一、项目概况

学校每年都进行国家体质测试，其中一项目是测量肺活量，体育老师每次都要准备很多吹嘴，让同学们对着吹嘴才能测量肺活量，一节课下来，要浪费很多一次性吹嘴，造成白色污染。怎样才能不用吹嘴都可以进行肺活量测试或训练呢？通过粤教版六年级科学的“转动的风车”“能量及其转换”“我们离不开呼吸”等的实验内容学习，都与风能有关，可以转化成电能，有电就能使灯发光。随着市级课题《基于“跨学科—项目式”教学模式的小学生探究实践素养培养的应用研究》的开展，课题组老师带领同学，利用风能转化原理，研发自制“能量转换—趣味肺活量训练器”，风能可以转化成电能，再转化成光能，最终以光的形式显示出来，使枯燥的训练变得有趣、有效。

二、项目活动过程

围绕核心问题：如何让肺活量训练更加有趣、有效？把项目活动分解成如下子问题，并开展相应的研究活动，制作出作品。

子问题一：什么是肺活量？为什么要检测肺活量？肺活量训练有什么方法？(体育)

1. 活动任务：通过体育课学习了解肺活量的概念，知道测量肺活量的意义和方法，及提高肺活量的方法。

2. 活动内容：

（1）通过视频、PPT，了解肺活量的概念。

肺活量是指人在最大吸气后，再尽力呼气时所能呼出的最大气体量，通常以毫升（ml）或升（L）为单位。它是衡量呼吸系统功能的重要指标之一，反映了一个人的肺部健康和身体供氧能力。

（2）结合国家学生体质监测项目，知道测量肺活量的意义和方法。

肺活量是国家学生体质监测的重要指标，在健康评估、疾病预防和运动训练中具有重要意义。

（3）提高肺活量的方法及训练。

学校学生肺活量训练，老师常以“慢跑”“跳绳”为主要方式， 缺乏专项呼吸训练，趣味性不够，肺活量训练成效难以实时呈现，往往需要依靠专业设备，并会产生器材损耗，造成浪费。

3.学生任务

（1）通过学习，了解肺活量的概念、测试肺活量的意义和方法以及如何提高肺活量。

（2）通过小组讨论等方式，完成导学案。

4.设计意图：

通过理论学习、实物展示的方式，让学生明白有关肺活量的基础知识，以及校园中肺活量训练存在的问题，引发学生思考，培养学生批判性思维和创新能力。

子问题二：肺活量训练时会产生什么能源？如何有效应用该能源，让肺活量训练更加科学、有效、有趣？(科学)

1.活动任务：构思风能转化成电能的路径。

2.活动内容：

（1）通过视频、PPT，了解风力发电机工作原理，能否利用肺活量训练产生的气流发电？

（2）探究实践：引导学生制作风力发电机，包括设计图、材料、配件、思维过程等。

3.学生任务

（1）学习风力发电机工作原理，完成导学案。

（2）小组合作，思考如何制作风力发电机，并画出设计稿图以及写出设计流程等。

（3）展示设计成果，组间交流，并修改完善方案。

4.设计意图：

通过学习，让学生了解风力发电机的工作原理，模仿制作简易的风力发电机，培养学生的动手实践能力，加深学生对风力发电的理解。根据思路，设计制作图纸，寻找材料，培养学生科学思维、探究实践素养。

子问题三：如何设计一款有趣、有效且美观的肺活量训练器？(体育、科学、综合实践、美术)

1.活动任务：

对制作成的风力发电机评估，把电能输出接入彩色频谱Led灯方法，显示电能产生的多少。

2.活动内容

（1）需要实现什么效果？

肺活量训练过程有趣、有效，肺活量训练成效可视化，不产生其他器材损耗。

（2）如何把风能转化成电能？

利用肺活量训练吹气形成的风，产生风能，使风车转动，带动微型发电机把风能转化成电能。

（3）如何把风力发电机改造成肺活量训练器？

接入小灯泡、彩色频谱Led灯，及连接一个感应数字电流器，做成光柱、数字效果的肺活量测试训练器。将电能的大小可视化、具体化、数字化显示。

（4）如何设计外形并进行美化？（美术）

运用美术技巧，设计有趣、个性化的外观，各部分色彩协调，扇叶选择弧线型，转动特有韵律，各尺寸比例合适，稳固结实，符合器材的整体结构。

3.学生任务

（1）对制作的风力发电机进行评估。

（2）思考如何将风力发电机转换成肺活量训练器，小组交流讨论，交流想法。

（3）通过学习，知道利用彩色频谱Led灯、感应数字电流器可以将风力发电机产生的电能可视化，并尝试设计将彩色频谱Led灯、感应数字电流器接入电路中，完成导学案。

（4）运用美术技巧，设计有趣、个性化的外观，符合器材的整体结构。

4.设计意图：

通过需求分析，帮助学生明确用户需求，形成制作作品的初步思路，培养学生“举一反三”意识和问题解决能力。通过“创意思路—创意物化—创意美化”三个环节，结合关于“能量转换”的科学原理，美术学科相关知识，帮助学生将抽象的“作品设想”有效落地，做成光柱、数字效果化的肺活量测试训练器，达到有趣、有效的目的，有效培养了学生的问题解决能力和动手实践能力。

5.研发过程：

在老师的指导下，师生共同完成设计、制作等过程。

(1) 风能转化成动能。肺活量是人体尽力吸气后再尽力呼气所能呼出的气体量，气体流动过程中能形成风，风具有能量，可以使风车转动，只要学生对着风车吹气，风车就可以转动，风能转换成风车的动能。制作过程中，为了达到最佳效果，选择了几种不同款式、不同规格的风车扇叶，通过比较，叶片弧形，直径15厘米的扇叶质量较少，灵敏度高，接收面积适中，是最好的选择。

(2) 动能转化成电能。怎样把风车的动能转化成电能呢？自然想到发电机，要适合小学生吹气就能发电的才行，上淘宝搜索，发现R280卓业发电机，规格是长32mm，直径22mm,转轴直径2mm,适宜安装，并与扇叶配套，高扭矩低电流，在风扇低档吹风时都能使5瓦Led灯发亮，学生用力吹气时也能发光，达到动能转化电能的效果。

(3) 电能转化成光能。经测试，随着风速的增大，Led灯亮度也会增强，一闪一闪的，但变化不大，不够明显。音响的指示灯提示了我们，可以用一排Led灯显示风能变化的大小，通过查找资料，可以用20位彩色频谱Led灯来实现，由电脑USB、充电宝、电池等提供电源，加接风能发电机提供的电源，8种显示模式，4级亮度调节，18种色彩模式可调，灵敏度12级调节，尺寸181*16*19mm,风能的转化最终形成Led灯闪亮效果，风能越大，转化成的电能越多，灯亮的也多，灯柱也高，绚丽多彩，生动形象具体地展示风能变化的效果。

(4) 电能数字化。测量肺活量用的是电子测试仪，学生提出：我们的训练器能不能像电子肺活量仪一样有数字显示呢？在科学老师的指导下，从淘宝搜索到一项电流0.00-19.99mA输入大屏数字显示直流感应数字电流器，可以把电流大小用数字呈现，这样就做成了光柱、数字效果化的肺活量测试训练器。

(5) 整体结构设计。为了使用方便，容易操作，我们设计用铁架支撑，横杆上依次是扇叶、发电机，其它配件安装在一个长方体的盒子里，Led灯安装在盒子的正面上，增加可视效果，整体结构合理，结实耐用，美观大方，符合教具外观要求。

6.制作方法（最终版）

1. 把铝塑板截成适当的长方形板，用玻璃胶粘贴成28×8×6cm的长方体盒子。                  

2.把风车安装在小电机转轴上，用502胶水固定，小电机输出线接入20位频谱灯输入接线柱，由可变开关控制，另一端接入9伏电池提供稳定电源，由开关控制如图1、2所示。

   图1                      图2

3.把线路元件安装在长方体盒内，开关安装在盒侧面，长方体盒安装在支架横杆上，小发电机安装在横杆前端，如图3所示。在Led灯旁贴上数字标注，如图4所示。

图3                           图 4

4.再把直流感应数字电流器与Led灯并联，装在盒子顶上，如图5、6所示。                        

图5                             图6

5.由于有风的作用，装置可能会被吹倒，为了增加稳定性，防止操作时倾倒，支架底座必须重、支撑面积大，设计了如图7所示的结构，用四方铁管做柱，长方铁槽做底座，烧焊拼接，结实稳定，再喷蓝色漆，大大地美化了外观，如图8所示。

图7                       图8

6. Led灯随着低年级学生肺活量的减少，光柱降低，减弱视觉效果，如何实现高、低年级学生训练时光柱的效果一样呢？可以装一个调光开关，是一个便利的器件,通过旋钮将亮度从几乎无光逐渐调节到大亮度。调光开关是通过调整它里面的电阻值的大小控制通过灯的电压的高低来实现调节的。         图9

把调节开关与Led灯串联即可，增大使用范围，一至六年的学生都能适用，如图9所示。

研发过程中，针对每个实际问题，我们共同探讨，尝试不同的解决办法，最终按以上方案制作成“能量转换—趣味肺活量训练器”，如图10，真正实现了科学、有效、有趣的目的，也提高了学生的动手实践能力和问题解决能力。                         图10

三、活动成果交流与评价

子问题四：如何把仪器运用于教学和体育训练中？

1.活动任务：

把“能量转换—趣味肺活量训练器”在实验教学中运用，在学生体育训练中应用，参加科技创新竞赛。

2.活动内容：

（1）教学运用：“风的能量”“风速越大，风能越大”“能量及其转换”等章节中可以作为演示实验。实现风能——动能——电能——光能的转换，使实验演示操作简单，原理浅显明白。

（2）体育课肺活量训练。

①本作品符合科学原理，设计巧妙，具创新性，能根据不同年级学生调节灵敏度，现象效果明显，具体形象；

②可用于学生肺活量训练，卫生清洁，无需接触，操作简单，实用性强，循环使用，安全方便，随时随地，趣味性浓，寓锻炼于游戏中，学生兴趣浓厚，能达到训练提高的效果，如图11。

图11

（3）作品成果展示。学生作品参加学校科技节创新成果比赛，现场展示，并参加市青少年小学生科技创新成果竞赛。老师作品参加创新实验竞赛和教具创新比赛。

3.学生任务

（1）利用制作好的仪器进行肺活量训练。

（2）展示自己的成品，并参加市青少年小学生科技创新成果竞赛等活动。

4.设计意图：

通过作品成果展以及肺活量比赛，树立学生科技改变生活意识，让学生体会到科技创新的趣味性，激发学生深入利用科学原理解决生活问题的意识。同时，教师在日后关于“能量转换”教学时，可以利用该仪器辅助开展，能够将抽象的知识直观化表达，帮助学生更加深入地理解科学原理。

四、活动成效与反思

本作品完成后，成为科学课的好帮手，有能量转化的实验都可以演示。在学校体育课中应用，学生兴趣高涨，积极参与到训练中，有形象的光柱视觉效果，数字显示，个个比赛谁吹得高，争取“爆表”，不知不觉肺活量得到锻炼。解决了“如何让肺活量训练更加有趣、有效？”的核心问题。  

研发过程也经历了小灯泡、频谱Led灯、数字电流等显示效果的不断改进，同时也从结构、外形、整体上美化，符合小学生身心特点，更适合教具的要求。

根据最初构思，第一代作品如图12所示，吹气使风车转动，带动发电机发电，接入灯泡发光，灯泡一闪闪，但不能明显区分强度，即不能比较吹气的多少。

根据音响的指示灯，把小灯泡换成20位彩色频谱Led灯，第二代作品如图13所示，随着吹气量增大，灯柱升得越高，可以显示肺活量的大小，有大小之分。但各部件零乱，没有整体结构，还需要整合。

经过师生商议，参考教具制作要求，第三代作品如图14所示，所有部件安排在盒内，整齐美观，操作方便，而且并联多一个直流感应数字电流器，实现肺活量训练数字化，使本作品更有直观性、趣味性。

图12                     图13  图14

新课标要求以学生为主体，积极参加各种实践探究，老师要充分发挥主导作用，带领学生开展探究活动，学生的科学素养是在各活动中才能得到培养的，在探究活动中，学生理解实验原理，创新改进方法，养成探究意识、培养创新精神。

下一步将研究能准确测量肺活量的值，用编程设计测量值，做到训练和测量相结合。

参考文献：

[1] 教育部. 义务教育课程方案和课程标准（2022年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2022.

[2] 周振宇. 跨学科教学：怎么跨  怎么教[M]. 武汉：湖北教育出版社，2023：133-140

[3]苏西·博斯约翰·拉.项目式教学：为学生创造沉浸式学习体验.中国人民大学出版社，2021.