变化与胸廓变化呈现相反的趋势（图11）。

实验结论

常用模型中无法实现的肋骨、气压和肺泡的变化均可呈现出来，力争做到让学生更加清晰明了地看到呼吸发生时各个组织器官的变化（表1）。

效果评价

教师采用多种教学方式，包括体验式教学法、模型教学法和启发式教学，引导学生进行模型制作，使得实验效果更加显著；通过对原始实验教具的创新，开发出一种全新的呼吸运动模拟设备，可以直接展示出人体呼吸运动的复杂机理，极大地增强了学生的学习热情，提升了课堂学习效率。在本次实验模型创新过程中，学生学会了使用跨学科整合的思路解决问题，通过模拟实验探究本质，在实验探究方面的能力得到了锻炼和提高。改进后的实验模型与教材中的实验模型原理一致，但更便于学生对呼吸运动的理解，以及对知识点的掌握，可在中学生物学课堂教学中推广。

该项目获得第38 届全国青少年科技创新大赛科技辅导员科技教育创新成果一等奖