手持技术在“人体的呼吸”一课中的创新运用

费晓艳 陆晓金

摘 要 利用手持技术开展“人体的呼吸”一课中相关的探究性实验，在生物学教材基础上创新实验方法，通过压强、温度、湿度、心率等传感器，结合模型构建，测定呼吸过程中各成分与各结构的变化。教师尝试将数字化技术与科学探究相结合，将实验由定性观察转为定量分析，透过实验现象，从数据视角，追寻科学本质。在改进课堂教学模式的同时，助力学生高阶思维的形成，促进深度学习的发生，从而提升课堂的效度与信度，为中学生物实验教学提供一定的参考。

关键词 手持技术 人体的呼吸 定量分析 传感器 创新教学

中图分类号 Ｇ633. 91 文献标志码 B

“人体的呼吸”选自苏科版初中生物学教材七年级上册第七章第二节，依据《义务教育生物学课程标准（2022年版）》 （以下简称《课程标准》），是位于第五个一级主题“人体生理与健康”下的第五个重要概念“人体的结构与功能相适应，各系统协调统一，共同完成复杂的生命活动”中的重要内容。《课程标准》要求学生能够设计简单的实验，探究人体生理与健康的问题，初步形成结构与功能相适应的观点，从而形成生命观念，树立正确、积极的生活价值观。但教材中关于呼吸的实验只是停留在表面观察与体验，未能体现从定性到定量的特点，不能帮助学生的理解从现象发展到本质。

随着科技的进步和教育技术水平的提高，教师越来越重视推进课堂现代化信息技术与教学的深度融合。手持技术作为一种信息技术，能自动采集数据并转化为直观的曲线，具有定量、便携、自动化、实时、准确等特点，可作为促进学生对抽象概念理解的认知工具。因此，教师可以采用手持技术，创新课堂实验，使用多角度、多样化的数据，提高学生对知识的认知。下文以“人体的呼吸”一课为例，结合教材实验融入手持技术，改进并创新实验，开展数字化探究，引导学生自主学习，助推课堂深度教学。

1 模拟胸部呼吸运动的实验

1.1 教材分析

如图1所示，教材实验利用玻璃管模拟气管、支气管，气球模拟肺，玻璃钟罩模拟胸廓，橡皮膜模拟膈肌，进而模拟膈肌对呼吸运动影响的实验。由于大部分初一学生还未接触物理学科，对压强的认识与理解不够，所以学生不能很好地理解胸廓容积与气压的变化对吸气和呼气的影响。因此，需要从实验装置上做出改进，使之更易理解。

1.2 实验改进

1.2.1 模型改进

首先教师通过针筒让学生感受气压的存在和容积与气压的大小关系，然后利用针筒、气球、热熔胶等材料构建模型（图2）。空筒模拟胸廓，气球模拟肺，活塞模拟膈肌。向下拉活塞增大空筒的上、下径意味着膈肌收缩，增大了胸廓的上、下径，增大了空筒的容积，使内部气压减小，意味着增大了胸廓的容积使肺内气压减小，气体进入气球意味着气体进入肺，为吸气，反之则为呼气。该模型清晰地呈现了胸廓上、下径的改变对胸廓容积的影响，从而导致吸气与呼气。

1.2.2 手持技术与模型的结合

不同的学生对气压有不一样的感受，教师利用手持技术，将这种感受用数据具体表现出来，通过前后数据的变化，帮助学生认识气压与容积的关系，更好地理解呼吸运动的原理。如图3所示，将手持分析仪、数据线、压强传感器与改进后的模型依次相连，记录屏幕上针筒内的初始压强值为101.3 kPa。接着向外拉活塞，空筒容积变大，数值变小至88.0 kPa，内部气压变小，气体进入气球，模拟吸气过程；向内推活塞，空筒容积变小，数值变大至143.1 kPa，内部气压变大，气体排出气球，模拟呼气过程。教师通过数值的前后变化，对比分析，使学生一目了然，降低了呼吸運动原理的理解难度。

2 气体成分变化的实验

2.1 教材分析

教材实验如图4所示，用口在装置的呼吸处缓慢吸气与呼气。吸气时用夹子夹紧B试管的橡皮管，呼气时用夹子夹紧A试管的橡皮管，观察A、B两支试管中澄清石灰水的变化情况。结合教材“人体吸入气体、呼出气体成分含量比较”的表格数据，学生可以对实验进行分析。通过澄清石灰水变浑浊可以验证吸入与呼出的气体中含有二氧化碳，但不能准确呈现数据的变化，若能当场测出气体成分前后的变化，则更具有说服力。在操作过程中，此实验装置存在些许不足之处：① 各结构之间的气密性问题；② 在吸气的过程中，管口小导致压力问题不易吸入、呼出气体；③ 学生由于操作不规范，很容易误吸入澄清石灰水，带来安全隐患。因此，手持技术的引入十分必要。

2.2 手持技术与气体成分变化实验的结合

如图5所示，将笔记本、二氧化碳、氧气无线传感器、空瓶等器材连接完毕，观察并记录瓶中二氧化碳与氧气的含量。对准吸管呼气，反复几次，记录瓶中二氧化碳与氧气的数值。通过仪器的使用、数据的增减，气体成分的变化清楚可见，省去了传统实验试剂的准备。融入手持技术后，实验变得准确、精确、实时、可控和可视，使得原本不可见的微观变化，变得数据化、图表化、动态化，让实验的教育功能发挥得更加充分。

3 能量释放与呼吸关系的体验实验

3.1 教材分析

教材实验建议测量学生在安静、迅速起蹲1 min后、休息 5 min 后三种不同状态下每分钟的呼吸次数。通过呼吸次数的变化和用手感受呼出气体的热量变化，感知身体热能的释放，体验能量的释放与呼吸的关系。在呼气的过程中，若采用数据则能直观明了地呈现出温度的变化。

3.2 手持技术与能量释放体验实验的结合

如图6所示，在塑料瓶口、两侧分别开1个小孔，依次装入温度、湿度传感器与吸管，与手持分析仪连接，保证连接处的密封性。记录瓶中初始的温度为26.3℃，空气湿度值为77.3%。往吸管中不断吹气，记录瓶中的温度为30.4℃，空气湿度值为100%。传感器较为灵敏，通过数据分析容易得出呼出的气体中含有热量和水分。该实验同时为呼吸作用表达式的总结提供了一种验证产物的便携、有效的方式，利于学生处理、分析数据，从而得出结论。

4 运动对呼吸的影响实验

4.1 教材分析

教材中通过测定学生肺活量的大小来检测呼吸功能，推测出学生的生长发育和健康水平的状况，进而呼吁学生积极锻炼身体，增加呼吸肌的力量，增加肺活量。在新冠肺炎正流行的大环境下，提高自身的健康素质极为重要。在运动的过程中，心脏的跳动对血液循环至关重要。因此需要通过个人运动前与运动后，不经常运动的学生与经常运动的学生运动前、后心率的比较，用数据直观展示，更好地呼吁学生重视身体健康，强调锻炼的重要性。

4.2 手持技术与运动对呼吸影响实验的结合

肺活量的测定，亦可使用手持技术来完成。将吸管、压强传感器与手持分析仪依次连接，记录初始数值，再用口对准吸管尽最大力量吹气，记录最大数值，两者差值即可表示肺活量的大小。将手持分析仪与心率传感器相连，如图7所示，首先测定学生在安静状态下的心率，接着测定学生运动过后的心率，并记录数据。通过比较发现经常运动的学生，心率略低，但肺活量较大，不经常运动的学生则恰恰相反。因此，通过肺活量与心率的测量比较，更能突出运动对人体的重要作用，让学生养成良好的锻炼习惯，明白“唯有健康的体魄，才能更好地学习”的道理，树立健康、积极、乐观的生活态度。压强、心率传感器可以同时连接手持分析仪，屏幕会分屏显示各自数值，两项活动能同时进行，缩短了实验时间，提高了课堂的有效性。

5 总结

相较于传统实验教学，手持技术的引入丰富了实验教学的手段，以其直观、明了、可视、便携、操作简单等特点，更好地帮助学生理解实验内容与结论，提高学生对生物学学习的兴趣。

与生物学教材原实验相比，利用手持技术的优势有以下几点：① 培养学生的定量思维。生物学的研究经历了从现象到本质，从定性到定量的发展过程，形成了结论丰富的知识体系及人类认识自然现象和规律的一些特有的思维方式和探究方法。通过数据的定量记录、比较与分析，更准确地呈现出呼吸过程中的热量、气体成分、心率的变化等，使结果更有信服力。② 培养学生的数学建模意识。通過手持分析仪自动生成的变化曲线，锻炼学生从坐标曲线处理分析数据，进一步加强了跨学科之间的融合与联系。③ 培养学生的信息素养。手持技术是一种现代化实验手段，将数字传感器与生物实验教学相联系，通过信息技术的运用，为实验数据与结论提供可靠有力的证据与保证。④ 培养学生的科学思维。面对新颖的手持技术，学生会思考“这是什么？用来做什么？为什么要用？怎么使用？”系列问题，将其与传统的实验教学作对比，在不断地思考与探索过程中，逐步养成科学的思维，为科学探究奠定一定的思维基础。

虽然手持技术在一定程度上优化了课堂教学，方便了数据的获取、收集、转化、利用、比较与分析等，但课堂教学不能脱离传统实验，唯有与现代技术相结合，才能使课堂达到最佳效果，才能构建更高质量的课堂。

参考文献：

［1］钱扬义，王立新，林惠梅.手持技术数字化化学实验教学研究：理论构建与创新实践［M］. 北京：科学出版社，2021.

［2］匡廷云，曹慧玲. 生物七年级上册［M］. 江苏凤凰科学技术出版社，2013.

［3］魏明贵.手持技术催化课堂教学之变［J］.中小学数字化教学，2020 （12）：78-81.

［4］中华人民共和国教育部制定.义务教育生物学课程标准［M］北京：北京师范大学出版社，2022.