传感器在“人体吸入与呼出气体的差异”教学中的应用

袁 谊 刘福花

(北京市高井中学 100041)

1 设计思路

本节课为北京版生物学七年级教材第六章第一节“人的呼吸”中的内容。课前调查发现，学生对人体呼吸的认识存在很多误区[1]。由于学生缺少“空气成分”的化学知识，而传统生物学实验“观察验证呼出的气体中含有较多的CO2”仅测定呼出气体中的CO2，不能解决“呼出气体中同样含有O2”等问题。因此，教学中常用的方法是教师展示“空气与人体呼出气体的主要成分”数据资料，引导学生分析、比较。本次教学在传统实验的基础上，指导学生使用传感器来采集和比较“人体吸入与呼出气体”的相关数据，通过动手实践，获得事实和数据，消除错误的认识，形成科学概念，培养学生的实验能力和数据处理、分析能力，使学生感受现代科学技术发展对实验方法带来的改变，激发探究兴趣。

2 “人体吸入与呼出气体的差异”实验

2.1 实验过程 应用朗威DISLab7.0数据采集器、O2传感器、CO2传感器、温度传感器、相对湿度传感器、保鲜袋、乳胶管、止水夹、皮筋等。实验步骤如下：

(1)测定空气中的O2、CO2含量和温度与相对湿度。将O2传感器、CO2传感器、温度传感器和相对湿度传感器与数据采集器及计算机相连，进入V7.1实验软件系统。点击“通用软件”，系统自动识别所接入的传感器，并显示当前环境中的O2、CO2含量和温度与相对湿度。

(2)测定呼出气体中的O2、CO2含量和温度与相对湿度。①气体收集袋的制作：用剪刀剪开保鲜袋封口处的一角，将乳胶管置于其中，并用皮筋扎紧。在乳胶管露出部分夹上止水夹，管口套上一次性吸管。再将上述四种传感器置于保鲜袋中，通过按压排出袋内空气，用皮筋扎紧袋口；②呼出气体的收集方法：打开实验系统，当显示的4个通道数值稳定后，打开止水夹，对保鲜袋吹气，至保鲜袋鼓起，然后关上止水夹。注意吹气方法：深吸气后立刻匀速呼出气体，不憋气；③数据采集记录：继续观察和采集数据。等2 min，待数据显示稳定后保存实验图像并记录数据。重复上述步骤2～3次，取平均值。

2.2 实验数据分析与讨论 将12组学生的实验数据汇总，获得的平均值如表1所示。实验数据显示：呼出的气体与吸入气体相比较，O2含量减少2.6%，CO2含量增加了25235 PPM(10-6),约2.5%，说明人体在生命活动过程中从空气中获取O2，并产生了CO2；温度上升了1.9℃，说明在环境温度低于人体温度的情况下，人体对呼出气体加温；相对湿度增加了44.1%，说明呼吸过程还是一个排出体内水分的途径。

表1 人体吸入与呼出气体的差别数据统计分析

由于没有直接记录空气中水蒸气含量的传感器，本实验记录的是空气中的相对湿度，需明确告知学生不能将相对湿度计算入空气的体积分数，但可以通过数据的增长值确定呼出气体含有更多的水分[2]。

同时，学生认识到：呼出的气体中也含有O2，并且O2的含量仍然大于CO2的含量，从而摒除了课前错误的想法。

3 “探究憋气时间长短与呼出气体含氧量关系”实验

3.1 实验过程 应用朗威DISLab7.0数据采集器、O2传感器、保鲜袋等。实验步骤如下：

(1)呼气装置连接 制作气体收集袋(如实验1)，将O2传感器置于其中，并与数据采集器和电脑相连接，进入实验系统，点击“生化专用软件”，选择对应的实验题目。

(2)憋气时间设定 学生根据自身情况设定憋气时间，例如每隔10 s，从0～60 s等，将本组设定的憋气时间输入表格。

(3)数据采集记录 点击实验界面的“开始实验”。尽力吸入气体后，按照憋气时间向气体收集袋内匀速呼出全部气体，等示数稳定后点击“记录数据”。改变憋气时间，重复实验步骤，需注意每次实验前需排尽袋内的气体。待实验完毕后点击“T-O2图像”，实验系统便会自动生成憋气时间与呼出气体含氧量关系的折线图。

3.2 实验数据分析与讨论 实验环境中的O2的含量为20.8%，学生的实验数据显示：憋气时间越长，呼出气体含氧量越低。这说明人的呼吸需要消耗O2，憋气的时间越长，气体交换的越充分。

本实验是对实验1的拓展，由于在研究“人体吸入与呼出气体的差异”时，教师让学生呼出气体时注意不憋气，学生很容易对此产生疑问。通过该实验，学生能自主发现改变憋气时间会影响气体交换的效果。那么在实验1中如果不规定呼气的方式，会对实验结果造成较大的误差。