肺通氣模型的優(yōu)化與改進(jìn)

陸曉金

江蘇省昆山開發(fā)區(qū)青陽(yáng)港學(xué)校(215300)

肺通氣是指肺與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換的過程,包括吸氣與呼氣兩部分。通過肋間肌與膈肌有規(guī)律地收縮與舒張,使得胸廓的容積擴(kuò)大或縮小,導(dǎo)致肺內(nèi)氣壓的變小或變大,以此建立肺內(nèi)氣壓與大氣壓之間的壓力差,使空氣進(jìn)入肺,又使廢棄排出體外,從而維持肺通氣。該知識(shí)點(diǎn)源于北師大版初中生物學(xué)七年級(jí)下冊(cè)第10章“人體的能量供應(yīng)”第2節(jié)“人體細(xì)胞獲得氧氣的過程”。依據(jù)《新課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》,屬于一級(jí)主題“人體生理與健康”下的重要內(nèi)容。肺通氣的原理學(xué)生不易理解,需結(jié)合學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn),通過模型或?qū)嵨镎故尽⒉牧戏治?、探究?shí)驗(yàn)等活動(dòng)形式,引導(dǎo)學(xué)生識(shí)別和推斷人體各系統(tǒng)相應(yīng)結(jié)構(gòu)的功能,幫助其初步形成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀念[1]。如圖1所示,教材以肺通氣模型1演示肋間肌的舒張與收縮引起肋骨和胸骨的運(yùn)動(dòng)。如圖2所示,以肺通氣模型2來模擬膈肌運(yùn)動(dòng)引起胸廓容積的改變。通過兩個(gè)模型的分步演示,對(duì)學(xué)生理解肺通氣原理有一定的積極作用,但也存在一些問題:①針對(duì)模擬肋間肌收縮與舒張對(duì)肺通氣影響的模型,能通過跨學(xué)科數(shù)學(xué)對(duì)面積的計(jì)算,讓學(xué)生感受容積的變大,但局限于平面,不能立體、直觀地呈現(xiàn)出胸廓前后、左右徑的變大,導(dǎo)致胸廓容積的擴(kuò)大;②對(duì)于模擬膈肌對(duì)肺通氣影響的模型,課堂上使用的是玻璃鐘罩,但對(duì)初一學(xué)生來說太厚重,操作時(shí)手握不住易掉落而碎;③從學(xué)生的認(rèn)知角度出發(fā),七年級(jí)沒有學(xué)過物理,不易理解氣壓與容積大小的關(guān)系,兩個(gè)模型也沒有體現(xiàn)出兩者的關(guān)系;④吸氣與呼氣是個(gè)連貫的動(dòng)作,而這兩個(gè)裝置卻獨(dú)立呈現(xiàn),分開模擬,不符合實(shí)際?；谝陨蠁栴},需要優(yōu)化改進(jìn)模型,使之更好地將人體肺通氣時(shí)各結(jié)構(gòu)的變化呈現(xiàn)在學(xué)生面前,使學(xué)生更好地理解肺通氣的原理。

圖1 教材肺通氣模型1

圖2 教材肺通氣模型2

1 肋間肌對(duì)肺通氣影響模型的改進(jìn)

1.1 材料

塑料圓環(huán)數(shù)個(gè)、銅絲2根、橡皮筋若干等。

1.2 安裝步驟

首先將銅絲繞成如圖3(a)所示形狀,然后將塑料圓環(huán)依次穿過銅絲繞成的小孔,如圖3(b)所示,并加以固定;最后,如圖3(c)所示,在兩兩塑料圓環(huán)之間用橡皮筋連接起來,裝置效果如圖3(d)所示。

圖3 肋間肌對(duì)肺通氣影響模型的改進(jìn)裝置圖

1.3 方法與現(xiàn)象

用塑料圓環(huán)模擬肋骨,銅絲模擬胸骨與脊柱,圓環(huán)間的橡皮筋則模擬肋間肌。向上拉動(dòng)橡皮筋,模擬肋間肌收縮,胸骨向上,俯視可以看到是胸廓的前后徑、左右徑變大,才導(dǎo)致胸廓容積的擴(kuò)大,肺內(nèi)氣壓變小,此時(shí)模擬吸氣,反之則模擬呼氣過程。

1.4 改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)

此裝置能化平面為立體,多方位多角度地呈現(xiàn)出肋間肌收縮與舒張時(shí)肋骨、胸廓前后徑、左右徑及容積的運(yùn)動(dòng)變化,促進(jìn)對(duì)呼吸運(yùn)動(dòng)原理的理解。

2 膈肌對(duì)肺通氣影響模型的優(yōu)化

2.1 材料

容積為4 L的礦泉水瓶1個(gè)、小氣球2個(gè)、大氣球1個(gè)、Y形玻璃管1個(gè)、剪刀、熱熔膠、橡皮筋等。

2.2 安裝步驟

如圖4所示,首先用剪刀將礦泉水瓶的底部剪去,再將大氣球的底部(下文稱之為“氣球膜”)剪下備用;接著,用橡皮筋將小氣球固定在Y形玻璃管的2個(gè)分支上;然后,把Y形玻璃管的管口穿過礦泉水瓶蓋上的小孔,并在縫隙處用熱熔膠加以密封固定;最后,將氣球膜套住礦泉水瓶的底部開口,裝置效果如圖4(e)所示。

圖4 膈肌對(duì)肺通氣影響模型的優(yōu)化圖

2.3 方法與現(xiàn)象

用氣球模擬肺,Y形玻璃管模擬氣管與支氣管,礦泉水瓶模擬胸廓,氣球膜模擬膈肌。用礦泉水瓶代替玻璃鐘罩,減輕重量的同時(shí),而且能避免鐘罩易碎的情況。用氣球膜代替橡皮膜,由于氣球底部有突起,因此比橡皮膜能更好地上下推拉。當(dāng)向下拉氣球膜時(shí)(模擬膈肌收縮下降),礦泉水瓶上下徑增大,導(dǎo)致容積增大,氣體進(jìn)入小氣球(模擬胸廓上下徑增大,容積增大,氣壓減小,外界氣體進(jìn)入肺),此時(shí)模擬吸氣狀態(tài),反之則為呼氣狀態(tài)。

2.4 改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)

用礦泉水瓶代替玻璃鐘罩,減輕重量的同時(shí),而且能避免易碎的情況。用氣球膜代替橡皮膜,由于氣球底部有突起,因此比橡皮膜能更好地上下推拉,以便于更好地操作。

3 肋間肌與膈肌對(duì)肺通氣影響模型的組合

3.1 材料

增加的材料有定滑輪、細(xì)線、解剖針等。

3.2 安裝步驟

如圖5所示,首先將模擬肋間肌對(duì)肺通氣影響的實(shí)驗(yàn)裝置放進(jìn)礦泉水瓶適當(dāng)?shù)奈恢?用記號(hào)筆做好標(biāo)記,再用解剖針在合適的位置上打幾個(gè)小孔;然后,用銅絲穿過背面小孔將模擬肋間肌對(duì)肺通氣影響實(shí)驗(yàn)的裝置固定在礦泉水瓶?jī)?nèi),再用熱熔膠加以固定;接著,在礦泉水瓶的正面選取適當(dāng)位置,用解剖針打一小孔,將細(xì)線與塑料圓環(huán)系在一起,前端穿過小孔并拉出。再選擇合適的位置通過定滑輪放好細(xì)線,最后裝好氣球膜,裝置效果如圖5(d)所示。

圖5 肋間肌與膈肌對(duì)肺通氣影響模型的組合圖

3.3 方法與現(xiàn)象

同時(shí)下拉細(xì)線與氣球膜,發(fā)現(xiàn)能同時(shí)模擬膈肌、肋間肌的收縮對(duì)胸廓擴(kuò)大的變化,從而模擬吸氣運(yùn)動(dòng);反之上推細(xì)線與氣球膜,則能同時(shí)模擬膈肌、肋間肌的舒張對(duì)胸廓縮小的變化,從而導(dǎo)致呼氣運(yùn)動(dòng)。

3.4 改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)

此裝置的改進(jìn)能同時(shí)模擬肋間肌與膈肌對(duì)呼吸運(yùn)動(dòng)的影響,狀態(tài)清晰,便于學(xué)生觀察,使之更加符合人體的構(gòu)造特點(diǎn)。

4 手持技術(shù)的引入

4.1 材料

增加的材料有手持技術(shù)壓強(qiáng)傳感器等。

4.2 安裝步驟

如圖6所示,在礦泉水瓶蓋上開一小孔,將壓強(qiáng)傳感器的一端伸入瓶?jī)?nèi),另一端與顯示屏相連。

圖6 壓強(qiáng)傳感器與模型的組合圖

4.3 方法與現(xiàn)象

由于礦泉水瓶通過Y形玻璃管與外界相通,所以待數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí),瓶?jī)?nèi)、外氣壓相同,如圖6(a)所示,屏幕顯示數(shù)值為99.4 kPa。當(dāng)同時(shí)下拉細(xì)線與氣球膜,此時(shí)模擬胸廓容積在擴(kuò)大,但數(shù)值卻在變小,如圖6(b)所示,屏幕顯示數(shù)值由99.4 kPa慢慢減小到98.4 kPa。接著松開細(xì)線,上推氣球膜,模擬胸廓容積變小,此時(shí)能清楚地看到儀器屏幕上的數(shù)值在變大,如圖6(c)所示,屏幕顯示數(shù)值由98.4 kPa慢慢增加到101.0 kPa。通過引入手持技術(shù)壓強(qiáng)傳感器,可以很好地展現(xiàn)出氣壓與容積的關(guān)系,將定性實(shí)驗(yàn)定量化,使之更具有說服力。

4.4 改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)

通過引入手持技術(shù)壓強(qiáng)傳感器,可以很好地展現(xiàn)出氣壓與容積的關(guān)系,將定性實(shí)驗(yàn)定量的通過數(shù)據(jù)展現(xiàn)在學(xué)生面前,使之更具有說服力,更易理解。

5 小結(jié)

通過再次改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置,將膈肌與肋間肌對(duì)肺通氣影響的裝置組合在一起,能同時(shí)展現(xiàn)出兩者的收縮與舒張對(duì)胸廓容積的變化,從而讓學(xué)生更好地理解容積大小與氣壓的關(guān)系。相信在對(duì)教具不斷改進(jìn)的過程中,能讓學(xué)生糾正自己的潛意識(shí)并更好地理解:膈肌與肋間肌的收縮與舒張,導(dǎo)致胸廓容積的擴(kuò)大或縮小,才引起了吸氣與呼氣,完成肺通氣的過程。在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆?gòu)建的過程中,皆由學(xué)生和教師共同配合完成,讓學(xué)生真正參與到學(xué)習(xí)活動(dòng)中去,理解基本概念,增強(qiáng)動(dòng)手能力,手腦并用,做學(xué)合一[2]。