呼吸傳感器在“肺活量的測定”實驗中的應(yīng)用

蔡三娟

(江蘇省南京市第九初級中學(xué) 210018)

生物學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，生物學(xué)實驗教學(xué)是初中生物學(xué)教學(xué)的重要組成部分。近年來，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，大量的數(shù)字化實驗儀器與手段不斷應(yīng)用于新教材的實驗教學(xué)。生物傳感器作為數(shù)字化實驗儀器也飛速發(fā)展，且因其具有定量測定、精確度高、實驗結(jié)果直觀等優(yōu)勢，已不斷應(yīng)用于中學(xué)生物學(xué)實驗教學(xué)中，使傳統(tǒng)生物學(xué)實驗室無法完成或者完成不好的實驗得到了很好的改進(jìn)。溫度傳感器、二氧化碳傳感器、氧氣傳感器和濕度傳感器在中學(xué)生物學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用已有報道[1～3]。實踐表明，將傳感器應(yīng)用到中學(xué)生物學(xué)實驗教學(xué)中，不僅是教學(xué)手段的創(chuàng)新，更能激發(fā)學(xué)生實驗探究的興趣，進(jìn)一步提高學(xué)生實驗操作能力和生物科學(xué)素養(yǎng)。但到目前為止，這方面的探索還不夠廣泛、深入。本文嘗試應(yīng)用呼吸傳感器代替肺活量儀來完成肺活量測定的實驗，以期不斷創(chuàng)新教學(xué)手段，改進(jìn)傳統(tǒng)生物學(xué)實驗，提高教學(xué)效果。

1 應(yīng)用呼吸傳感器進(jìn)行“肺活量的測定”實驗

蘇教版生物學(xué)七年級下冊“人體與外界環(huán)境的氣體交換”一節(jié)中介紹了人體呼吸的過程及肺活量的測定，教材中安排了一個測量肺活量的實驗，傳統(tǒng)實驗方法是用肺活量測試儀進(jìn)行測定，但存在兩個問題：①在教學(xué)中一般只提供一個肺活量測試儀，由于課堂時間有限，只能讓個別學(xué)生當(dāng)堂測試，不能滿足所有學(xué)生參與的欲望，做不到“面向全體學(xué)生”；②肺活量測試儀最終只能顯示一個數(shù)值，不能反映呼氣的過程及所需的時間，實驗結(jié)果呈現(xiàn)方式較為單一，且每次測得的數(shù)值還需手寫記錄，不能有效保存。利用傳感器的優(yōu)勢，能實現(xiàn)分組實驗，只需短短幾秒鐘即可測出肺活量，操作簡單，且實驗結(jié)果以數(shù)據(jù)和曲線的形式呈現(xiàn)在計算機上，直觀明了，能永久保存。

1.1 實驗器材 計算機、呼吸傳感器、吹嘴、氣流頭、數(shù)據(jù)采集器

1.2 實驗方法 ①連接裝置：將呼吸傳感器與吹嘴和氣流頭連接，再與數(shù)據(jù)采集器、計算機連接；②測定肺活量：打開實驗系統(tǒng)軟件TriE ilab ，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集頁面，設(shè)置數(shù)據(jù)采集時間為5 s，時間間隔為100 ms，添加“呼吸率—時間”曲線，先深吸一口氣，再將嘴巴貼緊吹嘴(鼻子不呼氣)，點擊“開始”按鈕，然后用力一次性吹完一口氣，采集數(shù)據(jù)。測量3次，取最大值。

1.3 結(jié)果與分析 圖1是一位實驗者的肺活量測定曲線。橫坐標(biāo)是時間(s)，縱坐標(biāo)是單位時間呼氣量(L/s)。通過對呼氣過程作積分處理，可得出呼氣時間為3.52 s，呼出的氣體量為2.995 L，即本次測得的肺活量為2995 mL。

應(yīng)用呼吸傳感器能使每位學(xué)生參與實驗，且整個測量過程只需幾分鐘即可完成，得到的數(shù)據(jù)和變化曲線呈現(xiàn)在計算機上，學(xué)生能實時觀察自己測肺活量的過程，對曲線作積分處理，即可算出肺活量，實驗結(jié)果能永久保存。實驗結(jié)束后，教師可統(tǒng)計全班的測定結(jié)果，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生分析性別、年齡、身體狀態(tài)等因素對肺活量的影響。

圖1 人體肺活量的測定曲線

2 應(yīng)用呼吸傳感器對實驗進(jìn)行拓展

在學(xué)生掌握了呼吸運動相關(guān)知識的基礎(chǔ)上，利用呼吸傳感器還能對該實驗進(jìn)行適當(dāng)拓展，如利用呼吸傳感器監(jiān)測呼吸速率、測定呼吸頻率和潮氣量等生理指標(biāo)，進(jìn)一步滿足學(xué)生的求知欲望，提高學(xué)生的實驗操作能力和信息處理能力。

2.1 實驗器材 同1.1。

2.2 實驗方法 ①連接裝置；②測定人體呼吸率：新建采集頁面，設(shè)置數(shù)據(jù)采集時間為1 min，時間間隔為100 ms，添加“呼吸率-時間”曲線，嘴巴貼緊吹嘴，鼻子不呼氣，開始平穩(wěn)呼吸。點擊“開始”按鈕，采集數(shù)據(jù)。

2.3 結(jié)果與分析 ①采集結(jié)束后，界面上會顯示呼吸率隨時間的變化曲線(圖2)，曲線由很多相近的波形組成，說明在靜息狀態(tài)下，人體呼吸速率呈現(xiàn)出有規(guī)律的周期性變化。其中最大呼吸率為0.238 L/s，最小呼吸率為-0.326 L/s；②波形數(shù)量可反映呼吸頻率，圖2中共有18個波形，說明測量者呼吸頻率為每分鐘18次；③對一次呼吸過程中呼氣階段的曲線作積分處理，可計算呼出肺部的氣體量(圖3)，寬度表示吸氣時間為1.38 s，積分表示呼出氣體量為0.278 L，進(jìn)而計算出測量者的潮氣量為5.56 mL/kg(假設(shè)測量者體重為50 kg)。實驗結(jié)束后，教師可及時對全班測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，便于學(xué)生之間相互了解，還可引導(dǎo)學(xué)生分析影響呼吸率等的因素。

圖2 人體呼吸率隨時間的變化曲線

3 應(yīng)用呼吸傳感器開展數(shù)字化實驗的優(yōu)勢

利用呼吸傳感器代替肺活量測試儀來完成肺活量的測定，是將傳統(tǒng)實驗轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化實驗，其獨特的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

圖3 一次呼吸過程中呼出的氣體量

3.1 提高學(xué)生信息素養(yǎng) 生物數(shù)字化實驗平臺是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機和實驗軟件三部分構(gòu)成，傳感器能把實驗中測量的信息通過數(shù)據(jù)采集器處理后上傳到計算機，再運用計算機上實驗系統(tǒng)軟件的強大信息處理功能來處理和分析數(shù)據(jù)，從而達(dá)到傳統(tǒng)實驗器材無法實現(xiàn)的功效。這就要求學(xué)生掌握傳感器的功能、硬件連接方式、數(shù)據(jù)采集原理、數(shù)據(jù)分析軟件的使用等，并對獲得的信息進(jìn)行加工和應(yīng)用，所以生物數(shù)字化實驗的開展，不僅能有效促進(jìn)實驗教學(xué)，還能進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)。

3.2 使實驗結(jié)果更加直觀 傳感器的使用不僅改變了以往傳統(tǒng)的實驗方法，更是利用數(shù)字、圖表等直觀的數(shù)據(jù)反映出實驗的結(jié)果。在實驗過程中，學(xué)生在電腦上可直觀地看到自己呼吸的過程，從圖像上感受自己呼吸的規(guī)律，還能實時看到呼吸速率數(shù)值的變化。實驗結(jié)束后，對圖像進(jìn)行相應(yīng)的分析處理，可計算肺活量等生理指標(biāo)，實驗結(jié)果也能永久保存下來。

3.3 拓展學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容 學(xué)生在學(xué)習(xí)了呼吸運動相關(guān)知識后，可通過數(shù)字化實驗進(jìn)一步拓寬視野，提高對知識的運用能力。肺活量測試儀只能測定肺活量，而呼吸傳感器不僅能測定肺活量，還能測定呼吸速率、呼吸頻率和潮氣量等生理指標(biāo)，這些指標(biāo)貼近生活，且該實驗是在學(xué)生具有一定的知識儲備的基礎(chǔ)上開展的，符合學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，也能激發(fā)學(xué)生的求知欲望，進(jìn)一步提高學(xué)生運用知識解決實際問題的能力。