“發生在肺內的氣體交換”的概念教學策略*

趙廣宇 張 良 汪紹鑫

（成都市石室中學 四川成都 610041）

“發生在肺內的氣體交換”這部分內容，在《義務教育生物學課程標準（2011年版）》中提出的要求是，幫助學生構建重要概念“呼吸系統包括呼吸道和肺，其功能是從大氣中攝取代謝所需的氧氣，排出代謝所產生的二氧化碳”，具體要求學生能“概述發生在肺部及組織細胞處的氣體交換過程”［1］。本節教學內容選自人教版《生物學》7年級下冊第3 章第2 節的“發生在肺內的氣體交換”，教材中包括“肺與外界的氣體交換”和“肺泡與血液的氣體交換”2 個部分的內容，本節課的教學任務是完成“肺與外界的氣體交換”，引導學生構建“肺通氣”的概念。

學生學習“肺通氣”的知識有很大難度：首先，學生沒有學習運動系統的知識，導致認識胸腔、胸廓等有一定困難，對理解呼吸運動的結構基礎造成障礙；其次，缺乏物理學知識，難以理解在呼吸運動中胸腔容積變化引起的肺內壓變化，也就無法理解“肺通氣”的原理。針對初中學生學習“肺通氣”的難點，本節課在引導學生體驗生命現象的基礎上，通過模型構建、模擬實驗等形式，認識肺通氣的結構基礎，理解肺通氣的物理學原理，以達成“肺通氣”概念的自主構建。

1 概念體系

為幫助學生理解呼吸運動的原理，自主構建“肺通氣”的概念，本節課以“肺泡與外界之間的氣體交換即肺通氣”為中心，構建如下的概念體系：

A．呼吸道、肺泡和胸廓是實現外界環境與肺泡之間氣體交換的結構基礎

A1.呼吸道是外界環境與肺泡之間的氣體通道

A2.胸廓與呼吸肌參與呼吸運動

A2.1 胸廓由胸骨、肋骨和胸椎共同組成

A2.2 呼吸肌包括肋骨之間分布的肋間肌、胸廓底部分布的膈肌等

A3.肺泡是實現外界氣體與體內氣體交換的場所

B．呼吸運動是肺通氣的動力來源

B1.呼吸運動是呼吸肌的收縮和舒張引起的胸廓節律性擴大和縮小

B2.呼吸運動會增大或縮小胸腔的容積，導致肺泡內壓力改變

B3.肺泡內壓力與外界大氣壓的壓力差導致氣體進出肺泡，實現肺通氣

2 學習目標

1）說明人體呼吸的過程；概述肺與外界的氣體交換（肺通氣）過程；概述呼吸運動與肺通氣的機理。

2）通過感受自身呼吸活動時胸廓的變化，探討呼吸運動的原理；運用物理模型模擬呼吸運動，闡釋肺通氣的原理。

3）基于生命現象的觀察，概括出呼吸運動的概念；以物理模型的模擬活動為基礎，推理得出肺通氣的原理。

4）運用呼吸運動的原理，嘗試掌握人工呼吸的基本方法；認同結構與功能相適應的生命觀念。

3 設計思路

學生學習“肺與外界的氣體交換”，其重點是在學習呼吸運動過程的基礎上，理解肺通氣的原理；難點是認識肺泡與外界環境的壓力差是肺通氣的直接動力。為幫助學生解決學習中的難點，真正理解概念的內涵，本節課的教學設計突出以下特點：①建立知識的系統性，在認識人體呼吸全過程的基礎上，厘清“肺通氣”與人體呼吸的關系；②通過觀察人體骨骼模型、胸廓結構圖等方式，認識呼吸運動的結構基礎，樹立結構與功能相適應的觀點；③通過體驗自身吸氣及呼氣過程中胸廓的變化、物理模型的模擬實驗等活動，感受容器的容積與壓力變化之間的關系，進而領悟呼吸運動與肺通氣的機理。

學生通過觀察模型、體驗生命現象、模擬實驗等多樣化的學習活動，探究“呼吸運動”與“肺通氣”的原理，并歸納、概括出“肺通氣”的概念，進而建立“結構與功能相適應”的生命觀念。

4 教學過程

4.1 復習呼吸系統結構，構建“呼吸”的概念 教師引導學生識別呼吸系統的結構圖，再現并鞏固對呼吸系統結構的整體認識，進而提出問題：呼吸系統具有什么功能？（學生答：呼吸。）教師追問：什么是呼吸？學生紛紛通過深呼吸的動作表示：呼吸就是人體的吸氣與呼氣。

這表明學生有關呼吸的前概念是不準確的。此時，教師呈現表示“內呼吸”“氣體在血液中的運輸”“外呼吸”全過程的示意圖，引導學生按圖索驥，從機體耗氧與產生二氧化碳的場所——細胞出發，認清人體細胞與外界進行氣體交換的全過程，并認識呼吸系統的功能（圖1）。

圖1 呼吸系統的功能

進而建立人體呼吸的概念：指機體與外界環境之間氣體交換的過程，包括3 個相互聯系的環節。在此基礎上，教師提出本節課的學習課題：肺與外界的氣體交換。

4.2 感受呼吸運動現象，模型構建“胸廓”的概念 教師首先提出問題：大家能感受到肺與外界的氣體交換嗎？學生再次以深呼吸的動作表示感受到氣體在進、出呼吸道。教師引導：能否舉例證明，外界氣體確實進入呼吸道了？學生略作思考后舉例：辛辣的氣體進入呼吸道引起咳嗽；冷空氣進入呼吸道會刺激氣管或者支氣管，導致咳嗽或其他不適等。

教師再次提問：氣體為什么能進、出呼吸道？（學生答：人用力吸或呼。）教師追問：吸氣、呼氣的力從哪里來？學生顯然無法回答這個問題。

教師引導學生緩慢進行吸氣、呼氣的動作，同時將雙手放在胸前及軀干兩側，感受身體發生的變化。學生反復多次后表示：在吸氣時，胸部好像向上、向外動；呼氣時發生相反的變化。有的學生表示：呼吸時，腹部擴張或收縮。由此說明，學生通過感受呼吸運動現象，體驗到胸廓的變化。

教師提出學習任務：吸氣、呼氣與機體哪些結構有關？然后出示胸廓結構模式圖，引導學生認識胸腔、胸廓的結構組成，建立胸腔與胸廓的概念（圖2）。

圖2 胸腔與胸廓的結構組成

教師要求學生運用所學習的胸廓相關結構術語，描述吸氣、呼氣時相關結構的變化，學生基本都能使用術語進行準確描述，從而為學習呼吸運動原理奠定結構基礎。

4.3 開展模擬實驗，探究“肺通氣”的原理 教師給每個2 人小組發放模擬實驗1 的裝置：模擬胸腔的模型（圖3）。要求學生：想辦法使模型中的氣球膨脹。多數學生很自然地通過吸管以吹氣的方式使氣球膨脹（圖4）；少數學生則觀察到模型底部有橡皮膜，在嘗試玩耍時發現，向下拉橡皮膜也可使氣球膨脹（圖5）。

圖3 模擬胸腔模型

圖4 學生吹氣使氣球膨脹

圖5 學生拉橡皮

教師進一步要求學生猜測：外界氣體進入人體肺泡的原理，可能與氣球膨脹的哪種方式相似？盡管學生探索出有2 種方法使氣球膨脹，但絕大多數學生仍想當然地認為：氣體是吹入肺內的。雖有部分學生反對，但因無法說明原理，不能說服其他學生。最后，有的學生指出：往里吹氣的方法有點類似于人工呼吸，必須要借助外力才能實現。而正常呼吸時，是沒有外力將外界氣體吹入肺內的。這個觀點得到學生的普遍認可，但大家對吸（呼）氣的原理仍感困惑，即橡皮膜下拉為何能使氣球充氣？

教師帶領學生完成模擬實驗2：①推、拉活塞芯桿，將紅色溶液排出、吸入注射器；②觀察在液體進、出注射器與針筒內容積變化的關系；③空注射器狀態下，在推、拉活塞芯桿時，分別用手指堵住注射器前端小孔，體驗針筒容積變化與針筒內氣壓的關系。④將注射器放入盛有溶液的容器中，觀察其能否自然吸入或排出溶液。

學生總結實驗活動結果：拉活塞芯桿時，針筒容積增大，可將溶液吸入針筒；推活塞芯桿時，針筒內容積縮小，將溶液壓出針筒。如果不推、拉活塞芯桿，針筒容積不變，則溶液不能自然進入或排出針筒。用手指堵住注射器前端小孔再拉活塞芯桿，感覺針筒內有吸力；而此時推活塞芯桿，感覺針筒內有推力。

教師總結：實驗說明，氣體是在壓力的作用下流動的，并且從壓力大的一側流向壓力小的一側。

教師繼續設疑：容器（氣球、注射器、肺）與外界是相通的，吹氣是用“力”將氣體灌入氣球，而推活塞芯桿，則是用“力”將容器內氣體排出。但拉活塞芯桿或橡皮膜時，外界氣壓并沒有變化，為什么外界氣體能進入容器內？學生無法回答這個問題。

教師引導：氣體由外界進入容器，說明容器與外界之間的壓力關系是什么？（學生答：外界氣壓大于容器內壓力。）當外界壓力不變，而二者之間出現壓力差，其原因是什么？此時，學生似乎有點明白：只能是容器內壓力減小。教師追問：容器內壓力減小的原因是什么？學生在經過討論、分析得出：拉活塞芯桿或橡皮膜，都使容器的體積增大，可能造成容器內壓力減小。導致外界與容器之間出現壓力差，使氣體進入容器內。

教師總結：根據模擬實驗的結果，可得出結論：肺與外界大氣之間的壓力差是肺與外界進行氣體交換的動力。

4.4 依據模擬實驗結果，推理得出“肺通氣”的模型 教師要求學生依據模擬實驗得出的結論，以概念模型的形式呈現吸氣的原理，學生表達出2種模型。

①吸氣→胸廓容積增大→肺內壓減小；

②胸廓容積增大→肺內壓減小→吸氣。

顯然，構建模型①的學生尚沒有理解肺通氣的基本原理。教師指導學生再次操作模擬實驗1，引導學生反復觀察：是氣球膨大導致橡皮膜下拉，還是下拉橡皮膜使氣球膨大？經過多次實驗觀察，學生確認是“下拉橡皮膜使氣球膨大”，得出模型②正確反映吸氣的原理。教師提問：吸氣時，胸廓的容積為什么會增大？學生只能回答出：用力。但無法說清楚“力”從何來。

此時，教師播放“呼吸運動”視頻，引導學生重點觀察：肋間肌收縮與肋骨、胸骨的變化關系；膈肌的收縮與胸廓容積的關系。學生在觀察的基礎上，經過集體討論得出呼吸運動吸氣的原理（圖6）。

圖6 學生構建的吸氣原理圖

接著，根據吸氣的原理，學生推導出呼吸運動呼氣的原理（圖7）。

圖7 學生構建的呼氣原理圖

4.5 歸納呼吸運動原理，建立“肺通氣”概念 模型教師首先引導學生歸納呼吸運動的原理，得出呼吸運動的意義：呼吸運動是通過胸廓的節律性變化為肺與外界進行氣體交換提供動力。進而構建起“呼吸運動”的概念：呼吸肌收縮和舒張引起胸廓節律性擴張與縮小的過程，是為肺與外界進行氣體交換提供動力的過程，最后形成概念模型（圖8）。

圖8 學生構建的肺通氣概念模型

最后，教師播放人工呼吸的視頻，使學生初步了解人工呼吸的基本方法，引導學生將理論運用于實踐，強化對呼吸運動原理的理解。

5 教學反思

5.1 充分發揮教師的主導作用，引導學生突破學習難點 由于缺乏必要的生物學和物理學基礎知識，7年級學生理解“肺通氣”原理有很大的難度。而現有的理解能力和探究能力不足，使他們難以通過自主探究性學習完成概念的構建。這就需要教師發揮好主導作用：①在教學設計時，組織好知識的呈現順序，以體現胸廓與呼吸運動、呼吸運動與肺通氣等知識之間的邏輯關系，有助于學生的思考、推理；②通過問題設置，創設探究性學習的情境，例如模型中的氣球如何通過充氣使體積變大，以激發學生的深度學習；③以概念模型的方式，總結呼吸運動過程中胸廓體積變化、肺泡容積變化、肺內壓的變化等，以實現概念的構建。這樣，學生在構建模型的基礎上，領悟概念的內涵和外延，深化對概念的理解，有助于生命觀念的形成，有利于科學思維的發展［2］。

5.2 在感性體驗的基礎上，實現概念的自主構建 “肺通氣”機理中涉及的物理學原理是學生學習的最大障礙，針對學生學習的難點，教師引導學生反復感受自身在呼吸運動過程中胸廓的變化，進而通過模擬實驗，探索氣體進出肺泡的動力來源，使學生在感知生物學事實的基礎上，自主構建“肺通氣”的概念、理解“肺通氣”的原理。