“发生在肺内的气体交换”的概念教学策略*

赵广宇 张 良 汪绍鑫

（成都市石室中学 四川成都 610041）

“发生在肺内的气体交换”这部分内容，在《义务教育生物学课程标准（2011年版）》中提出的要求是，帮助学生构建重要概念“呼吸系统包括呼吸道和肺，其功能是从大气中摄取代谢所需的氧气，排出代谢所产生的二氧化碳”，具体要求学生能“概述发生在肺部及组织细胞处的气体交换过程”［1］。本节教学内容选自人教版《生物学》7年级下册第3 章第2 节的“发生在肺内的气体交换”，教材中包括“肺与外界的气体交换”和“肺泡与血液的气体交换”2 个部分的内容，本节课的教学任务是完成“肺与外界的气体交换”，引导学生构建“肺通气”的概念。

学生学习“肺通气”的知识有很大难度：首先，学生没有学习运动系统的知识，导致认识胸腔、胸廓等有一定困难，对理解呼吸运动的结构基础造成障碍；其次，缺乏物理学知识，难以理解在呼吸运动中胸腔容积变化引起的肺内压变化，也就无法理解“肺通气”的原理。针对初中学生学习“肺通气”的难点，本节课在引导学生体验生命现象的基础上，通过模型构建、模拟实验等形式，认识肺通气的结构基础，理解肺通气的物理学原理，以达成“肺通气”概念的自主构建。

1 概念体系

为帮助学生理解呼吸运动的原理，自主构建“肺通气”的概念，本节课以“肺泡与外界之间的气体交换即肺通气”为中心，构建如下的概念体系：

A．呼吸道、肺泡和胸廓是实现外界环境与肺泡之间气体交换的结构基础

A1.呼吸道是外界环境与肺泡之间的气体通道

A2.胸廓与呼吸肌参与呼吸运动

A2.1 胸廓由胸骨、肋骨和胸椎共同组成

A2.2 呼吸肌包括肋骨之间分布的肋间肌、胸廓底部分布的膈肌等

A3.肺泡是实现外界气体与体内气体交换的场所

B．呼吸运动是肺通气的动力来源

B1.呼吸运动是呼吸肌的收缩和舒张引起的胸廓节律性扩大和缩小

B2.呼吸运动会增大或缩小胸腔的容积，导致肺泡内压力改变

B3.肺泡内压力与外界大气压的压力差导致气体进出肺泡，实现肺通气

2 学习目标

1）说明人体呼吸的过程；概述肺与外界的气体交换（肺通气）过程；概述呼吸运动与肺通气的机理。

2）通过感受自身呼吸活动时胸廓的变化，探讨呼吸运动的原理；运用物理模型模拟呼吸运动，阐释肺通气的原理。

3）基于生命现象的观察，概括出呼吸运动的概念；以物理模型的模拟活动为基础，推理得出肺通气的原理。

4）运用呼吸运动的原理，尝试掌握人工呼吸的基本方法；认同结构与功能相适应的生命观念。

3 设计思路

学生学习“肺与外界的气体交换”，其重点是在学习呼吸运动过程的基础上，理解肺通气的原理；难点是认识肺泡与外界环境的压力差是肺通气的直接动力。为帮助学生解决学习中的难点，真正理解概念的内涵，本节课的教学设计突出以下特点：①建立知识的系统性，在认识人体呼吸全过程的基础上，厘清“肺通气”与人体呼吸的关系；②通过观察人体骨骼模型、胸廓结构图等方式，认识呼吸运动的结构基础，树立结构与功能相适应的观点；③通过体验自身吸气及呼气过程中胸廓的变化、物理模型的模拟实验等活动，感受容器的容积与压力变化之间的关系，进而领悟呼吸运动与肺通气的机理。

学生通过观察模型、体验生命现象、模拟实验等多样化的学习活动，探究“呼吸运动”与“肺通气”的原理，并归纳、概括出“肺通气”的概念，进而建立“结构与功能相适应”的生命观念。

4 教学过程

4.1 复习呼吸系统结构，构建“呼吸”的概念 教师引导学生识别呼吸系统的结构图，再现并巩固对呼吸系统结构的整体认识，进而提出问题：呼吸系统具有什么功能？（学生答：呼吸。）教师追问：什么是呼吸？学生纷纷通过深呼吸的动作表示：呼吸就是人体的吸气与呼气。

这表明学生有关呼吸的前概念是不准确的。此时，教师呈现表示“内呼吸”“气体在血液中的运输”“外呼吸”全过程的示意图，引导学生按图索骥，从机体耗氧与产生二氧化碳的场所——细胞出发，认清人体细胞与外界进行气体交换的全过程，并认识呼吸系统的功能（图1）。

图1 呼吸系统的功能

进而建立人体呼吸的概念：指机体与外界环境之间气体交换的过程，包括3 个相互联系的环节。在此基础上，教师提出本节课的学习课题：肺与外界的气体交换。

4.2 感受呼吸运动现象，模型构建“胸廓”的概念 教师首先提出问题：大家能感受到肺与外界的气体交换吗？学生再次以深呼吸的动作表示感受到气体在进、出呼吸道。教师引导：能否举例证明，外界气体确实进入呼吸道了？学生略作思考后举例：辛辣的气体进入呼吸道引起咳嗽；冷空气进入呼吸道会刺激气管或者支气管，导致咳嗽或其他不适等。

教师再次提问：气体为什么能进、出呼吸道？（学生答：人用力吸或呼。）教师追问：吸气、呼气的力从哪里来？学生显然无法回答这个问题。

教师引导学生缓慢进行吸气、呼气的动作，同时将双手放在胸前及躯干两侧，感受身体发生的变化。学生反复多次后表示：在吸气时，胸部好像向上、向外动；呼气时发生相反的变化。有的学生表示：呼吸时，腹部扩张或收缩。由此说明，学生通过感受呼吸运动现象，体验到胸廓的变化。

教师提出学习任务：吸气、呼气与机体哪些结构有关？然后出示胸廓结构模式图，引导学生认识胸腔、胸廓的结构组成，建立胸腔与胸廓的概念（图2）。

图2 胸腔与胸廓的结构组成

教师要求学生运用所学习的胸廓相关结构术语，描述吸气、呼气时相关结构的变化，学生基本都能使用术语进行准确描述，从而为学习呼吸运动原理奠定结构基础。

4.3 开展模拟实验，探究“肺通气”的原理 教师给每个2 人小组发放模拟实验1 的装置：模拟胸腔的模型（图3）。要求学生：想办法使模型中的气球膨胀。多数学生很自然地通过吸管以吹气的方式使气球膨胀（图4）；少数学生则观察到模型底部有橡皮膜，在尝试玩耍时发现，向下拉橡皮膜也可使气球膨胀（图5）。

图3 模拟胸腔模型

图4 学生吹气使气球膨胀

图5 学生拉橡皮

教师进一步要求学生猜测：外界气体进入人体肺泡的原理，可能与气球膨胀的哪种方式相似？尽管学生探索出有2 种方法使气球膨胀，但绝大多数学生仍想当然地认为：气体是吹入肺内的。虽有部分学生反对，但因无法说明原理，不能说服其他学生。最后，有的学生指出：往里吹气的方法有点类似于人工呼吸，必须要借助外力才能实现。而正常呼吸时，是没有外力将外界气体吹入肺内的。这个观点得到学生的普遍认可，但大家对吸（呼）气的原理仍感困惑，即橡皮膜下拉为何能使气球充气？

教师带领学生完成模拟实验2：①推、拉活塞芯杆，将红色溶液排出、吸入注射器；②观察在液体进、出注射器与针筒内容积变化的关系；③空注射器状态下，在推、拉活塞芯杆时，分别用手指堵住注射器前端小孔，体验针筒容积变化与针筒内气压的关系。④将注射器放入盛有溶液的容器中，观察其能否自然吸入或排出溶液。

学生总结实验活动结果：拉活塞芯杆时，针筒容积增大，可将溶液吸入针筒；推活塞芯杆时，针筒内容积缩小，将溶液压出针筒。如果不推、拉活塞芯杆，针筒容积不变，则溶液不能自然进入或排出针筒。用手指堵住注射器前端小孔再拉活塞芯杆，感觉针筒内有吸力；而此时推活塞芯杆，感觉针筒内有推力。

教师总结：实验说明，气体是在压力的作用下流动的，并且从压力大的一侧流向压力小的一侧。

教师继续设疑：容器（气球、注射器、肺）与外界是相通的，吹气是用“力”将气体灌入气球，而推活塞芯杆，则是用“力”将容器内气体排出。但拉活塞芯杆或橡皮膜时，外界气压并没有变化，为什么外界气体能进入容器内？学生无法回答这个问题。

教师引导：气体由外界进入容器，说明容器与外界之间的压力关系是什么？（学生答：外界气压大于容器内压力。）当外界压力不变，而二者之间出现压力差，其原因是什么？此时，学生似乎有点明白：只能是容器内压力减小。教师追问：容器内压力减小的原因是什么？学生在经过讨论、分析得出：拉活塞芯杆或橡皮膜，都使容器的体积增大，可能造成容器内压力减小。导致外界与容器之间出现压力差，使气体进入容器内。

教师总结：根据模拟实验的结果，可得出结论：肺与外界大气之间的压力差是肺与外界进行气体交换的动力。

4.4 依据模拟实验结果，推理得出“肺通气”的模型 教师要求学生依据模拟实验得出的结论，以概念模型的形式呈现吸气的原理，学生表达出2种模型。

①吸气→胸廓容积增大→肺内压减小；

②胸廓容积增大→肺内压减小→吸气。

显然，构建模型①的学生尚没有理解肺通气的基本原理。教师指导学生再次操作模拟实验1，引导学生反复观察：是气球膨大导致橡皮膜下拉，还是下拉橡皮膜使气球膨大？经过多次实验观察，学生确认是“下拉橡皮膜使气球膨大”，得出模型②正确反映吸气的原理。教师提问：吸气时，胸廓的容积为什么会增大？学生只能回答出：用力。但无法说清楚“力”从何来。

此时，教师播放“呼吸运动”视频，引导学生重点观察：肋间肌收缩与肋骨、胸骨的变化关系；膈肌的收缩与胸廓容积的关系。学生在观察的基础上，经过集体讨论得出呼吸运动吸气的原理（图6）。

图6 学生构建的吸气原理图

接着，根据吸气的原理，学生推导出呼吸运动呼气的原理（图7）。

图7 学生构建的呼气原理图

4.5 归纳呼吸运动原理，建立“肺通气”概念 模型教师首先引导学生归纳呼吸运动的原理，得出呼吸运动的意义：呼吸运动是通过胸廓的节律性变化为肺与外界进行气体交换提供动力。进而构建起“呼吸运动”的概念：呼吸肌收缩和舒张引起胸廓节律性扩张与缩小的过程，是为肺与外界进行气体交换提供动力的过程，最后形成概念模型（图8）。

图8 学生构建的肺通气概念模型

最后，教师播放人工呼吸的视频，使学生初步了解人工呼吸的基本方法，引导学生将理论运用于实践，强化对呼吸运动原理的理解。

5 教学反思

5.1 充分发挥教师的主导作用，引导学生突破学习难点 由于缺乏必要的生物学和物理学基础知识，7年级学生理解“肺通气”原理有很大的难度。而现有的理解能力和探究能力不足，使他们难以通过自主探究性学习完成概念的构建。这就需要教师发挥好主导作用：①在教学设计时，组织好知识的呈现顺序，以体现胸廓与呼吸运动、呼吸运动与肺通气等知识之间的逻辑关系，有助于学生的思考、推理；②通过问题设置，创设探究性学习的情境，例如模型中的气球如何通过充气使体积变大，以激发学生的深度学习；③以概念模型的方式，总结呼吸运动过程中胸廓体积变化、肺泡容积变化、肺内压的变化等，以实现概念的构建。这样，学生在构建模型的基础上，领悟概念的内涵和外延，深化对概念的理解，有助于生命观念的形成，有利于科学思维的发展［2］。

5.2 在感性体验的基础上，实现概念的自主构建 “肺通气”机理中涉及的物理学原理是学生学习的最大障碍，针对学生学习的难点，教师引导学生反复感受自身在呼吸运动过程中胸廓的变化，进而通过模拟实验，探索气体进出肺泡的动力来源，使学生在感知生物学事实的基础上，自主构建“肺通气”的概念、理解“肺通气”的原理。