生物學跨學科實踐活動的設計與開展
——以肺活量計量桶的制作為例

王琨 韓寧

（云南師范大學生命科學學院 云南昆明 650500）

2019年，國務院辦公廳印發《關于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見》，提出要深化課堂教學改革，注重加強項目設計、研究性學習等跨學科綜合性教學，并適當增加探究性、實踐性、綜合性作業。社會不斷發展，對人才的要求越來越高，無論高中、初中還是小學，跨學科綜合性教學都是人才培養的重要方式。

1 跨學科綜合實踐活動的理論基礎

“跨學科”就是從學科知識、概念群到認識論和方法論，構筑新的研究視角來解決某單一學科難以解決的問題?！读x務教育生物學課程標準（2011）年版》的課標中列出了10個一級主題，每個一級主題一般包含了若干二級主題及具體內容標準和活動建議。其中，活動建議列舉了有利于學習目標達成的觀察、調查、資料的收集和分析、討論、實驗、實踐等活動，包括了開展校園或社區綠化設計、自制雞卵孵化箱、為校園植物掛牌、制作發酵食品、模擬練習急救等系列活動。這些活動與生物學教學內容息息相關，同時也涉及其他學科的知識。因此，這些活動的完成都需要綜合各學科內容來展開。

2 生物學綜合實踐活動的開展

2.1 活動目標

本次活動目標主要是應用身邊簡易材料制作“肺活量計量桶”。學生通過應用知識、動手實踐，在過程中感受樂趣，以成果實現知識和實踐的價值，提升生物學學科核心素養。

肺活量是指一次盡力吸氣后，再盡力呼出的氣體總量。肺活量與人的呼吸密切相關。生理學研究表明：人體的各器官、系統、組織、細胞每時每刻都在消耗氧，機體只有在氧供應充足的情況下才能正常工作。人體內部的氧供給全部靠肺的呼吸來獲得，在呼吸過程中，肺不僅要攝入氧氣，還要將體內代謝出的二氧化碳排出。因此，肺是機體氣體交換的中轉站。這個中轉站的容積大小直接決定著每次呼吸氣體交換的量，這是檢測肺功能的最直觀、也是最客觀的指標。

目前，用于測量肺活量的基本為電子肺活量測試儀，直接吹氣便可以顯示肺活量。但是電子肺活量測試儀的制造需要一定的技術手段，中學生也不知道其基本原理為何。教師引導學生利用身邊的常見材料，促使學生基于學科知識，動手實踐，豐富學生的實踐活動，讓學生感受運用知識創造產品的過程，培養學生的創新意識與動手能力。

2.2 活動涉及學科領域

本次肺活量計量表的設計與實驗主要涉及生物學、物理和化學等學科知識。肺活量的測試與生物學息息相關。肺活量計量表的制作原理涉及了小學科學“物質科學”模塊中“水和空氣”的基本特征，物理知識“氣體的壓強和體積的關系”，化學實驗中“量筒的操作”等知識。例如，在進行“標記計量”的操作時，主要涉及化學實驗“量筒的操作”；在組裝“肺活量計”時，主要涉及“水不易被壓縮，占據的空間不會變化，而氣體容易被壓縮，占據的空間會發生變化”的知識。因此，該活動不僅能將不同學科知識聯系起來，還能將不同階段所學的知識進行重組。

2.3 活動材料及工具

活動材料包括4.5 L飲水桶1只，5×7 mm塑料管1 m，塑料漏斗1只，直徑12 mm的硅膠塞1只。需要的工具包括黑色油性記號筆、100 mL、1 000 mL量杯各一只。

2.4 制作步驟

2.4.1 標記計量

將飲水桶置于水平處，用量杯注滿1 000 mL水倒入飲水桶中，每次倒入后用記號筆標記1次。加2 000 mL水后，換100 mL量杯加水。每十次標記線延長2倍，直至4 200 mL處。在每條標記線后寫上數量和單位1 000 mL、2 000 mL、2 100 mL……4 200 mL到最高處標記線。

2.4.2 開排氣孔

在飲料桶底部開一小孔，小孔的直徑為10 mm，配上直徑12 mm的硅膠塞。

2.4.3 組裝吹氣管

把塑料管一端與塑料漏斗相聯，從計量桶口插入并用鐵絲固定，如圖1所示。

圖1 肺活量計量桶

2.5 實驗步驟

2.5.1 組裝肺活量計

用一只24 L水桶灌滿水，打開計量桶排氣孔，將其壓入水桶中，且排出全部空氣，塞入橡皮塞。

2.5.2 準備實驗

一位學生負責記錄，兩位學生分別負責給吹嘴消毒。每位學生吹氣前，用消毒噴霧劑對吹嘴消毒，并用棉球擦拭干凈。

2.5.3 開始實驗

肺活量是盡力吸氣后、再盡力呼氣所能呼出的氣體量。學生吹氣結束后，將計量桶提起，使內外水面相平，此時讀取讀數，水面在兩條計量線中間可估算出大體的讀數。每人重復3次，記錄肺活量值。

3 活動討論

3.1 計量的選擇要有依據和范圍

根據《國家學生體質健康檢測標準》，各個年級學生的肺活量標準不同。以初一學生為例，初一男生肺活量標準為1 850～3 750 mL，初一女生肺活量標準為1 350～2 350 mL。因此，在飲水桶上進行標記計量時，教師可參考《國家學生體質健康檢測標準》，針對測試對象，選擇最低計量和最高計量。為了提高普遍適用性，教師可在最低計量和最高計量處適當降低或加大計量范圍。

3.2 排氣孔的制作要恰當

在實踐活動中，排氣孔的設計是關鍵，若設計不合理會造成漏氣，導致測量不準確。本次活動中教師首先采取刀切的方式。但是使用刀切方式存在極大安全隱患，且切割不均勻。之后，教師嘗試用“烙”的方式，即用酒精燈將釘子燒燙后，再來烙飲水瓶底部。但是此方法也存在諸多問題：首先操作復雜，由于飲水瓶底部較厚，因此需要重復多次；其次，經過鐵烙的塑料飲水瓶，在烙的地方會出現卷邊，用硅膠塞難以塞嚴實，會出現漏氣情況；最后，在烙的過程中稍不注意也會出現切割不均勻的情況。教師經過多番實踐發現，可以先在底部找到合適的地方后，用記號筆畫一個的圓，保證與硅膠塞大小契合，不漏氣，然后用小電鉆打孔。這樣既保證排氣孔均勻，又省時省力。

3.3 消毒工作不可忽視

在實驗過程中，每個學生吹氣前都要注意用酒精噴霧進行消毒處理，保證實驗者的健康。有條件每人一個漏斗，一次性使用。

4 結語

制作肺活量計是一項有趣而又有意義的跨學科綜合實踐活動，能夠培養學生的環保意識、動手實踐能力和科學素養。一方面，教師引導學生充分利用生活中簡易材料，如飲水桶、塑料管等，倡導“變廢為寶”的理念；另一方面，學生在這一實踐活動中可綜合不同階段的不同學科知識，將知識轉化為成果，提高問題解決能力和動手實踐能力，提升了科學素養。