從傳統到數字：生物學與物理跨學科學習探究

沈敏 湯金波 倪景元

教師開展跨學科實踐學習活動，重在引導學生綜合運用多學科知識和方法來分析和解決實際問題。《義務教育生物學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”）提出以學習主題為單位構建課程內容體系，設置“生物學與社會·跨學科實踐”學習活動，引導學生綜合運用生物學、化學、物理、地理、數學等學科知識，嘗試分析和解決實際問題。模擬制作類跨學科實踐活動教學要求為：針對特定的生物學內容，運用生物學、物理、技術、工程學等學科概念，以及“結構與功能”“尺度、比例和數量”“系統與模型”等概念，選擇恰當的材料，設計并制作模型，直觀地表征相應的結構與功能，提升探究實踐能力[1]。筆者以肺呼吸模型的創意制作活動為例開展生物學、物理跨學科教學，利用氣體壓強解釋肺呼吸原理，通過多個肺呼吸模型的設計、制作、探討和改進，從簡單到復雜，從單學科出發到多學科綜合實踐，培養學生獨立、持續探究的興趣，提升學生的學科素養。

一、學用結合分析學科內容

胸廓是由肋骨、胸骨、脊柱和呼吸肌構成的骨籠。肋骨位于胸廓兩側，胸廓具有一定的彈性和活動性。肺呼吸原理是呼吸肌收縮和舒張引發肋骨運動，改變胸廓容積，引發氣壓差進而導致氣體進出。呼吸肌收縮會帶動肋骨向上向外運動，造成胸腔容積增大、肺泡擴張，肺內氣壓低于外界氣壓，氣體在外界大氣壓的作用下經鼻、咽、喉、氣管、支氣管進入肺部，即完成吸氣過程。當呼吸肌舒張時，肋骨向下向內運動，胸腔容積縮小、肺泡收縮，造成肺內氣壓高于外界氣壓，氣體呼出。

肺呼吸模型的制作涉及生物學中人體結構和物理氣體壓強的相關知識。

二、在迭代創新中完善建模

如果學生體檢發現肺活量偏低，醫生會建議其用吹氣球來提高肺活量。吹氣球時氣球中的氣體總量近似于肺活量。氣體進入，肺擴張；擠壓肺，氣體排出。為什么肺會擴張或縮小？肺呼吸原理需要學生親身實踐探究。制作肺呼吸模型是一項模型設計制作類的學科實踐活動。為了解決問題，達成目標，學生需要按照要求設計方案、制作模型。這要求學生有一定的創造力，具備一定的設計、思維和動手能力。

（一）胸廓容積變化模型

肺位于胸廓內，學生深呼吸時可明顯感受到肋骨運動會引發胸廓容積變化。為了讓學生直觀感受這種變化，筆者嘗試帶領學生制作模型來演示肺呼吸過程。師生用三通管模擬氣管和支氣管，用氣球模擬肺，用底部覆蓋橡皮膜的透明容器模擬胸廓，用橡皮膜模擬膈肌，用拉伸橡皮膜的方式模擬膈肌收縮和舒張，進而改變胸腔容積，引發氣體進出（如圖1）。

分析 ：吸氣時，肋間肌和膈肌收縮，向下展平，胸廓增大。呼氣時，肋間肌和膈肌舒張，向上頂起，胸廓體積縮小。當向下拉伸橡皮膜時（模擬膈肌的收縮），容器體積變大（胸廓變大），氣體進入，氣球變大（肺泡擴張）。當向上推動橡皮膜時（模擬膈肌的舒張），容器體積變小（胸廓容積變小），氣球內氣體被擠出，氣球變小（肺泡收縮）。學生借助該模型可直觀清晰地觀察到肺的吸氣和呼氣過程。但七年級學生還不能理解為什么改變胸腔大小會引發氣體進出肺。

拓展：胸廓容積變化對肺呼吸的影響本質上是氣體壓強變化對肺呼吸的影響。氣體壓強是大量氣體分子對容器壁的持續的、無規則撞擊產生的。氣體的進出與容器內外壓強差有關，在理想情況下，氣體壓強與氣體質量、氣體溫度成正比，與氣體體積成反比。如何模擬氣壓差引發氣體進出？在筆者的引導下，學生嘗試制作胸廓氣壓差模型。

（二）胸廓氣壓差模型

取一個550 ml的針筒，將氣球固定在針筒的一端，拉動針筒活塞，觀察氣球變化情況。

當活塞被拉到示數為450 ml的位置時，氣體大量進入氣球，但一旦將手松開，可明顯觀察到活塞自動回推，說明此時外界壓強大于針筒內壓強。也就是說，當拉動針筒活塞時，針筒容積變大，針筒內氣壓變小，氣體進入氣球，造成氣球體積變大。當活塞被推進去時，針筒容積變小，針筒內氣壓大于氣球內氣壓，氣體排出，氣球體積變小，當活塞被推到示數為240 ml的位置時，氣體已基本全部排出（如圖2）。

分析：學生借助模型可以直接感受和觀察到容積變化會引發氣壓值變化，進而引起氣體進出。胸廓容積受呼吸肌收縮與舒張影響。目前可以模擬膈肌的收縮與舒張對胸廓容積的影響。然而，究竟如何模擬肋間肌的收縮與舒張對肺呼吸的影響？

拓展：肋間肌的收縮或舒張，引發肋骨運動，改變胸廓容積。當肋間肌收縮時，引起肋骨向上向外運動，使得胸廓容積增大，氣體進入肺；當肋間肌舒張時，引起肋骨向下向內運動，使得胸廓容積減小，氣體排出肺。

（三）肋間肌呼吸模型

學生基于前兩個模型的制作經驗與思考，設計如下方案：取雙層可充氣塑料袋一個（外層塑料袋容積不會變化，在雙層塑料袋之間可充氣或排氣，袋子內外層間的氣體體積決定內層塑料袋形狀），改變內層袋子的容積來模擬肋間肌收縮和舒張，從而引發胸廓容積變化。學生用粗鐵絲環繞纏繞成螺旋狀用以模擬肋骨的運動，同時起到支撐肋間肌的作用，用三通管、小氣球分別模擬氣管、支氣管和肺（如圖3）。

方案物化：首先將小氣球固定在三通管上，然后將粗鐵絲環繞纏繞成螺旋狀放入塑料袋作為支架，接著將連接好的小氣球和三通管放入支架內，利用熱熔膠將三通管和塑料袋內壁接口處進行密封，塑料袋內壁空腔模擬胸腔，最后在雙層塑料袋充氣孔插入吸管，通過吸氣或吹氣模擬胸腔鼓起或回縮（如圖4）。

分析：從工程學角度分析該模型并無問題，但從科學與美學角度分析還有欠缺，特別是采用人工吹氣或吸氣來控制肋間肌收縮或舒張，氣體質量無法精準控制，需要改進。

拓展：如何保證每次進氣與出氣量相等？需要應用數字技術。如果用程序控制每次進氣量，這個實驗設計將更加科學。

（四）數字智能呼吸模型

師生通過網絡購買人體裝飾骨骼，組裝后，借助單片機控制模型充氣口吸氣或排氣。學生在系統控制板上連接兩個氣泵、一個三通電子閥、電源等部件（如圖5），借助Mind+平臺將代碼加載至控制板，在控制板卡上連接氣泵等工作模塊，實現了自動吸氣或排氣（如圖6）。

分析：智能模型工作原理是用雙層塑料袋的內層與外層間的體積模擬肋間肌，用氣球模擬肺部，應用程序控制雙層塑料袋間的充氣和排氣，模擬肋間肌收縮和舒張，產生氣壓變化，最終有效模擬肺部的呼氣和吸氣過程。

拓展：從人體生理結構出發，上述方案仍有改進空間。如果將肋骨放在兩層塑料袋之間更為科學，在內層塑料袋內（胸腔內）和氣球內（肺內）加入兩個壓強傳感器（如圖7），借助壓強傳感器1測出肺內氣壓p1，借助壓強傳感器2測出胸腔內氣壓p2，直接測得大氣壓強p3，在軟件中輸入物理壓強差公式△p1=p1-p2，△p2=p1-p3，通過改變胸腔容積可直接讀出吸氣或呼氣時的氣壓差，再與呼吸機模型結合起來，這樣更能體現跨學科的思想，更有實踐意義，更有利于提升學生學科素養。

需要指出的是，肺呼吸不光與胸廓容積有關，該行為是在神經調節下引發呼吸肌收縮與舒張的結果。本模型制作并沒有涉及神經調節因素。

三、切合實際創新模式才能有效跨學科

肺呼吸是初中生物學教與學的難點之一。在本案例中，教師用初中物理中氣體壓強知識清晰解釋了肺呼吸原理。但是，七年級學生還未系統學習物理知識，難以理解氣壓與肺的容積變化的關系，同時，人體結構對于七年級學生來說仍模糊不清，要求學生將學科知識和呼吸運動時人體各結構的變化聯系起來有一定的難度[2]。教師設計模型制作的系列實踐活動解決了學生跨學科實踐時缺乏學科知識的問題。

結合肺呼吸模型制作的實踐，筆者認為跨學科實踐教學應以學科知識為依托，以發展學生能力為宗旨，重在培養學生獨立思考、持續探究的科學素養。教師應因地制宜、因材施教，設計合適的跨學科實踐活動，使學生獲得豐富的參與研究、親身實踐的體驗，進一步提高學生發現問題、提出問題和解決問題的能力，養成實事求是的科學態度，同時增強他們的社會責任心和使命感。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.義務教育生物學課程標準：2022年版[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2] 池思思.基于生活化教學和模型建構的“肺的通氣”教學設計[J].中學生物教學，2022（26）：54-57.

（作者沈敏系南京師范大學附屬中學樹人學校高級教師；湯金波系南京師范大學附屬中學樹人學校特級教師；倪景元系南京外國語學校高三學生）

責任編輯：祝元志