呼吸運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母倪M(jìn)與數(shù)字化

呼吸運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，是人教版《生物學(xué)》七年級(jí)下冊(cè)第三章第二節(jié)“發(fā)生在肺內(nèi)的氣體交換”中的一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，是實(shí)際教學(xué)中的一個(gè)難點(diǎn)，尤其是肺與外界氣體交換的原理比較抽象，學(xué)生在理解上有一定的難度。通過(guò)呼吸運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停梢詭椭鷮W(xué)生更好地理解肺內(nèi)的情況，相對(duì)容易地掌握相關(guān)概念。結(jié)合中學(xué)生物實(shí)際教學(xué)、備課組教研活動(dòng)、調(diào)查問(wèn)卷和文獻(xiàn)綜述等反饋，原課堂教學(xué)模型結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，不能簡(jiǎn)單明了地展現(xiàn)肺內(nèi)呼吸過(guò)程的復(fù)雜變化，學(xué)生難以理解呼吸過(guò)程中的生物學(xué)本質(zhì)，影響了教學(xué)的實(shí)際效果。因此，在《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》的指導(dǎo)下，教師和學(xué)生共同將初中生物學(xué)知識(shí)與其他學(xué)科相融合，通過(guò)跨學(xué)科實(shí)踐，解決真實(shí)情境中遇到的教學(xué)問(wèn)題。

模型改造技術(shù)路徑

起始階段

學(xué)生使用3D 軟件設(shè)計(jì)肋骨和氣管3D 圖形；使用3D 打印機(jī)根據(jù)設(shè)計(jì)圖打印肋骨和氣管模型。

材料準(zhǔn)備階段

準(zhǔn)備所需材料，包括3D 肋骨模型、玻璃罩、液壓推桿電機(jī)、壓強(qiáng)傳感器、亞克力箱、自制膈肌模型等。

零件設(shè)計(jì)制作

學(xué)生繪制出設(shè)計(jì)好的零件草圖，并標(biāo)明零件大小，請(qǐng)廠家用亞克力板作為材料雕刻出所需零件。學(xué)生對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行打磨，制作出可以牽拉肋骨的裝置，并對(duì)打印出的肋骨模型進(jìn)行重構(gòu)和調(diào)整，比如鋸開(kāi)肋骨模型，連上一節(jié)彈性好的橡膠材料，模擬肋軟骨的作用。

系統(tǒng)集成

運(yùn)用Python 語(yǔ)言編程，對(duì)液壓推桿電機(jī)、流水指示燈及語(yǔ)音控制等功能進(jìn)行系統(tǒng)化集成；使用壓強(qiáng)傳感器和呼吸率傳感器將抽象的氣壓變化以圖形方式進(jìn)行可視化展現(xiàn)。

安裝傳感器

安裝壓強(qiáng)傳感器和呼吸率傳感器，以監(jiān)測(cè)和顯示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的氣壓變化。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，確保所有系統(tǒng)和傳感器正常工作，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

模型創(chuàng)新改進(jìn)過(guò)程

呼吸運(yùn)動(dòng)模型制作經(jīng)歷了3 代模型2 次改造升級(jí)。本實(shí)驗(yàn)利用3D打印技術(shù)打印的肋骨模型和氣管模型讓實(shí)驗(yàn)更加逼真，也更貼近呼吸時(shí)器官的結(jié)構(gòu)變化（圖1）。

本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)主要運(yùn)用了生物學(xué)中人體呼吸的生理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)也融合了材料設(shè)計(jì)、智能化技術(shù)、3D 打印技術(shù)和物理學(xué)中氣壓變化及力學(xué)知識(shí)，是對(duì)2022 年新課標(biāo)中倡導(dǎo)的跨學(xué)科主題教學(xué)的一次嘗試。

創(chuàng)新改進(jìn)方案

材料準(zhǔn)備

3D 肋骨模型、玻璃罩、液壓推桿電機(jī)、壓強(qiáng)傳感器、亞克力箱、自制膈肌模型（圖2）；橡皮繃帶、口鼻咽喉模型、Y 型玻璃管、3D 打印氣管、橡膠塞、主控設(shè)備（ESP32開(kāi)發(fā)板、降壓模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、12.6 V 鋰電池、WS2812 燈帶、語(yǔ)音芯片等）等，見(jiàn)圖3。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鞣椒?/p>

首先，學(xué)生配合信息課程教師利用3D One 軟件設(shè)計(jì)肋骨3D 圖形，繪制完成后運(yùn)用3D 打印機(jī)打印出肋骨和氣管模型。在此過(guò)程中學(xué)生借助信息技術(shù)手段對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了實(shí)際的推動(dòng)，為后續(xù)探究奠定了基礎(chǔ)。接下來(lái)是一些小零件的設(shè)計(jì)制作，學(xué)生先繪制出設(shè)計(jì)好的零件草圖（圖4），標(biāo)明零件大小，再請(qǐng)廠家用亞克力板進(jìn)行雕刻。零件到位后，根據(jù)材料和設(shè)計(jì)要求，再由學(xué)生對(duì)細(xì)節(jié)處進(jìn)行打磨，比如打印出的肋骨模型材料比較堅(jiān)硬，不具備良好的伸縮性，需要將肋骨鋸開(kāi)連上一節(jié)彈性好的橡膠材料，這節(jié)橡膠管同時(shí)起到模擬肋軟骨的作用（圖5），使得裝置更貼近實(shí)際器官。通過(guò)設(shè)計(jì)和實(shí)踐改進(jìn)方案，培養(yǎng)了學(xué)生的探究精神、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)那髮?shí)態(tài)度，以及勇敢的質(zhì)疑精神。

隨后，對(duì)器材進(jìn)行拼裝與演示。拼裝過(guò)程中，膈肌自動(dòng)推升裝置一開(kāi)始采用的是學(xué)校STEM 創(chuàng)新社團(tuán)學(xué)生組裝的升降機(jī)（圖6），后來(lái)發(fā)現(xiàn)其推升馬力遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。在請(qǐng)教物理教師后，建議使用大推力的液壓裝置，最終在機(jī)電市場(chǎng)找到了最大可推升20 千克重物的液壓推桿電機(jī)（圖7），解決了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭须跫∽詣?dòng)升降的問(wèn)題，很好地模擬了膈肌在實(shí)際情況中自主收縮的生理特點(diǎn)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)膈肌的上下移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致肺部、肋部，以及氣壓的顯著變化。然而，由于缺乏物理知識(shí)，很多學(xué)生無(wú)法深刻領(lǐng)悟這種變化，因此需要提高模型模擬的準(zhǔn)確性，深入研究肺、膈等器官的結(jié)構(gòu)特征。膈的實(shí)際形狀是向上凸起的。另外，胸膜的臟層與壁層間存有一個(gè)潛在的密閉胸膜腔，胎兒出生后，在平和呼吸時(shí)，胸內(nèi)壓始終低于大氣壓，以大氣壓為零點(diǎn)，在檢壓計(jì)上可以讀出負(fù)值，故稱(chēng)為胸內(nèi)負(fù)壓。

綜上，可以設(shè)計(jì)出一種模仿呼吸運(yùn)動(dòng)與膈運(yùn)動(dòng)關(guān)系的模型，需要解決的兩個(gè)要點(diǎn)為：①讓自然狀態(tài)下的橡皮膜稍向瓶?jī)?nèi)突起；②讓瓶?jī)?nèi)（由瓶?jī)?nèi)壁、橡皮膜和氣球等圍成的內(nèi)空隙，可認(rèn)為是胸膜腔）處于負(fù)壓狀況，并保證其氣密性。第1 種方法是先將橡皮膜邊緣扎緊，然后將液壓推桿電機(jī)調(diào)節(jié)到橡皮膜向瓶?jī)?nèi)頂起，再用橡皮塞封口，并保證氣密性；第2 種方法是先將橡皮膜邊緣扎緊，然后將配好的氣球稍微吹大一些，再用橡皮塞封口，并保證氣密性。

通過(guò)上述方法，均可讓瓶?jī)?nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)。再通過(guò)壓強(qiáng)傳感器將肺內(nèi)氣壓的變化以數(shù)字化的方式直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，幫助學(xué)生理解氣壓差在呼吸中的重要作用。圖8 為多次演示過(guò)程中的一張氣壓變化比較均勻的曲線(xiàn)圖，可以明顯看到在呼氣和吸氣時(shí)胸腔內(nèi)氣壓變化的往復(fù)過(guò)程。

最后一步是電路設(shè)計(jì)和程序開(kāi)發(fā)過(guò)程。電路部分采用高性能的ESP32 微控制器作為主控芯片，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制。通過(guò)控制L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制液壓推桿的伸縮運(yùn)動(dòng)。此外， 利用WS2812 燈帶實(shí)現(xiàn)呼吸方向流水燈效果，增強(qiáng)演示的視覺(jué)效果。

為了接收外部信號(hào)，電路部分還設(shè)計(jì)了按鍵模塊和語(yǔ)音識(shí)別芯片。按鍵模塊用于手動(dòng)控制演示，而語(yǔ)音識(shí)別芯片通過(guò)連接麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音控制功能。電源部分采用1 組3S 鋰電池，通過(guò)降壓模塊將電壓降至5 V，為ESP32 和其他電子部件供電。

編程部分使用MicroPython 為ESP32 編寫(xiě)程序，主要包括4 個(gè)方面：①流水燈，通過(guò)控制WS2812 燈帶的亮度變化，實(shí)現(xiàn)呼吸方向流水燈效果；②驅(qū)動(dòng)電機(jī)邏輯，通過(guò)控制L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的2 個(gè)引腳，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；③軟串口接收來(lái)自語(yǔ)音識(shí)別芯片的命令，將語(yǔ)音識(shí)別結(jié)果轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)；④接收按鍵模塊信號(hào)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。

為了滿(mǎn)足隨時(shí)切換演示、終止演示的需求，我們?cè)诔绦蛟O(shè)計(jì)中采用了多線(xiàn)程控制輸入信號(hào)，使得系統(tǒng)能夠隨時(shí)響應(yīng)控制命令，切換演示模式。整個(gè)自動(dòng)化演示系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了4 種模式：停止循環(huán)、呼吸循環(huán)、單吸氣動(dòng)作和單呼氣動(dòng)作，通過(guò)程序控制，實(shí)現(xiàn)演示內(nèi)容多樣化。

模型測(cè)試

使用Python 語(yǔ)言進(jìn)行智能化編程，實(shí)現(xiàn)液壓推桿電機(jī)、流水指示燈及語(yǔ)音控制等功能系統(tǒng)化集成。綠色指示燈表示吸氣（圖9），紅色指示燈表示呼氣（圖10）。

將壓強(qiáng)傳感器與呼吸率傳感器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)肺內(nèi)氣壓變化與胸廓變化的實(shí)時(shí)圖形對(duì)比，肺內(nèi)氣壓變化與胸廓變化呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)（圖11）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

常用模型中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的肋骨、氣壓和肺泡的變化均可呈現(xiàn)出來(lái)，力爭(zhēng)做到讓學(xué)生更加清晰明了地看到呼吸發(fā)生時(shí)各個(gè)組織器官的變化（表1）。

效果評(píng)價(jià)

教師采用多種教學(xué)方式，包括體驗(yàn)式教學(xué)法、模型教學(xué)法和啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模型制作，使得實(shí)驗(yàn)效果更加顯著；通過(guò)對(duì)原始實(shí)驗(yàn)教具的創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)出一種全新的呼吸運(yùn)動(dòng)模擬設(shè)備，可以直接展示出人體呼吸運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜機(jī)理，極大地增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提升了課堂學(xué)習(xí)效率。在本次實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣?chuàng)新過(guò)程中，學(xué)生學(xué)會(huì)了使用跨學(xué)科整合的思路解決問(wèn)題，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)探究本質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)探究方面的能力得到了鍛煉和提高。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c教材中的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮硪恢?，但更便于學(xué)生對(duì)呼吸運(yùn)動(dòng)的理解，以及對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握，可在中學(xué)生物學(xué)課堂教學(xué)中推廣。

該項(xiàng)目獲得第38 屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員科技教育創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng)