“發(fā)生在肺內(nèi)的氣體交換”的概念教學(xué)策略*

趙廣宇 張 良 汪紹鑫

（成都市石室中學(xué) 四川成都 610041）

“發(fā)生在肺內(nèi)的氣體交換”這部分內(nèi)容，在《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》中提出的要求是，幫助學(xué)生構(gòu)建重要概念“呼吸系統(tǒng)包括呼吸道和肺，其功能是從大氣中攝取代謝所需的氧氣，排出代謝所產(chǎn)生的二氧化碳”，具體要求學(xué)生能“概述發(fā)生在肺部及組織細(xì)胞處的氣體交換過程”［1］。本節(jié)教學(xué)內(nèi)容選自人教版《生物學(xué)》7年級下冊第3 章第2 節(jié)的“發(fā)生在肺內(nèi)的氣體交換”，教材中包括“肺與外界的氣體交換”和“肺泡與血液的氣體交換”2 個部分的內(nèi)容，本節(jié)課的教學(xué)任務(wù)是完成“肺與外界的氣體交換”，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建“肺通氣”的概念。

學(xué)生學(xué)習(xí)“肺通氣”的知識有很大難度：首先，學(xué)生沒有學(xué)習(xí)運(yùn)動系統(tǒng)的知識，導(dǎo)致認(rèn)識胸腔、胸廓等有一定困難，對理解呼吸運(yùn)動的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)造成障礙；其次，缺乏物理學(xué)知識，難以理解在呼吸運(yùn)動中胸腔容積變化引起的肺內(nèi)壓變化，也就無法理解“肺通氣”的原理。針對初中學(xué)生學(xué)習(xí)“肺通氣”的難點(diǎn)，本節(jié)課在引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)生命現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，通過模型構(gòu)建、模擬實(shí)驗(yàn)等形式，認(rèn)識肺通氣的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，理解肺通氣的物理學(xué)原理，以達(dá)成“肺通氣”概念的自主構(gòu)建。

1 概念體系

為幫助學(xué)生理解呼吸運(yùn)動的原理，自主構(gòu)建“肺通氣”的概念，本節(jié)課以“肺泡與外界之間的氣體交換即肺通氣”為中心，構(gòu)建如下的概念體系：

A．呼吸道、肺泡和胸廓是實(shí)現(xiàn)外界環(huán)境與肺泡之間氣體交換的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

A1.呼吸道是外界環(huán)境與肺泡之間的氣體通道

A2.胸廓與呼吸肌參與呼吸運(yùn)動

A2.1 胸廓由胸骨、肋骨和胸椎共同組成

A2.2 呼吸肌包括肋骨之間分布的肋間肌、胸廓底部分布的膈肌等

A3.肺泡是實(shí)現(xiàn)外界氣體與體內(nèi)氣體交換的場所

B．呼吸運(yùn)動是肺通氣的動力來源

B1.呼吸運(yùn)動是呼吸肌的收縮和舒張引起的胸廓節(jié)律性擴(kuò)大和縮小

B2.呼吸運(yùn)動會增大或縮小胸腔的容積，導(dǎo)致肺泡內(nèi)壓力改變

B3.肺泡內(nèi)壓力與外界大氣壓的壓力差導(dǎo)致氣體進(jìn)出肺泡，實(shí)現(xiàn)肺通氣

2 學(xué)習(xí)目標(biāo)

1）說明人體呼吸的過程；概述肺與外界的氣體交換（肺通氣）過程；概述呼吸運(yùn)動與肺通氣的機(jī)理。

2）通過感受自身呼吸活動時胸廓的變化，探討呼吸運(yùn)動的原理；運(yùn)用物理模型模擬呼吸運(yùn)動，闡釋肺通氣的原理。

3）基于生命現(xiàn)象的觀察，概括出呼吸運(yùn)動的概念；以物理模型的模擬活動為基礎(chǔ)，推理得出肺通氣的原理。

4）運(yùn)用呼吸運(yùn)動的原理，嘗試掌握人工呼吸的基本方法；認(rèn)同結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。

3 設(shè)計(jì)思路

學(xué)生學(xué)習(xí)“肺與外界的氣體交換”，其重點(diǎn)是在學(xué)習(xí)呼吸運(yùn)動過程的基礎(chǔ)上，理解肺通氣的原理；難點(diǎn)是認(rèn)識肺泡與外界環(huán)境的壓力差是肺通氣的直接動力。為幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)，真正理解概念的內(nèi)涵，本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)突出以下特點(diǎn)：①建立知識的系統(tǒng)性，在認(rèn)識人體呼吸全過程的基礎(chǔ)上，厘清“肺通氣”與人體呼吸的關(guān)系；②通過觀察人體骨骼模型、胸廓結(jié)構(gòu)圖等方式，認(rèn)識呼吸運(yùn)動的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，樹立結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)；③通過體驗(yàn)自身吸氣及呼氣過程中胸廓的變化、物理模型的模擬實(shí)驗(yàn)等活動，感受容器的容積與壓力變化之間的關(guān)系，進(jìn)而領(lǐng)悟呼吸運(yùn)動與肺通氣的機(jī)理。

學(xué)生通過觀察模型、體驗(yàn)生命現(xiàn)象、模擬實(shí)驗(yàn)等多樣化的學(xué)習(xí)活動，探究“呼吸運(yùn)動”與“肺通氣”的原理，并歸納、概括出“肺通氣”的概念，進(jìn)而建立“結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”的生命觀念。

4 教學(xué)過程

4.1 復(fù)習(xí)呼吸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建“呼吸”的概念 教師引導(dǎo)學(xué)生識別呼吸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，再現(xiàn)并鞏固對呼吸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體認(rèn)識，進(jìn)而提出問題：呼吸系統(tǒng)具有什么功能？（學(xué)生答：呼吸。）教師追問：什么是呼吸？學(xué)生紛紛通過深呼吸的動作表示：呼吸就是人體的吸氣與呼氣。

這表明學(xué)生有關(guān)呼吸的前概念是不準(zhǔn)確的。此時，教師呈現(xiàn)表示“內(nèi)呼吸”“氣體在血液中的運(yùn)輸”“外呼吸”全過程的示意圖，引導(dǎo)學(xué)生按圖索驥，從機(jī)體耗氧與產(chǎn)生二氧化碳的場所——細(xì)胞出發(fā)，認(rèn)清人體細(xì)胞與外界進(jìn)行氣體交換的全過程，并認(rèn)識呼吸系統(tǒng)的功能（圖1）。

圖1 呼吸系統(tǒng)的功能

進(jìn)而建立人體呼吸的概念：指機(jī)體與外界環(huán)境之間氣體交換的過程，包括3 個相互聯(lián)系的環(huán)節(jié)。在此基礎(chǔ)上，教師提出本節(jié)課的學(xué)習(xí)課題：肺與外界的氣體交換。

4.2 感受呼吸運(yùn)動現(xiàn)象，模型構(gòu)建“胸廓”的概念 教師首先提出問題：大家能感受到肺與外界的氣體交換嗎？學(xué)生再次以深呼吸的動作表示感受到氣體在進(jìn)、出呼吸道。教師引導(dǎo)：能否舉例證明，外界氣體確實(shí)進(jìn)入呼吸道了？學(xué)生略作思考后舉例：辛辣的氣體進(jìn)入呼吸道引起咳嗽；冷空氣進(jìn)入呼吸道會刺激氣管或者支氣管，導(dǎo)致咳嗽或其他不適等。

教師再次提問：氣體為什么能進(jìn)、出呼吸道？（學(xué)生答：人用力吸或呼。）教師追問：吸氣、呼氣的力從哪里來？學(xué)生顯然無法回答這個問題。

教師引導(dǎo)學(xué)生緩慢進(jìn)行吸氣、呼氣的動作，同時將雙手放在胸前及軀干兩側(cè)，感受身體發(fā)生的變化。學(xué)生反復(fù)多次后表示：在吸氣時，胸部好像向上、向外動；呼氣時發(fā)生相反的變化。有的學(xué)生表示：呼吸時，腹部擴(kuò)張或收縮。由此說明，學(xué)生通過感受呼吸運(yùn)動現(xiàn)象，體驗(yàn)到胸廓的變化。

教師提出學(xué)習(xí)任務(wù)：吸氣、呼氣與機(jī)體哪些結(jié)構(gòu)有關(guān)？然后出示胸廓結(jié)構(gòu)模式圖，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識胸腔、胸廓的結(jié)構(gòu)組成，建立胸腔與胸廓的概念（圖2）。

圖2 胸腔與胸廓的結(jié)構(gòu)組成

教師要求學(xué)生運(yùn)用所學(xué)習(xí)的胸廓相關(guān)結(jié)構(gòu)術(shù)語，描述吸氣、呼氣時相關(guān)結(jié)構(gòu)的變化，學(xué)生基本都能使用術(shù)語進(jìn)行準(zhǔn)確描述，從而為學(xué)習(xí)呼吸運(yùn)動原理奠定結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

4.3 開展模擬實(shí)驗(yàn)，探究“肺通氣”的原理 教師給每個2 人小組發(fā)放模擬實(shí)驗(yàn)1 的裝置：模擬胸腔的模型（圖3）。要求學(xué)生：想辦法使模型中的氣球膨脹。多數(shù)學(xué)生很自然地通過吸管以吹氣的方式使氣球膨脹（圖4）；少數(shù)學(xué)生則觀察到模型底部有橡皮膜，在嘗試玩耍時發(fā)現(xiàn)，向下拉橡皮膜也可使氣球膨脹（圖5）。

圖3 模擬胸腔模型

圖4 學(xué)生吹氣使氣球膨脹

圖5 學(xué)生拉橡皮

教師進(jìn)一步要求學(xué)生猜測：外界氣體進(jìn)入人體肺泡的原理，可能與氣球膨脹的哪種方式相似？盡管學(xué)生探索出有2 種方法使氣球膨脹，但絕大多數(shù)學(xué)生仍想當(dāng)然地認(rèn)為：氣體是吹入肺內(nèi)的。雖有部分學(xué)生反對，但因無法說明原理，不能說服其他學(xué)生。最后，有的學(xué)生指出：往里吹氣的方法有點(diǎn)類似于人工呼吸，必須要借助外力才能實(shí)現(xiàn)。而正常呼吸時，是沒有外力將外界氣體吹入肺內(nèi)的。這個觀點(diǎn)得到學(xué)生的普遍認(rèn)可，但大家對吸（呼）氣的原理仍感困惑，即橡皮膜下拉為何能使氣球充氣？

教師帶領(lǐng)學(xué)生完成模擬實(shí)驗(yàn)2：①推、拉活塞芯桿，將紅色溶液排出、吸入注射器；②觀察在液體進(jìn)、出注射器與針筒內(nèi)容積變化的關(guān)系；③空注射器狀態(tài)下，在推、拉活塞芯桿時，分別用手指堵住注射器前端小孔，體驗(yàn)針筒容積變化與針筒內(nèi)氣壓的關(guān)系。④將注射器放入盛有溶液的容器中，觀察其能否自然吸入或排出溶液。

學(xué)生總結(jié)實(shí)驗(yàn)活動結(jié)果：拉活塞芯桿時，針筒容積增大，可將溶液吸入針筒；推活塞芯桿時，針筒內(nèi)容積縮小，將溶液壓出針筒。如果不推、拉活塞芯桿，針筒容積不變，則溶液不能自然進(jìn)入或排出針筒。用手指堵住注射器前端小孔再拉活塞芯桿，感覺針筒內(nèi)有吸力；而此時推活塞芯桿，感覺針筒內(nèi)有推力。

教師總結(jié)：實(shí)驗(yàn)說明，氣體是在壓力的作用下流動的，并且從壓力大的一側(cè)流向壓力小的一側(cè)。

教師繼續(xù)設(shè)疑：容器（氣球、注射器、肺）與外界是相通的，吹氣是用“力”將氣體灌入氣球，而推活塞芯桿，則是用“力”將容器內(nèi)氣體排出。但拉活塞芯桿或橡皮膜時，外界氣壓并沒有變化，為什么外界氣體能進(jìn)入容器內(nèi)？學(xué)生無法回答這個問題。

教師引導(dǎo)：氣體由外界進(jìn)入容器，說明容器與外界之間的壓力關(guān)系是什么？（學(xué)生答：外界氣壓大于容器內(nèi)壓力。）當(dāng)外界壓力不變，而二者之間出現(xiàn)壓力差，其原因是什么？此時，學(xué)生似乎有點(diǎn)明白：只能是容器內(nèi)壓力減小。教師追問：容器內(nèi)壓力減小的原因是什么？學(xué)生在經(jīng)過討論、分析得出：拉活塞芯桿或橡皮膜，都使容器的體積增大，可能造成容器內(nèi)壓力減小。導(dǎo)致外界與容器之間出現(xiàn)壓力差，使氣體進(jìn)入容器內(nèi)。

教師總結(jié)：根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，可得出結(jié)論：肺與外界大氣之間的壓力差是肺與外界進(jìn)行氣體交換的動力。

4.4 依據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推理得出“肺通氣”的模型 教師要求學(xué)生依據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論，以概念模型的形式呈現(xiàn)吸氣的原理，學(xué)生表達(dá)出2種模型。

①吸氣→胸廓容積增大→肺內(nèi)壓減?。?/p>

②胸廓容積增大→肺內(nèi)壓減小→吸氣。

顯然，構(gòu)建模型①的學(xué)生尚沒有理解肺通氣的基本原理。教師指導(dǎo)學(xué)生再次操作模擬實(shí)驗(yàn)1，引導(dǎo)學(xué)生反復(fù)觀察：是氣球膨大導(dǎo)致橡皮膜下拉，還是下拉橡皮膜使氣球膨大？經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)觀察，學(xué)生確認(rèn)是“下拉橡皮膜使氣球膨大”，得出模型②正確反映吸氣的原理。教師提問：吸氣時，胸廓的容積為什么會增大？學(xué)生只能回答出：用力。但無法說清楚“力”從何來。

此時，教師播放“呼吸運(yùn)動”視頻，引導(dǎo)學(xué)生重點(diǎn)觀察：肋間肌收縮與肋骨、胸骨的變化關(guān)系；膈肌的收縮與胸廓容積的關(guān)系。學(xué)生在觀察的基礎(chǔ)上，經(jīng)過集體討論得出呼吸運(yùn)動吸氣的原理（圖6）。

圖6 學(xué)生構(gòu)建的吸氣原理圖

接著，根據(jù)吸氣的原理，學(xué)生推導(dǎo)出呼吸運(yùn)動呼氣的原理（圖7）。

圖7 學(xué)生構(gòu)建的呼氣原理圖

4.5 歸納呼吸運(yùn)動原理，建立“肺通氣”概念 模型教師首先引導(dǎo)學(xué)生歸納呼吸運(yùn)動的原理，得出呼吸運(yùn)動的意義：呼吸運(yùn)動是通過胸廓的節(jié)律性變化為肺與外界進(jìn)行氣體交換提供動力。進(jìn)而構(gòu)建起“呼吸運(yùn)動”的概念：呼吸肌收縮和舒張引起胸廓節(jié)律性擴(kuò)張與縮小的過程，是為肺與外界進(jìn)行氣體交換提供動力的過程，最后形成概念模型（圖8）。

圖8 學(xué)生構(gòu)建的肺通氣概念模型

最后，教師播放人工呼吸的視頻，使學(xué)生初步了解人工呼吸的基本方法，引導(dǎo)學(xué)生將理論運(yùn)用于實(shí)踐，強(qiáng)化對呼吸運(yùn)動原理的理解。

5 教學(xué)反思

5.1 充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，引導(dǎo)學(xué)生突破學(xué)習(xí)難點(diǎn) 由于缺乏必要的生物學(xué)和物理學(xué)基礎(chǔ)知識，7年級學(xué)生理解“肺通氣”原理有很大的難度。而現(xiàn)有的理解能力和探究能力不足，使他們難以通過自主探究性學(xué)習(xí)完成概念的構(gòu)建。這就需要教師發(fā)揮好主導(dǎo)作用：①在教學(xué)設(shè)計(jì)時，組織好知識的呈現(xiàn)順序，以體現(xiàn)胸廓與呼吸運(yùn)動、呼吸運(yùn)動與肺通氣等知識之間的邏輯關(guān)系，有助于學(xué)生的思考、推理；②通過問題設(shè)置，創(chuàng)設(shè)探究性學(xué)習(xí)的情境，例如模型中的氣球如何通過充氣使體積變大，以激發(fā)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)；③以概念模型的方式，總結(jié)呼吸運(yùn)動過程中胸廓體積變化、肺泡容積變化、肺內(nèi)壓的變化等，以實(shí)現(xiàn)概念的構(gòu)建。這樣，學(xué)生在構(gòu)建模型的基礎(chǔ)上，領(lǐng)悟概念的內(nèi)涵和外延，深化對概念的理解，有助于生命觀念的形成，有利于科學(xué)思維的發(fā)展［2］。

5.2 在感性體驗(yàn)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)概念的自主構(gòu)建 “肺通氣”機(jī)理中涉及的物理學(xué)原理是學(xué)生學(xué)習(xí)的最大障礙，針對學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，教師引導(dǎo)學(xué)生反復(fù)感受自身在呼吸運(yùn)動過程中胸廓的變化，進(jìn)而通過模擬實(shí)驗(yàn)，探索氣體進(jìn)出肺泡的動力來源，使學(xué)生在感知生物學(xué)事實(shí)的基礎(chǔ)上，自主構(gòu)建“肺通氣”的概念、理解“肺通氣”的原理。