肺通气模型的优化与改进

陆晓金

江苏省昆山开发区青阳港学校(215300)

肺通气是指肺与外界环境进行气体交换的过程,包括吸气与呼气两部分。通过肋间肌与膈肌有规律地收缩与舒张,使得胸廓的容积扩大或缩小,导致肺内气压的变小或变大,以此建立肺内气压与大气压之间的压力差,使空气进入肺,又使废弃排出体外,从而维持肺通气。该知识点源于北师大版初中生物学七年级下册第10章“人体的能量供应”第2节“人体细胞获得氧气的过程”。依据《新课程标准(2022年版)》,属于一级主题“人体生理与健康”下的重要内容。肺通气的原理学生不易理解,需结合学生的生活经验,通过模型或实物展示、材料分析、探究实验等活动形式,引导学生识别和推断人体各系统相应结构的功能,帮助其初步形成结构与功能相适应的观念[1]。如图1所示,教材以肺通气模型1演示肋间肌的舒张与收缩引起肋骨和胸骨的运动。如图2所示,以肺通气模型2来模拟膈肌运动引起胸廓容积的改变。通过两个模型的分步演示,对学生理解肺通气原理有一定的积极作用,但也存在一些问题:①针对模拟肋间肌收缩与舒张对肺通气影响的模型,能通过跨学科数学对面积的计算,让学生感受容积的变大,但局限于平面,不能立体、直观地呈现出胸廓前后、左右径的变大,导致胸廓容积的扩大;②对于模拟膈肌对肺通气影响的模型,课堂上使用的是玻璃钟罩,但对初一学生来说太厚重,操作时手握不住易掉落而碎;③从学生的认知角度出发,七年级没有学过物理,不易理解气压与容积大小的关系,两个模型也没有体现出两者的关系;④吸气与呼气是个连贯的动作,而这两个装置却独立呈现,分开模拟,不符合实际。基于以上问题,需要优化改进模型,使之更好地将人体肺通气时各结构的变化呈现在学生面前,使学生更好地理解肺通气的原理。

图1 教材肺通气模型1

图2 教材肺通气模型2

1 肋间肌对肺通气影响模型的改进

1.1 材料

塑料圆环数个、铜丝2根、橡皮筋若干等。

1.2 安装步骤

首先将铜丝绕成如图3(a)所示形状,然后将塑料圆环依次穿过铜丝绕成的小孔,如图3(b)所示,并加以固定;最后,如图3(c)所示,在两两塑料圆环之间用橡皮筋连接起来,装置效果如图3(d)所示。

图3 肋间肌对肺通气影响模型的改进装置图

1.3 方法与现象

用塑料圆环模拟肋骨,铜丝模拟胸骨与脊柱,圆环间的橡皮筋则模拟肋间肌。向上拉动橡皮筋,模拟肋间肌收缩,胸骨向上,俯视可以看到是胸廓的前后径、左右径变大,才导致胸廓容积的扩大,肺内气压变小,此时模拟吸气,反之则模拟呼气过程。

1.4 改进优点

此装置能化平面为立体,多方位多角度地呈现出肋间肌收缩与舒张时肋骨、胸廓前后径、左右径及容积的运动变化,促进对呼吸运动原理的理解。

2 膈肌对肺通气影响模型的优化

2.1 材料

容积为4 L的矿泉水瓶1个、小气球2个、大气球1个、Y形玻璃管1个、剪刀、热熔胶、橡皮筋等。

2.2 安装步骤

如图4所示,首先用剪刀将矿泉水瓶的底部剪去,再将大气球的底部(下文称之为“气球膜”)剪下备用;接着,用橡皮筋将小气球固定在Y形玻璃管的2个分支上;然后,把Y形玻璃管的管口穿过矿泉水瓶盖上的小孔,并在缝隙处用热熔胶加以密封固定;最后,将气球膜套住矿泉水瓶的底部开口,装置效果如图4(e)所示。

图4 膈肌对肺通气影响模型的优化图

2.3 方法与现象

用气球模拟肺,Y形玻璃管模拟气管与支气管,矿泉水瓶模拟胸廓,气球膜模拟膈肌。用矿泉水瓶代替玻璃钟罩,减轻重量的同时,而且能避免钟罩易碎的情况。用气球膜代替橡皮膜,由于气球底部有突起,因此比橡皮膜能更好地上下推拉。当向下拉气球膜时(模拟膈肌收缩下降),矿泉水瓶上下径增大,导致容积增大,气体进入小气球(模拟胸廓上下径增大,容积增大,气压减小,外界气体进入肺),此时模拟吸气状态,反之则为呼气状态。

2.4 改进优点

用矿泉水瓶代替玻璃钟罩,减轻重量的同时,而且能避免易碎的情况。用气球膜代替橡皮膜,由于气球底部有突起,因此比橡皮膜能更好地上下推拉,以便于更好地操作。

3 肋间肌与膈肌对肺通气影响模型的组合

3.1 材料

增加的材料有定滑轮、细线、解剖针等。

3.2 安装步骤

如图5所示,首先将模拟肋间肌对肺通气影响的实验装置放进矿泉水瓶适当的位置,用记号笔做好标记,再用解剖针在合适的位置上打几个小孔;然后,用铜丝穿过背面小孔将模拟肋间肌对肺通气影响实验的装置固定在矿泉水瓶内,再用热熔胶加以固定;接着,在矿泉水瓶的正面选取适当位置,用解剖针打一小孔,将细线与塑料圆环系在一起,前端穿过小孔并拉出。再选择合适的位置通过定滑轮放好细线,最后装好气球膜,装置效果如图5(d)所示。

图5 肋间肌与膈肌对肺通气影响模型的组合图

3.3 方法与现象

同时下拉细线与气球膜,发现能同时模拟膈肌、肋间肌的收缩对胸廓扩大的变化,从而模拟吸气运动;反之上推细线与气球膜,则能同时模拟膈肌、肋间肌的舒张对胸廓缩小的变化,从而导致呼气运动。

3.4 改进优点

此装置的改进能同时模拟肋间肌与膈肌对呼吸运动的影响,状态清晰,便于学生观察,使之更加符合人体的构造特点。

4 手持技术的引入

4.1 材料

增加的材料有手持技术压强传感器等。

4.2 安装步骤

如图6所示,在矿泉水瓶盖上开一小孔,将压强传感器的一端伸入瓶内,另一端与显示屏相连。

图6 压强传感器与模型的组合图

4.3 方法与现象

由于矿泉水瓶通过Y形玻璃管与外界相通,所以待数据稳定时,瓶内、外气压相同,如图6(a)所示,屏幕显示数值为99.4 kPa。当同时下拉细线与气球膜,此时模拟胸廓容积在扩大,但数值却在变小,如图6(b)所示,屏幕显示数值由99.4 kPa慢慢减小到98.4 kPa。接着松开细线,上推气球膜,模拟胸廓容积变小,此时能清楚地看到仪器屏幕上的数值在变大,如图6(c)所示,屏幕显示数值由98.4 kPa慢慢增加到101.0 kPa。通过引入手持技术压强传感器,可以很好地展现出气压与容积的关系,将定性实验定量化,使之更具有说服力。

4.4 改进优点

通过引入手持技术压强传感器,可以很好地展现出气压与容积的关系,将定性实验定量的通过数据展现在学生面前,使之更具有说服力,更易理解。

5 小结

通过再次改进后的实验装置,将膈肌与肋间肌对肺通气影响的装置组合在一起,能同时展现出两者的收缩与舒张对胸廓容积的变化,从而让学生更好地理解容积大小与气压的关系。相信在对教具不断改进的过程中,能让学生纠正自己的潜意识并更好地理解:膈肌与肋间肌的收缩与舒张,导致胸廓容积的扩大或缩小,才引起了吸气与呼气,完成肺通气的过程。在实验模型构建的过程中,皆由学生和教师共同配合完成,让学生真正参与到学习活动中去,理解基本概念,增强动手能力,手脑并用,做学合一[2]。