利用現代信息技術培養學生科學思維
——以“呼吸與呼吸作用”為例

（北京師范大學昌平附屬學校 北京 102206）

當今，人類社會正全面進入信息時代，教育信息化促進教育現代化已成為我國教育改革的重要戰略。現代信息技術作為現代教學的有力支持，正越來越深入地影響課堂教學，給教師的教學方式、學生的學習方式、師生互動、生生互動等帶來變革。《普通高中生物學課程標準（2017年版）》中明確提出核心素養為宗旨的基本理念。“科學思維”是生物學學科核心素養之一，是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。順應當今信息時代的背景，恰當使用現代信息技術，提高學生科學思維值得研究。下面以北京版生物學七年級下冊第六章第四節“呼吸與呼吸作用”一課為例進行探討。

1 教學目標

①通過燃燒和呼吸作用的比較，描述呼吸作用的過程，闡明呼吸作用的實質，從而理解呼吸作用這一核心概念。

②通過觀察演示實驗、分析實驗結果，提高對比分析、歸納概括、邏輯推理能力和批判性思維、創造性思維；通過呼吸作用在實際生活的應用，提高演繹-推理能力。

③通過真實情境下呼吸作用概念的構建，形成實事求是的科學態度和探索精神；通過學習呼吸作用的實質和意義，認同呼吸作用在生活中的科學價值。

2 課前實驗及信息化資源準備

課前，教師帶領生物小組學生完成有關綠豆種子燃燒和呼吸作用的相關實驗。

搭建綠豆種子的燃燒裝置、萌發綠豆種子和煮熟綠豆種子的呼吸作用對比裝置，將其連接氧氣和二氧化碳傳感器，用數據采集器進行數據采集并導出，用Excel進行處理，制作綠豆種子燃燒和呼吸作用過程中的氧氣變化曲線以及綠豆種子燃燒和呼吸作用過程中的二氧化碳變化曲線（圖1）。將此過程記錄制作視頻，準備課上播放。

圖1 利用Excel將采集的數據繪制成的曲線圖

搭建綠豆種子的燃燒裝置、萌發綠豆種子和煮熟綠豆種子的呼吸作用對比裝置，將其連接溫度傳感器，用數據采集器進行數據采集并導出，用Excel進行處理，制作綠豆種子燃燒和呼吸作用過程中的溫度變化曲線（圖2）。將此過程記錄制作視頻，準備課上播放。

圖2 利用Excel將采集的數據繪制成的曲線圖

搭建萌發綠豆種子和煮熟綠豆種子呼吸作用對比裝置，記錄瓶壁水分變化。記錄萌發綠豆種子呼吸作用過程中豆瓣大小的變化（圖3），將不同萌發天數的綠豆種子烘干記錄干重，用Excel制作干重變化曲線（圖4）。將此過程記錄制作視頻，準備課上播放。

圖3 綠豆種子呼吸作用過程中豆瓣的變化

圖4 利用Excel繪制的綠豆種子萌發過程中干重的變化曲線

3 教學過程及設計意圖

3.1 由呼吸引入，在已知上構建未知

教師從呼吸是生物共同具有的生理活動，提出問題：什么是呼吸？在這個過程中，有沒有發生本質上的物質改變？問題引發學生思考，在呼吸的過程中只是發生了氣體交換，并沒有發生化學反應。教師追問：那么，氧氣的利用和二氧化碳的產生在哪里進行？過程是怎樣的？對于生物體來說，又有什么價值呢？這一系列問題引出本節課重點探索的課題——呼吸作用，從而促進學生構建本節新授知識和已有知識之間的聯系。

3.2 歸納概括，描述呼吸作用過程

課上，教師用平板電腦推送上述實驗過程視頻及結果，提出問題：①呼吸作用和燃燒都消耗了什么物質？②呼吸作用和燃燒都產生了什么物質？③呼吸作用和燃燒過程中的能量以什么形式釋放？④呼吸作用和燃燒產生的能量來自于哪兒？學生分組進行探究活動，歸納概括呼吸作用過程中的物質變化和能量變化，分析能量來源。然后，學生匯報結果，組間交流，從而得出結論：呼吸作用消耗有機物和氧氣，產生二氧化碳和水；呼吸作用釋放熱能，燃燒釋放光能和熱能；呼吸作用和燃燒產生的能量來自有機物。由此，學生開展探究性學習，完成對物質變化和能量變化的分析，歸納概括得到呼吸作用的過程。

此環節過程中，學生在探究活動時，運用平板電腦反復翻看推送的視頻、圖表等資料，積極參與討論。當小組交流得到結果后，通過拍照功能記錄并實時上傳至平臺，教師在終端及時查看每組學生的學習狀況。學生各小組之間也在平臺上相互查看提交結果，有的小組會根據其他小組的結果重新完善自己的答案，進行二次提交。例如，有的小組在探究呼吸作用過程中的物質變化問題中，第一次提交的結果只展示了氧氣和二氧化碳的變化，通過參照平臺上其他小組的討論結果，繼續返回查看資料，發現遺漏信息，補充有機物的消耗和水的產生等內容。在匯報結果環節，教師選取有代表性的學生作品進行大屏幕展示分享并討論交流。

3.3 對比分析，闡明呼吸作用意義

教師引導學生充分挖掘溫度傳感器和電子天平采集的數據，可得到綠豆種子在燃燒和呼吸作用前后的質量變化以及保溫瓶內的溫度變化（表1、表2）。教師引導學生計算同樣分解1 g有機物，綠豆種子在呼吸作用時釋放的熱能小于燃燒時釋放的熱能，并提出問題：①種子呼吸作用釋放的能量，還有一部分沒有以熱能的形式散失，那些能量到哪里去了？②呼吸作用還可以為哪些生命活動提供能量？學生進行分組討論活動，得出結論：生物體進行各項生命活動都需要能量，呼吸作用中有機物釋放的能量除了以熱能形式散失外，還有一部分用于生命活動。

表1 綠豆種子在燃燒過程中的質量變化和保溫瓶內的溫度變化

表2 綠豆種子在呼吸作用過程中的質量變化和保溫瓶內的溫度變化

教師繼續挖掘溫度傳感器和電子天平采集的數據，引導學生得到實驗時間內綠豆種子在燃燒（表3）和呼吸作用前后的質量變化（表4）。教師引導學生估算，同樣分解1 g有機物，呼吸作用比燃燒速度要緩慢得多，提問：燃燒時有機物中的能量被快速釋放，而呼吸作用則是將有機物中的能量逐步釋放出來，有什么好處？學生分析得出有機物緩慢釋放能量可以持續為生命活動提供動力。

表3 綠豆種子燃燒時間和質量變化

表4 綠豆種子呼吸作用時間和質量變化

學生在此環節中處理采集的數據，對比分析燃燒和呼吸作用，認識到呼吸作用與細胞的能量供應關系密切，有著專屬于生命的獨特特點，從而理解呼吸作用的意義。

3.4 呼吸作用概念形成

教師引導學生形成呼吸作用概念：呼吸作用是發生在細胞內的有機物氧化分解，形成二氧化碳和水，并且釋放出有機物中儲存的能量，為生命活動提供動力。利用前幾個環節中的學生活動做鋪墊，在本環節中教師只要適當引導，學生自己總結得到呼吸作用概念比較容易。

3.5 演繹推理，學以致用

學生嘗試對生活中常見現象進行解釋。教師出示資料，提出問題：①人在劇烈運動時為什么呼吸頻率較高，呼吸深度較大？②蘿卜放久了為什么會糠心？③甜玉米放久了為什么甜味會變淡？學生通過閱讀資料，推理回答生物體的各個器官都在進行呼吸作用，呼吸作用是生物界的共同特性。

4 教學反思

4.1 現代信息技術在本節教學設計中的優勢

在本節教學中，學生通過現代信息技術手段在實驗室采集數據，在大量真實數據的基礎上，以問題驅動的方式進行分析概括，獲得呼吸作用的過程和意義，符合當下倡導的概念教學方式。

應用傳感器檢測呼吸作用過程中氧氣和二氧化碳的含量變化，改進了傳統教學中利用氣體特有化學性質進行檢測的方法，實現了實驗教學的創新；可以實時定量采集實驗數據，學生能夠直觀觀察到呼吸作用過程中氣體變化的過程；配套軟件可以將采集到的數據以數字、曲線等多種方式實時顯示；可以在同一裝置中同時檢測兩種氣體，操作簡便快捷。

生物實驗教學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。本節課中，教師引導學生將傳感器采集的溫度變化數據進行對比計算，分析得出呼吸作用釋放能量的去向。對數據進行充分挖掘，能夠將定量實驗的優勢在課堂上發揮得更加充分，與傳統的理論講解獲得概念相比，有利于增強學生尊重事實和證據的意識，養成嚴謹和務實的求知態度。

教師在課堂上借助平板電腦，可以增加學生獲取信息的途徑及效率，有利于學生的個性化學習，使學生的探究性學習更加充分和深入。借助平板電腦平臺，還可以提高課堂反饋的針對性和時效性，實現學生之間學習經驗的有效分享和交流。本案例中的傳感器連接電腦終端采集數據，可以換成傳感器連接平板電腦終端，即使用平板電腦對應的數據采集軟件，連接OTG轉換線，直接將傳感器采集的數據上傳平板電腦，方便教學。同時，有條件的學?？梢栽趯W生的分組實驗中，每組配備一套傳感器設備和數個平板電腦，完全放手讓學生進行科學探究。

4.2 科學思維在本節教學設計中的落實

本節教學設計以新課程強調的“提高科學素養”“倡導探究性學習”理念為依據，以現代信息技術為手段，以真實情境下的實驗事實為主線，設計學生活動，由學生自主構建呼吸作用這一核心概念。在構建核心概念的同時，重點將生物學科核心素養中的科學思維滲透其中，并適時地予以外顯和總結。

在描述呼吸作用的過程這一環節，教師以平板電腦為技術手段，輔助學生的分組探究、互評、表達交流等活動，促進學生依據真實實驗情境下的視頻圖表資料，自己構建有機物氧化分解的概念，描述呼吸作用的過程，鍛煉了學生的圖表分析能力、表達傾聽能力，以及合作意識等，重點進行了科學思維中的歸納概括思維訓練。

在闡明呼吸作用的意義環節，教師引導學生對比分析呼吸作用和燃燒的差異，引導學生發現呼吸作用屬于生命的獨特特點，激發學生對呼吸作用的意義進行思考，涉及科學思維中的對比分析、批判性思維和創造性思維等思維訓練。

最后，學以致用環節，教師通過資料分析，既將本節課知識與實際生活進行了聯系，又檢測了學生對于呼吸作用的理解和應用情況，即科學思維中的演繹-推理思維訓練。

通過對“呼吸與呼吸作用”一節的探索發現，恰當使用現代信息技術，可以有效提高學生的科學思維能力。不過，本節課還有一些待解決的問題，如全班每人1臺平板電腦，推送視頻資源時對網絡的要求較高，視頻若太大可能會有緩沖的現象。此外，每人1臺平板電腦，數目眾多，前期充電、連網等也有一定工作量。相信隨著信息技術的不斷發展，以上問題很快會得到解決。教師還是需要更新自身教學觀念，適應信息時代背景下教育的必然變革。