傳感器在“人體吸入與呼出氣體的差異”教學(xué)中的應(yīng)用

袁 誼 劉福花

(北京市高井中學(xué) 100041)

1 設(shè)計思路

本節(jié)課為北京版生物學(xué)七年級教材第六章第一節(jié)“人的呼吸”中的內(nèi)容。課前調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對人體呼吸的認(rèn)識存在很多誤區(qū)[1]。由于學(xué)生缺少“空氣成分”的化學(xué)知識，而傳統(tǒng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)“觀察驗(yàn)證呼出的氣體中含有較多的CO2”僅測定呼出氣體中的CO2，不能解決“呼出氣體中同樣含有O2”等問題。因此，教學(xué)中常用的方法是教師展示“空氣與人體呼出氣體的主要成分”數(shù)據(jù)資料，引導(dǎo)學(xué)生分析、比較。本次教學(xué)在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，指導(dǎo)學(xué)生使用傳感器來采集和比較“人體吸入與呼出氣體”的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過動手實(shí)踐，獲得事實(shí)和數(shù)據(jù)，消除錯誤的認(rèn)識，形成科學(xué)概念，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛿?shù)據(jù)處理、分析能力，使學(xué)生感受現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展對實(shí)驗(yàn)方法帶來的改變，激發(fā)探究興趣。

2 “人體吸入與呼出氣體的差異”實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)過程 應(yīng)用朗威DISLab7.0數(shù)據(jù)采集器、O2傳感器、CO2傳感器、溫度傳感器、相對濕度傳感器、保鮮袋、乳膠管、止水夾、皮筋等。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)測定空氣中的O2、CO2含量和溫度與相對濕度。將O2傳感器、CO2傳感器、溫度傳感器和相對濕度傳感器與數(shù)據(jù)采集器及計算機(jī)相連，進(jìn)入V7.1實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)。點(diǎn)擊“通用軟件”，系統(tǒng)自動識別所接入的傳感器，并顯示當(dāng)前環(huán)境中的O2、CO2含量和溫度與相對濕度。

(2)測定呼出氣體中的O2、CO2含量和溫度與相對濕度。①氣體收集袋的制作：用剪刀剪開保鮮袋封口處的一角，將乳膠管置于其中，并用皮筋扎緊。在乳膠管露出部分夾上止水夾，管口套上一次性吸管。再將上述四種傳感器置于保鮮袋中，通過按壓排出袋內(nèi)空氣，用皮筋扎緊袋口；②呼出氣體的收集方法：打開實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，當(dāng)顯示的4個通道數(shù)值穩(wěn)定后，打開止水夾，對保鮮袋吹氣，至保鮮袋鼓起，然后關(guān)上止水夾。注意吹氣方法：深吸氣后立刻勻速呼出氣體，不憋氣；③數(shù)據(jù)采集記錄：繼續(xù)觀察和采集數(shù)據(jù)。等2 min，待數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定后保存實(shí)驗(yàn)圖像并記錄數(shù)據(jù)。重復(fù)上述步驟2～3次，取平均值。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與討論 將12組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總，獲得的平均值如表1所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：呼出的氣體與吸入氣體相比較，O2含量減少2.6%，CO2含量增加了25235 PPM(10-6),約2.5%，說明人體在生命活動過程中從空氣中獲取O2，并產(chǎn)生了CO2；溫度上升了1.9℃，說明在環(huán)境溫度低于人體溫度的情況下，人體對呼出氣體加溫；相對濕度增加了44.1%，說明呼吸過程還是一個排出體內(nèi)水分的途徑。

表1 人體吸入與呼出氣體的差別數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

由于沒有直接記錄空氣中水蒸氣含量的傳感器，本實(shí)驗(yàn)記錄的是空氣中的相對濕度，需明確告知學(xué)生不能將相對濕度計算入空氣的體積分?jǐn)?shù)，但可以通過數(shù)據(jù)的增長值確定呼出氣體含有更多的水分[2]。

同時，學(xué)生認(rèn)識到：呼出的氣體中也含有O2，并且O2的含量仍然大于CO2的含量，從而摒除了課前錯誤的想法。

3 “探究憋氣時間長短與呼出氣體含氧量關(guān)系”實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)過程 應(yīng)用朗威DISLab7.0數(shù)據(jù)采集器、O2傳感器、保鮮袋等。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)呼氣裝置連接 制作氣體收集袋(如實(shí)驗(yàn)1)，將O2傳感器置于其中，并與數(shù)據(jù)采集器和電腦相連接，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，點(diǎn)擊“生化專用軟件”，選擇對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)題目。

(2)憋氣時間設(shè)定 學(xué)生根據(jù)自身情況設(shè)定憋氣時間，例如每隔10 s，從0～60 s等，將本組設(shè)定的憋氣時間輸入表格。

(3)數(shù)據(jù)采集記錄 點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)界面的“開始實(shí)驗(yàn)”。盡力吸入氣體后，按照憋氣時間向氣體收集袋內(nèi)勻速呼出全部氣體，等示數(shù)穩(wěn)定后點(diǎn)擊“記錄數(shù)據(jù)”。改變憋氣時間，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟，需注意每次實(shí)驗(yàn)前需排盡袋內(nèi)的氣體。待實(shí)驗(yàn)完畢后點(diǎn)擊“T-O2圖像”，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)便會自動生成憋氣時間與呼出氣體含氧量關(guān)系的折線圖。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與討論 實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的O2的含量為20.8%，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：憋氣時間越長，呼出氣體含氧量越低。這說明人的呼吸需要消耗O2，憋氣的時間越長，氣體交換的越充分。

本實(shí)驗(yàn)是對實(shí)驗(yàn)1的拓展，由于在研究“人體吸入與呼出氣體的差異”時，教師讓學(xué)生呼出氣體時注意不憋氣，學(xué)生很容易對此產(chǎn)生疑問。通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能自主發(fā)現(xiàn)改變憋氣時間會影響氣體交換的效果。那么在實(shí)驗(yàn)1中如果不規(guī)定呼氣的方式，會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成較大的誤差。