從傳統(tǒng)到數(shù)字：生物學(xué)與物理跨學(xué)科學(xué)習(xí)探究

教師開展跨學(xué)科實踐學(xué)習(xí)活動，重在引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用多學(xué)科知識和方法來分析和解決實際問題。《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“課標(biāo)”）提出以學(xué)習(xí)主題為單位構(gòu)建課程內(nèi)容體系，設(shè)置“生物學(xué)與社會·跨學(xué)科實踐”學(xué)習(xí)活動，引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用生物學(xué)、化學(xué)、物理、地理、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識，嘗試分析和解決實際問題。模擬制作類跨學(xué)科實踐活動教學(xué)要求為：針對特定的生物學(xué)內(nèi)容，運(yùn)用生物學(xué)、物理、技術(shù)、工程學(xué)等學(xué)科概念，以及“結(jié)構(gòu)與功能”“尺度、比例和數(shù)量”“系統(tǒng)與模型”等概念，選擇恰當(dāng)?shù)牟牧?，設(shè)計并制作模型，直觀地表征相應(yīng)的結(jié)構(gòu)與功能，提升探究實踐能力[1]。筆者以肺呼吸模型的創(chuàng)意制作活動為例開展生物學(xué)、物理跨學(xué)科教學(xué)，利用氣體壓強(qiáng)解釋肺呼吸原理，通過多個肺呼吸模型的設(shè)計、制作、探討和改進(jìn)，從簡單到復(fù)雜，從單學(xué)科出發(fā)到多學(xué)科綜合實踐，培養(yǎng)學(xué)生獨立、持續(xù)探究的興趣，提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。一、學(xué)用結(jié)合分析學(xué)科內(nèi)容胸廓是由肋骨、胸骨、脊柱和呼吸肌構(gòu)成的骨籠。肋骨位于胸廓兩側(cè)，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(fā)肋骨運(yùn)動，改變胸廓容積，引發(fā)氣壓差進(jìn)而導(dǎo)致氣體進(jìn)出。呼吸肌收縮會帶動肋骨向上向外運(yùn)動，造成胸腔容積增大、肺泡擴(kuò)張，肺內(nèi)氣壓低于外界氣壓，氣體在外界大氣壓的作用下經(jīng)鼻、咽、喉、氣管、支氣管進(jìn)入肺部，即完成吸氣過程。當(dāng)呼吸肌舒張時，肋骨向下向內(nèi)運(yùn)動，胸腔容積縮小、肺泡收縮，造成肺內(nèi)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(xué)中人體結(jié)構(gòu)和物理氣體壓強(qiáng)的相關(guān)知識。二、在迭代創(chuàng)新中完善建模如果學(xué)生體檢發(fā)現(xiàn)肺活量偏低，醫(yī)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(jìn)入，肺擴(kuò)張；擠壓肺，氣體排出。為什么肺會擴(kuò)張或縮??？肺呼吸原理需要學(xué)生親身實踐探究。制作肺呼吸模型是一項模型設(shè)計制作類的學(xué)科實踐活動。為了解決問題，達(dá)成目標(biāo)，學(xué)生需要按照要求設(shè)計方案、制作模型。這要求學(xué)生有一定的創(chuàng)造力，具備一定的設(shè)計、思維和動手能力。（一）胸廓容積變化模型肺位于胸廓內(nèi)，學(xué)生深呼吸時可明顯感受到肋骨運(yùn)動會引發(fā)胸廓容積變化。為了讓學(xué)生直觀感受這種變化，筆者嘗試帶領(lǐng)學(xué)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(jìn)而改變胸腔容積，引發(fā)氣體進(jìn)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(dāng)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(jìn)入，氣球變大（肺泡擴(kuò)張）。當(dāng)向上推動橡皮膜時（模擬膈肌的舒張），容器體積變?。ㄐ乩莘e變?。?，氣球內(nèi)氣體被擠出，氣球變?。ǚ闻菔湛s）。學(xué)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(xué)生還不能理解為什么改變胸腔大小會引發(fā)氣體進(jìn)出肺。拓展：胸廓容積變化對肺呼吸的影響本質(zhì)上是氣體壓強(qiáng)變化對肺呼吸的影響。氣體壓強(qiáng)是大量氣體分子對容器壁的持續(xù)的、無規(guī)則撞擊產(chǎn)生的。氣體的進(jìn)出與容器內(nèi)外壓強(qiáng)差有關(guān)，在理想情況下，氣體壓強(qiáng)與氣體質(zhì)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(fā)氣體進(jìn)出？在筆者的引導(dǎo)下，學(xué)生嘗試制作胸廓氣壓差模型。（二）胸廓氣壓差模型取一個550ml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(dāng)活塞被拉到示數(shù)為450ml的位置時，氣體大量進(jìn)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(qiáng)大于針筒內(nèi)壓強(qiáng)。也就是說，當(dāng)拉動針筒活塞時，針筒容積變大，針筒內(nèi)氣壓變小，氣體進(jìn)入氣球，造成氣球體積變大。當(dāng)活塞被推進(jìn)去時，針筒容積變小，針筒內(nèi)氣壓大于氣球內(nèi)氣壓，氣體排出，氣球體積變小，當(dāng)活塞被推到示數(shù)為240ml的位置時，氣體已基本全部排出（如圖2）。分析：學(xué)生借助模型可以直接感受和觀察到容積變化會引發(fā)氣壓值變化，進(jìn)而引起氣體進(jìn)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(fā)肋骨運(yùn)動，改變胸廓容積。當(dāng)肋間肌收縮時，引起肋骨向上向外運(yùn)動，使得胸廓容積增大，氣體進(jìn)入肺；當(dāng)肋間肌舒張時，引起肋骨向下向內(nèi)運(yùn)動，使得胸廓容積減小，氣體排出肺。（三）肋間肌呼吸模型學(xué)生基于前兩個模型的制作經(jīng)驗與思考，設(shè)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(nèi)外層間的氣體體積決定內(nèi)層塑料袋形狀），改變內(nèi)層袋子的容積來模擬肋間肌收縮和舒張，從而引發(fā)胸廓容積變化。學(xué)生用粗鐵絲環(huán)繞纏繞成螺旋狀用以模擬肋骨的運(yùn)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(huán)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(nèi)，利用熱熔膠將三通管和塑料袋內(nèi)壁接口處進(jìn)行密封，塑料袋內(nèi)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(xué)角度分析該模型并無問題，但從科學(xué)與美學(xué)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(zhì)量無法精準(zhǔn)控制，需要改進(jìn)。拓展：如何保證每次進(jìn)氣與出氣量相等？需要應(yīng)用數(shù)字技術(shù)。如果用程序控制每次進(jìn)氣量，這個實驗設(shè)計將更加科學(xué)。（四）數(shù)字智能呼吸模型師生通過網(wǎng)絡(luò)購買人體裝飾骨骼，組裝后，借助單片機(jī)控制模型充氣口吸氣或排氣。學(xué)生在系統(tǒng)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(xiàn)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(nèi)層與外層間的體積模擬肋間肌，用氣球模擬肺部，應(yīng)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(chǎn)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(jié)構(gòu)出發(fā)，上述方案仍有改進(jìn)空間。如果將肋骨放在兩層塑料袋之間更為科學(xué)，在內(nèi)層塑料袋內(nèi)（胸腔內(nèi)）和氣球內(nèi)（肺內(nèi)）加入兩個壓強(qiáng)傳感器（如圖7），借助壓強(qiáng)傳感器1測出肺內(nèi)氣壓p1，借助壓強(qiáng)傳感器2測出胸腔內(nèi)氣壓p2，直接測得大氣壓強(qiáng)p3，在軟件中輸入物理壓強(qiáng)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(jī)模型結(jié)合起來，這樣更能體現(xiàn)跨學(xué)科的思想，更有實踐意義，更有利于提升學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)。需要指出的是，肺呼吸不光與胸廓容積有關(guān)，該行為是在神經(jīng)調(diào)節(jié)下引發(fā)呼吸肌收縮與舒張的結(jié)果。本模型制作并沒有涉及神經(jīng)調(diào)節(jié)因素。三、切合實際創(chuàng)新模式才能有效跨學(xué)科肺呼吸是初中生物學(xué)教與學(xué)的難點之一。在本案例中，教師用初中物理中氣體壓強(qiáng)知識清晰解釋了肺呼吸原理。但是，七年級學(xué)生還未系統(tǒng)學(xué)習(xí)物理知識，難以理解氣壓與肺的容積變化的關(guān)系，同時，人體結(jié)構(gòu)對于七年級學(xué)生來說仍模糊不清，要求學(xué)生將學(xué)科知識和呼吸運(yùn)動時人體各結(jié)構(gòu)的變化聯(lián)系起來有一定的難度[2]。教師設(shè)計模型制作的系列實踐活動解決了學(xué)生跨學(xué)科實踐時缺乏學(xué)科知識的問題。結(jié)合肺呼吸模型制作的實