用數字化設備創新實驗教學

姚國平

摘 要 在“做中學”理念的引領下，通過對“呼吸作用”這一重要概念的理性分析，運用數字化設備拓展和創新教材實驗，在實證的基礎上幫助學生形成重要概念。

關鍵詞 實驗教學 數字化設備 實驗創新 呼吸作用

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

1 實驗教學背景

“呼吸作用”是初中生物學的50個重要概念之一，要求學生能夠描述“在生物體內，細胞能通過分解糖類等獲得能量，同時生成二氧化碳和水”。蘇科版初中教材把這一概念安排在七年級上冊第三單元“生物從環境中獲取物質和能量”第七章“能量的釋放和呼吸”第一節“能量的釋放和利用”。顯然，這是從“物質和能量”這一生命觀念角度來審視這一概念的。

新課標在實施建議中明確指出：在概念教學中，教師需要向學生提供豐富的、有代表性的事實來為學生的概念形成提供支撐。學生已經初步積累的事實是概念建構的重要基礎，主要來源于兩方面：

① 日常生活中積累的經驗，即人體呼吸需要吸收氧氣、放出二氧化碳；

② 課堂學習中積累的知識，通過“植物光合作用”的學習知道了有機物中儲存能量，通過“驗證食物中含有能量”，了解到有機物通過燃燒能釋放熱能。此外，為了幫助學生充分獲取事實，蘇科版教材安排了三項探究活動：“體驗能量的釋放與呼吸作用的關系” “驗證呼吸作用過程中氣體的變化” “探究種子呼吸過程中釋放熱量”。教材試圖以實證的方式幫助學生形成相應概念。

綜合上述分析，學生已有的知識經驗以及在探究過程中所形成的認識，的確能為概念的形成提供必要的事實性知識，但是仍然存在一些不足之處。這是因為：

①這些事實、證據并不特別充分。人體呼吸“吸收氧氣、放出二氧化碳”這一事實只是生活體驗，缺乏實證；個體、器官能發生呼吸作用，難道就能說明細胞在進行呼吸作用嗎？顯然，這里未能形成一個符合邏輯的證據鏈條，缺乏充分的證據作為推理的基礎。

② 實驗設計的不足。實驗材料選擇單一，僅用新鮮菠菜和萌發的種子進行實驗驗證，難以有效引導學生從一般到特殊歸納知識，從而把握概念內涵，不利于培養學生科學思維的；實驗形式比較單一，教材都是定性實驗，無法直觀體驗二氧化碳和氧氣的變化過程，也無法滿足定量比較的要求；實驗原理相對復雜，需要補充氧氣、二氧化碳的化學性質，讓學生理解實驗原理，增加了認知負荷；實驗操作困難，要讓氧氣（二氧化碳）的濃度下降（上升）到一定的量在短時間內是無法實現的，一旦失敗不能馬上重復利用，實驗成功率受到一定影響。

實驗是促成學生建立、理解和應用重要概念的主要教學方式之一。秉承“做中學”的教學理念，筆者努力拓展實驗教學的空間，創新實驗教學的形式，以期通過實驗探究，讓學生深入認識呼吸作用的本質，同時提供豐富的科學事實，為重要概念的形成提供有力支撐。

2 實驗教學目標

基于課程、教材及學情分析，確定以下實驗教學目標：

（1） 通過實驗探究，獲取充分的科學事實，說出能量釋放和呼吸作用的關系，描述呼吸作用的含義。

（2） 通過系列實驗的探究，嘗試從不同角度證明一個科學結論的方法，提高科學探究中理性思維的能力。

（3） 通過實驗探究的定量化處理，嘗試用數據和圖表表達實驗結果，提高獲取信息和處理信息的能力。

（4） 通過數字化設備的充分運用，認同信息技術在科學探究中的重要價值。

3 實驗教學內容

3.1 第一組實驗：探究呼吸過程中氣體成分的變化

教師設計6個實驗，分別探究人體、青菜的植株、萌發的種子、西芹的莖、蘿卜（塊根）、酵母菌在呼吸過程中氧氣和二氧化碳的變化。

設計意圖：這一組實驗根據實際情況，有的適于課堂演示，有的需要課前探究。設計的6個實驗中，實驗對象涉及動物、植物、單細胞生物，目的在于通過實驗現象讓學生認識到：生物都會發生呼吸作用，且都是消耗氧氣、釋放二氧化碳，動搖“動物只進行呼吸作用，植物只進行光合作用”的前概念；個體、器官、細胞都能進行呼吸作用，呼吸作用實則上產生于活的細胞；呼吸作用過程中會消耗有機物（酵母菌在實驗過程中需要添加葡萄糖），有機物的變化和氣體的變化之間存在某種聯系。由此，教師幫助學生從細胞水平深入認識呼吸作用，利于從宏觀到微觀，以歸納的方式把握概念內涵。

3.2 第二組實驗：探究呼吸過程中能量的釋放

實驗1：探究人體運動過程中熱能的釋放。

實驗2：探究種子萌發過程中熱能的釋放。

實驗3：探究有機物燃燒過程中熱能的釋放。

設計意圖：通過實驗1、2，幫助學生建立感性認識：不論是人體（動物），還是植物，在呼吸作用過程中都有能量產生。通過回憶實驗3（在第五章“營養物質的作用”這節內容的學習中已做過該實驗），教師引導學生建立了觀念儲存在細胞內的有機物可以通過類似“燃燒”的方式釋放能量。

4 實驗教學方法與過程

4.1 數字化設備簡介

實驗中使用了兩種數字化設備：一種是SWR（蘇威爾）數字化實驗系統，是基于傳感技術和計算機技術的實驗平臺，用于在實驗中測量、采集變量數據并進行數據分析，主要設備由計算機、采集器、傳感器、軟件系統組成。另一種是穿戴式智能體溫計，其工作原理是利用物聯網RFID技術，將熱敏體溫傳感器采集到的人體體溫數據進行模數轉換，再通過藍牙或WIFI技術將數據傳輸到智能手機上，自動生成體溫變化曲線圖。

4.2 探究呼吸過程中氣體成分的變化——氧氣的變化

4.2.1 探究人體在呼吸過程中氧氣的變化

實驗器材：數字化實驗系統（氧氣傳感器）、吹嘴。

實驗步驟：

① 連接實驗裝置（圖1）。將吹嘴與氣流頭組裝好，將氧氣傳感器接入數據采集器，然后與計算機連接。

② 設置實驗參數。打開實驗系統軟件，進入實驗平臺，添加“氧氣—時間”坐標關系，實驗時間設置“20 s”，采集間隔“500 ms”。

③ 開始實驗。點擊開始按鈕，同時向吹嘴用力呼一口氣。

④ 采集結束，保存數據，對實驗結果進行分析。

實驗結論：平緩的曲線表示吸入氣體（空氣）中氧氣的含量，下降的曲線表示呼出氣體中氧氣的含量（圖2），通過設置這樣的對照實驗，學生能得出“人體呼吸過程中需要消耗氧氣”的結論。

4.2.2 探究植物在呼吸過程中氧氣的變化

準備甲、乙兩個帶密封蓋的塑料杯，甲中放入根、莖、葉或萌發的種子（圖3），乙中不放任何材料，實驗時間設置為“10 min”，采集間隔為“1 min”，進行實驗。根據圖表數據和圖像曲線（圖4，僅呈現實驗組圖像數據），學生能得出相應結論。

（說明：用植物做實驗材料時，短時間內的氧氣含量變化趨勢在圖像中表現得不是特別明顯，但可以結合圖像左側表格中的數據來比較分析。）

4.2.3 探究酵母菌在呼吸過程中氧氣的變化

同樣準備甲、乙兩個帶密封蓋的塑料杯，分別裝入100 mL質量分數為5%的葡萄糖溶液，然后甲中加入5g酵母干粉，乙中加入5g淀粉（圖5）。通過設置對照實驗，學生比較變化曲線（圖6，僅呈現實驗組圖像），能得出相應結論。

4.3 探究呼吸作用氣體成分的變化——二氧化碳的變化

用同樣的方法，使用二氧化碳傳感器測量呼吸作用過程中二氧化碳含量的變化，部分實驗組（西芹、酵母菌）的數據圖像如圖7、圖8所示。

4.4 探究呼吸過程中能量的釋放

4.4.1 探究人體運動過程中熱能的釋放

將智能藍牙溫度計固定在上臂肱二頭肌處，在智能手機上打開藍牙及手機APP，測量曲肘和伸肘過程中溫度的變化，與不活動時進行對照，比較分析實驗結果（圖7）。

4.4.2 探究種子呼吸過程中熱能的釋放

使用蘇威爾數字化設備中的溫度傳感器（或者智能藍牙溫度計）測量種子萌發過程中溫度的變化，與沒有萌發的種子進行對照，比較分析實驗結果（圖10，僅呈現實驗組圖像）。

4.4.3 探究有機物燃燒過程中熱能的釋放

教師引導學生回憶在第5章第2節“營養物質的作用”做過的“驗證食物中含有能量”這一實驗。

5 實驗教學反思與評價

5.1 改善學習環境，提高實驗效率

數字化設備進入實驗領域，營造了一種數字化的學習環境。實驗借助傳感器實時獲取數據，并自動生成曲線，不僅可以提高實驗效率，還能提高實驗結果的準確性，有利于學生取得更佳的學習效果，體驗到技術帶來的魅力。

5.2 重視定量實驗，了解事物本質

新課標指出，在重視定性實驗的同時，也應重視定量實驗，讓學生在量的變化中了解事物的本質。使用傳感器檢測，可將定性的結果檢測方法改為定量實驗，通過數字、圖表等直觀的數據精確反映實驗結果，有利于學生在采集數據、用數據表達實驗結果過程中從“量”的角度深入認識呼吸作用的本質，同時在分析數據過程中提高理性思維能力。

5.3 充分設計實驗，建構科學概念

科學知識的形成過程，也是科學論證的過程，即通過獲取、使用證據，推理得出結論。通過設計多種類型、多種形式的實驗，能讓學生多角度、多途徑獲取豐富的事實，有利于引導學生以科學事實為證據，以邏輯思維為工具，理解科學的本質，建構科學的概念。