傳感器在“人體吸入與呼出氣體的差異”教學中的應用

袁 誼 劉福花

(北京市高井中學 100041)

1 設計思路

本節課為北京版生物學七年級教材第六章第一節“人的呼吸”中的內容。課前調查發現，學生對人體呼吸的認識存在很多誤區[1]。由于學生缺少“空氣成分”的化學知識，而傳統生物學實驗“觀察驗證呼出的氣體中含有較多的CO2”僅測定呼出氣體中的CO2，不能解決“呼出氣體中同樣含有O2”等問題。因此，教學中常用的方法是教師展示“空氣與人體呼出氣體的主要成分”數據資料，引導學生分析、比較。本次教學在傳統實驗的基礎上，指導學生使用傳感器來采集和比較“人體吸入與呼出氣體”的相關數據，通過動手實踐，獲得事實和數據，消除錯誤的認識，形成科學概念，培養學生的實驗能力和數據處理、分析能力，使學生感受現代科學技術發展對實驗方法帶來的改變，激發探究興趣。

2 “人體吸入與呼出氣體的差異”實驗

2.1 實驗過程 應用朗威DISLab7.0數據采集器、O2傳感器、CO2傳感器、溫度傳感器、相對濕度傳感器、保鮮袋、乳膠管、止水夾、皮筋等。實驗步驟如下：

(1)測定空氣中的O2、CO2含量和溫度與相對濕度。將O2傳感器、CO2傳感器、溫度傳感器和相對濕度傳感器與數據采集器及計算機相連，進入V7.1實驗軟件系統。點擊“通用軟件”，系統自動識別所接入的傳感器，并顯示當前環境中的O2、CO2含量和溫度與相對濕度。

(2)測定呼出氣體中的O2、CO2含量和溫度與相對濕度。①氣體收集袋的制作：用剪刀剪開保鮮袋封口處的一角，將乳膠管置于其中，并用皮筋扎緊。在乳膠管露出部分夾上止水夾，管口套上一次性吸管。再將上述四種傳感器置于保鮮袋中，通過按壓排出袋內空氣，用皮筋扎緊袋口；②呼出氣體的收集方法：打開實驗系統，當顯示的4個通道數值穩定后，打開止水夾，對保鮮袋吹氣，至保鮮袋鼓起，然后關上止水夾。注意吹氣方法：深吸氣后立刻勻速呼出氣體，不憋氣；③數據采集記錄：繼續觀察和采集數據。等2 min，待數據顯示穩定后保存實驗圖像并記錄數據。重復上述步驟2～3次，取平均值。

2.2 實驗數據分析與討論 將12組學生的實驗數據匯總，獲得的平均值如表1所示。實驗數據顯示：呼出的氣體與吸入氣體相比較，O2含量減少2.6%，CO2含量增加了25235 PPM(10-6),約2.5%，說明人體在生命活動過程中從空氣中獲取O2，并產生了CO2；溫度上升了1.9℃，說明在環境溫度低于人體溫度的情況下，人體對呼出氣體加溫；相對濕度增加了44.1%，說明呼吸過程還是一個排出體內水分的途徑。

表1 人體吸入與呼出氣體的差別數據統計分析

由于沒有直接記錄空氣中水蒸氣含量的傳感器，本實驗記錄的是空氣中的相對濕度，需明確告知學生不能將相對濕度計算入空氣的體積分數，但可以通過數據的增長值確定呼出氣體含有更多的水分[2]。

同時，學生認識到：呼出的氣體中也含有O2，并且O2的含量仍然大于CO2的含量，從而摒除了課前錯誤的想法。

3 “探究憋氣時間長短與呼出氣體含氧量關系”實驗

3.1 實驗過程 應用朗威DISLab7.0數據采集器、O2傳感器、保鮮袋等。實驗步驟如下：

(1)呼氣裝置連接 制作氣體收集袋(如實驗1)，將O2傳感器置于其中，并與數據采集器和電腦相連接，進入實驗系統，點擊“生化專用軟件”，選擇對應的實驗題目。

(2)憋氣時間設定 學生根據自身情況設定憋氣時間，例如每隔10 s，從0～60 s等，將本組設定的憋氣時間輸入表格。

(3)數據采集記錄 點擊實驗界面的“開始實驗”。盡力吸入氣體后，按照憋氣時間向氣體收集袋內勻速呼出全部氣體，等示數穩定后點擊“記錄數據”。改變憋氣時間，重復實驗步驟，需注意每次實驗前需排盡袋內的氣體。待實驗完畢后點擊“T-O2圖像”，實驗系統便會自動生成憋氣時間與呼出氣體含氧量關系的折線圖。

3.2 實驗數據分析與討論 實驗環境中的O2的含量為20.8%，學生的實驗數據顯示：憋氣時間越長，呼出氣體含氧量越低。這說明人的呼吸需要消耗O2，憋氣的時間越長，氣體交換的越充分。

本實驗是對實驗1的拓展，由于在研究“人體吸入與呼出氣體的差異”時，教師讓學生呼出氣體時注意不憋氣，學生很容易對此產生疑問。通過該實驗，學生能自主發現改變憋氣時間會影響氣體交換的效果。那么在實驗1中如果不規定呼氣的方式，會對實驗結果造成較大的誤差。