生物学跨学科实践活动的设计与开展——以肺活量计量桶的制作为例

王琨 韩宁

（云南师范大学生命科学学院 云南昆明 650500）

2019年，国务院办公厅印发《关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》，提出要深化课堂教学改革，注重加强项目设计、研究性学习等跨学科综合性教学，并适当增加探究性、实践性、综合性作业。社会不断发展，对人才的要求越来越高，无论高中、初中还是小学，跨学科综合性教学都是人才培养的重要方式。

1 跨学科综合实践活动的理论基础

“跨学科”就是从学科知识、概念群到认识论和方法论，构筑新的研究视角来解决某单一学科难以解决的问题。《义务教育生物学课程标准（2011）年版》的课标中列出了10个一级主题，每个一级主题一般包含了若干二级主题及具体内容标准和活动建议。其中，活动建议列举了有利于学习目标达成的观察、调查、资料的收集和分析、讨论、实验、实践等活动，包括了开展校园或社区绿化设计、自制鸡卵孵化箱、为校园植物挂牌、制作发酵食品、模拟练习急救等系列活动。这些活动与生物学教学内容息息相关，同时也涉及其他学科的知识。因此，这些活动的完成都需要综合各学科内容来展开。

2 生物学综合实践活动的开展

2.1 活动目标

本次活动目标主要是应用身边简易材料制作“肺活量计量桶”。学生通过应用知识、动手实践，在过程中感受乐趣，以成果实现知识和实践的价值，提升生物学学科核心素养。

肺活量是指一次尽力吸气后，再尽力呼出的气体总量。肺活量与人的呼吸密切相关。生理学研究表明：人体的各器官、系统、组织、细胞每时每刻都在消耗氧，机体只有在氧供应充足的情况下才能正常工作。人体内部的氧供给全部靠肺的呼吸来获得，在呼吸过程中，肺不仅要摄入氧气，还要将体内代谢出的二氧化碳排出。因此，肺是机体气体交换的中转站。这个中转站的容积大小直接决定着每次呼吸气体交换的量，这是检测肺功能的最直观、也是最客观的指标。

目前，用于测量肺活量的基本为电子肺活量测试仪，直接吹气便可以显示肺活量。但是电子肺活量测试仪的制造需要一定的技术手段，中学生也不知道其基本原理为何。教师引导学生利用身边的常见材料，促使学生基于学科知识，动手实践，丰富学生的实践活动，让学生感受运用知识创造产品的过程，培养学生的创新意识与动手能力。

2.2 活动涉及学科领域

本次肺活量计量表的设计与实验主要涉及生物学、物理和化学等学科知识。肺活量的测试与生物学息息相关。肺活量计量表的制作原理涉及了小学科学“物质科学”模块中“水和空气”的基本特征，物理知识“气体的压强和体积的关系”，化学实验中“量筒的操作”等知识。例如，在进行“标记计量”的操作时，主要涉及化学实验“量筒的操作”；在组装“肺活量计”时，主要涉及“水不易被压缩，占据的空间不会变化，而气体容易被压缩，占据的空间会发生变化”的知识。因此，该活动不仅能将不同学科知识联系起来，还能将不同阶段所学的知识进行重组。

2.3 活动材料及工具

活动材料包括4.5 L饮水桶1只，5×7 mm塑料管1 m，塑料漏斗1只，直径12 mm的硅胶塞1只。需要的工具包括黑色油性记号笔、100 mL、1 000 mL量杯各一只。

2.4 制作步骤

2.4.1 标记计量

将饮水桶置于水平处，用量杯注满1 000 mL水倒入饮水桶中，每次倒入后用记号笔标记1次。加2 000 mL水后，换100 mL量杯加水。每十次标记线延长2倍，直至4 200 mL处。在每条标记线后写上数量和单位1 000 mL、2 000 mL、2 100 mL……4 200 mL到最高处标记线。

2.4.2 开排气孔

在饮料桶底部开一小孔，小孔的直径为10 mm，配上直径12 mm的硅胶塞。

2.4.3 组装吹气管

把塑料管一端与塑料漏斗相联，从计量桶口插入并用铁丝固定，如图1所示。

图1 肺活量计量桶

2.5 实验步骤

2.5.1 组装肺活量计

用一只24 L水桶灌满水，打开计量桶排气孔，将其压入水桶中，且排出全部空气，塞入橡皮塞。

2.5.2 准备实验

一位学生负责记录，两位学生分别负责给吹嘴消毒。每位学生吹气前，用消毒喷雾剂对吹嘴消毒，并用棉球擦拭干净。

2.5.3 开始实验

肺活量是尽力吸气后、再尽力呼气所能呼出的气体量。学生吹气结束后，将计量桶提起，使内外水面相平，此时读取读数，水面在两条计量线中间可估算出大体的读数。每人重复3次，记录肺活量值。

3 活动讨论

3.1 计量的选择要有依据和范围

根据《国家学生体质健康检测标准》，各个年级学生的肺活量标准不同。以初一学生为例，初一男生肺活量标准为1 850～3 750 mL，初一女生肺活量标准为1 350～2 350 mL。因此，在饮水桶上进行标记计量时，教师可参考《国家学生体质健康检测标准》，针对测试对象，选择最低计量和最高计量。为了提高普遍适用性，教师可在最低计量和最高计量处适当降低或加大计量范围。

3.2 排气孔的制作要恰当

在实践活动中，排气孔的设计是关键，若设计不合理会造成漏气，导致测量不准确。本次活动中教师首先采取刀切的方式。但是使用刀切方式存在极大安全隐患，且切割不均匀。之后，教师尝试用“烙”的方式，即用酒精灯将钉子烧烫后，再来烙饮水瓶底部。但是此方法也存在诸多问题：首先操作复杂，由于饮水瓶底部较厚，因此需要重复多次；其次，经过铁烙的塑料饮水瓶，在烙的地方会出现卷边，用硅胶塞难以塞严实，会出现漏气情况；最后，在烙的过程中稍不注意也会出现切割不均匀的情况。教师经过多番实践发现，可以先在底部找到合适的地方后，用记号笔画一个的圆，保证与硅胶塞大小契合，不漏气，然后用小电钻打孔。这样既保证排气孔均匀，又省时省力。

3.3 消毒工作不可忽视

在实验过程中，每个学生吹气前都要注意用酒精喷雾进行消毒处理，保证实验者的健康。有条件每人一个漏斗，一次性使用。

4 结语

制作肺活量计是一项有趣而又有意义的跨学科综合实践活动，能够培养学生的环保意识、动手实践能力和科学素养。一方面，教师引导学生充分利用生活中简易材料，如饮水桶、塑料管等，倡导“变废为宝”的理念；另一方面，学生在这一实践活动中可综合不同阶段的不同学科知识，将知识转化为成果，提高问题解决能力和动手实践能力，提升了科学素养。