手持技術(shù)在“人體的呼吸”一課中的創(chuàng)新運(yùn)用

費(fèi)曉艷 陸曉金

摘 要 利用手持技術(shù)開(kāi)展“人體的呼吸”一課中相關(guān)的探究性實(shí)驗(yàn)，在生物學(xué)教材基礎(chǔ)上創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)壓強(qiáng)、溫度、濕度、心率等傳感器，結(jié)合模型構(gòu)建，測(cè)定呼吸過(guò)程中各成分與各結(jié)構(gòu)的變化。教師嘗試將數(shù)字化技術(shù)與科學(xué)探究相結(jié)合，將實(shí)驗(yàn)由定性觀察轉(zhuǎn)為定量分析，透過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從數(shù)據(jù)視角，追尋科學(xué)本質(zhì)。在改進(jìn)課堂教學(xué)模式的同時(shí)，助力學(xué)生高階思維的形成，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的發(fā)生，從而提升課堂的效度與信度，為中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供一定的參考。

關(guān)鍵詞 手持技術(shù) 人體的呼吸 定量分析 傳感器 創(chuàng)新教學(xué)

中圖分類號(hào) Ｇ633. 91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

“人體的呼吸”選自蘇科版初中生物學(xué)教材七年級(jí)上冊(cè)第七章第二節(jié)，依據(jù)《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》 （以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》），是位于第五個(gè)一級(jí)主題“人體生理與健康”下的第五個(gè)重要概念“人體的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)，各系統(tǒng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，共同完成復(fù)雜的生命活動(dòng)”中的重要內(nèi)容?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》要求學(xué)生能夠設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，探究人體生理與健康的問(wèn)題，初步形成結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)，從而形成生命觀念，樹(shù)立正確、積極的生活價(jià)值觀。但教材中關(guān)于呼吸的實(shí)驗(yàn)只是停留在表面觀察與體驗(yàn)，未能體現(xiàn)從定性到定量的特點(diǎn)，不能幫助學(xué)生的理解從現(xiàn)象發(fā)展到本質(zhì)。

隨著科技的進(jìn)步和教育技術(shù)水平的提高，教師越來(lái)越重視推進(jìn)課堂現(xiàn)代化信息技術(shù)與教學(xué)的深度融合。手持技術(shù)作為一種信息技術(shù)，能自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為直觀的曲線，具有定量、便攜、自動(dòng)化、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確等特點(diǎn)，可作為促進(jìn)學(xué)生對(duì)抽象概念理解的認(rèn)知工具。因此，教師可以采用手持技術(shù)，創(chuàng)新課堂實(shí)驗(yàn)，使用多角度、多樣化的數(shù)據(jù)，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的認(rèn)知。下文以“人體的呼吸”一課為例，結(jié)合教材實(shí)驗(yàn)融入手持技術(shù)，改進(jìn)并創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展數(shù)字化探究，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，助推課堂深度教學(xué)。

1 模擬胸部呼吸運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)

1.1 教材分析

如圖1所示，教材實(shí)驗(yàn)利用玻璃管模擬氣管、支氣管，氣球模擬肺，玻璃鐘罩模擬胸廓，橡皮膜模擬膈肌，進(jìn)而模擬膈肌對(duì)呼吸運(yùn)動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)。由于大部分初一學(xué)生還未接觸物理學(xué)科，對(duì)壓強(qiáng)的認(rèn)識(shí)與理解不夠，所以學(xué)生不能很好地理解胸廓容積與氣壓的變化對(duì)吸氣和呼氣的影響。因此，需要從實(shí)驗(yàn)裝置上做出改進(jìn)，使之更易理解。

1.2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

1.2.1 模型改進(jìn)

首先教師通過(guò)針筒讓學(xué)生感受氣壓的存在和容積與氣壓的大小關(guān)系，然后利用針筒、氣球、熱熔膠等材料構(gòu)建模型（圖2）?？胀材M胸廓，氣球模擬肺，活塞模擬膈肌。向下拉活塞增大空筒的上、下徑意味著膈肌收縮，增大了胸廓的上、下徑，增大了空筒的容積，使內(nèi)部氣壓減小，意味著增大了胸廓的容積使肺內(nèi)氣壓減小，氣體進(jìn)入氣球意味著氣體進(jìn)入肺，為吸氣，反之則為呼氣。該模型清晰地呈現(xiàn)了胸廓上、下徑的改變對(duì)胸廓容積的影響，從而導(dǎo)致吸氣與呼氣。

1.2.2 手持技術(shù)與模型的結(jié)合

不同的學(xué)生對(duì)氣壓有不一樣的感受，教師利用手持技術(shù)，將這種感受用數(shù)據(jù)具體表現(xiàn)出來(lái)，通過(guò)前后數(shù)據(jù)的變化，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)氣壓與容積的關(guān)系，更好地理解呼吸運(yùn)動(dòng)的原理。如圖3所示，將手持分析儀、數(shù)據(jù)線、壓強(qiáng)傳感器與改進(jìn)后的模型依次相連，記錄屏幕上針筒內(nèi)的初始?jí)簭?qiáng)值為101.3 kPa。接著向外拉活塞，空筒容積變大，數(shù)值變小至88.0 kPa，內(nèi)部氣壓變小，氣體進(jìn)入氣球，模擬吸氣過(guò)程；向內(nèi)推活塞，空筒容積變小，數(shù)值變大至143.1 kPa，內(nèi)部氣壓變大，氣體排出氣球，模擬呼氣過(guò)程。教師通過(guò)數(shù)值的前后變化，對(duì)比分析，使學(xué)生一目了然，降低了呼吸運(yùn)動(dòng)原理的理解難度。

2 氣體成分變化的實(shí)驗(yàn)

2.1 教材分析

教材實(shí)驗(yàn)如圖4所示，用口在裝置的呼吸處緩慢吸氣與呼氣。吸氣時(shí)用夾子夾緊B試管的橡皮管，呼氣時(shí)用夾子夾緊A試管的橡皮管，觀察A、B兩支試管中澄清石灰水的變化情況。結(jié)合教材“人體吸入氣體、呼出氣體成分含量比較”的表格數(shù)據(jù)，學(xué)生可以對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析。通過(guò)澄清石灰水變渾濁可以驗(yàn)證吸入與呼出的氣體中含有二氧化碳，但不能準(zhǔn)確呈現(xiàn)數(shù)據(jù)的變化，若能當(dāng)場(chǎng)測(cè)出氣體成分前后的變化，則更具有說(shuō)服力。在操作過(guò)程中，此實(shí)驗(yàn)裝置存在些許不足之處：① 各結(jié)構(gòu)之間的氣密性問(wèn)題；② 在吸氣的過(guò)程中，管口小導(dǎo)致壓力問(wèn)題不易吸入、呼出氣體；③ 學(xué)生由于操作不規(guī)范，很容易誤吸入澄清石灰水，帶來(lái)安全隱患。因此，手持技術(shù)的引入十分必要。

2.2 手持技術(shù)與氣體成分變化實(shí)驗(yàn)的結(jié)合

如圖5所示，將筆記本、二氧化碳、氧氣無(wú)線傳感器、空瓶等器材連接完畢，觀察并記錄瓶中二氧化碳與氧氣的含量。對(duì)準(zhǔn)吸管呼氣，反復(fù)幾次，記錄瓶中二氧化碳與氧氣的數(shù)值。通過(guò)儀器的使用、數(shù)據(jù)的增減，氣體成分的變化清楚可見(jiàn)，省去了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)試劑的準(zhǔn)備。融入手持技術(shù)后，實(shí)驗(yàn)變得準(zhǔn)確、精確、實(shí)時(shí)、可控和可視，使得原本不可見(jiàn)的微觀變化，變得數(shù)據(jù)化、圖表化、動(dòng)態(tài)化，讓實(shí)驗(yàn)的教育功能發(fā)揮得更加充分。

3 能量釋放與呼吸關(guān)系的體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)

3.1 教材分析

教材實(shí)驗(yàn)建議測(cè)量學(xué)生在安靜、迅速起蹲1 min后、休息 5 min 后三種不同狀態(tài)下每分鐘的呼吸次數(shù)。通過(guò)呼吸次數(shù)的變化和用手感受呼出氣體的熱量變化，感知身體熱能的釋放，體驗(yàn)?zāi)芰康尼尫排c呼吸的關(guān)系。在呼氣的過(guò)程中，若采用數(shù)據(jù)則能直觀明了地呈現(xiàn)出溫度的變化。

3.2 手持技術(shù)與能量釋放體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的結(jié)合

如圖6所示，在塑料瓶口、兩側(cè)分別開(kāi)1個(gè)小孔，依次裝入溫度、濕度傳感器與吸管，與手持分析儀連接，保證連接處的密封性。記錄瓶中初始的溫度為26.3℃，空氣濕度值為77.3%。往吸管中不斷吹氣，記錄瓶中的溫度為30.4℃，空氣濕度值為100%。傳感器較為靈敏，通過(guò)數(shù)據(jù)分析容易得出呼出的氣體中含有熱量和水分。該實(shí)驗(yàn)同時(shí)為呼吸作用表達(dá)式的總結(jié)提供了一種驗(yàn)證產(chǎn)物的便攜、有效的方式，利于學(xué)生處理、分析數(shù)據(jù)，從而得出結(jié)論。

4 運(yùn)動(dòng)對(duì)呼吸的影響實(shí)驗(yàn)

4.1 教材分析

教材中通過(guò)測(cè)定學(xué)生肺活量的大小來(lái)檢測(cè)呼吸功能，推測(cè)出學(xué)生的生長(zhǎng)發(fā)育和健康水平的狀況，進(jìn)而呼吁學(xué)生積極鍛煉身體，增加呼吸肌的力量，增加肺活量。在新冠肺炎正流行的大環(huán)境下，提高自身的健康素質(zhì)極為重要。在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，心臟的跳動(dòng)對(duì)血液循環(huán)至關(guān)重要。因此需要通過(guò)個(gè)人運(yùn)動(dòng)前與運(yùn)動(dòng)后，不經(jīng)常運(yùn)動(dòng)的學(xué)生與經(jīng)常運(yùn)動(dòng)的學(xué)生運(yùn)動(dòng)前、后心率的比較，用數(shù)據(jù)直觀展示，更好地呼吁學(xué)生重視身體健康，強(qiáng)調(diào)鍛煉的重要性。

4.2 手持技術(shù)與運(yùn)動(dòng)對(duì)呼吸影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)合

肺活量的測(cè)定，亦可使用手持技術(shù)來(lái)完成。將吸管、壓強(qiáng)傳感器與手持分析儀依次連接，記錄初始數(shù)值，再用口對(duì)準(zhǔn)吸管盡最大力量吹氣，記錄最大數(shù)值，兩者差值即可表示肺活量的大小。將手持分析儀與心率傳感器相連，如圖7所示，首先測(cè)定學(xué)生在安靜狀態(tài)下的心率，接著測(cè)定學(xué)生運(yùn)動(dòng)過(guò)后的心率，并記錄數(shù)據(jù)。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)經(jīng)常運(yùn)動(dòng)的學(xué)生，心率略低，但肺活量較大，不經(jīng)常運(yùn)動(dòng)的學(xué)生則恰恰相反。因此，通過(guò)肺活量與心率的測(cè)量比較，更能突出運(yùn)動(dòng)對(duì)人體的重要作用，讓學(xué)生養(yǎng)成良好的鍛煉習(xí)慣，明白“唯有健康的體魄，才能更好地學(xué)習(xí)”的道理，樹(shù)立健康、積極、樂(lè)觀的生活態(tài)度。壓強(qiáng)、心率傳感器可以同時(shí)連接手持分析儀，屏幕會(huì)分屏顯示各自數(shù)值，兩項(xiàng)活動(dòng)能同時(shí)進(jìn)行，縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高了課堂的有效性。

5 總結(jié)

相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，手持技術(shù)的引入豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的手段，以其直觀、明了、可視、便攜、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，更好地幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)論，提高學(xué)生對(duì)生物學(xué)學(xué)習(xí)的興趣。

與生物學(xué)教材原實(shí)驗(yàn)相比，利用手持技術(shù)的優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：① 培養(yǎng)學(xué)生的定量思維。生物學(xué)的研究經(jīng)歷了從現(xiàn)象到本質(zhì)，從定性到定量的發(fā)展過(guò)程，形成了結(jié)論豐富的知識(shí)體系及人類認(rèn)識(shí)自然現(xiàn)象和規(guī)律的一些特有的思維方式和探究方法。通過(guò)數(shù)據(jù)的定量記錄、比較與分析，更準(zhǔn)確地呈現(xiàn)出呼吸過(guò)程中的熱量、氣體成分、心率的變化等，使結(jié)果更有信服力。② 培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)學(xué)建模意識(shí)。通過(guò)手持分析儀自動(dòng)生成的變化曲線，鍛煉學(xué)生從坐標(biāo)曲線處理分析數(shù)據(jù)，進(jìn)一步加強(qiáng)了跨學(xué)科之間的融合與聯(lián)系。③ 培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)。手持技術(shù)是一種現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)手段，將數(shù)字傳感器與生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)相聯(lián)系，通過(guò)信息技術(shù)的運(yùn)用，為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)論提供可靠有力的證據(jù)與保證。④ 培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。面對(duì)新穎的手持技術(shù)，學(xué)生會(huì)思考“這是什么？用來(lái)做什么？為什么要用？怎么使用？”系列問(wèn)題，將其與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)作對(duì)比，在不斷地思考與探索過(guò)程中，逐步養(yǎng)成科學(xué)的思維，為科學(xué)探究奠定一定的思維基礎(chǔ)。

雖然手持技術(shù)在一定程度上優(yōu)化了課堂教學(xué)，方便了數(shù)據(jù)的獲取、收集、轉(zhuǎn)化、利用、比較與分析等，但課堂教學(xué)不能脫離傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，唯有與現(xiàn)代技術(shù)相結(jié)合，才能使課堂達(dá)到最佳效果，才能構(gòu)建更高質(zhì)量的課堂。

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