基于跨學(xué)科整合的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
——以“探究吸煙對(duì)健康的危害”為例

徐 力

（南京市第十三中學(xué)鎖金分校 江蘇南京 210000）

1 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新背景

吸煙的危害越來越受到社會(huì)公眾的關(guān)注。香煙燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生焦油、尼古丁等多種有害物質(zhì)。其中，焦油容易損傷呼吸道粘膜，是誘發(fā)癌變的主要因素；尼古丁不僅會(huì)引起血管收縮，導(dǎo)致血壓升高，還能使人“上癮”，造成神經(jīng)系統(tǒng)損傷。央視新聞曾經(jīng)報(bào)道，我國青少年吸煙率達(dá)到6.9%，可見當(dāng)前我國中學(xué)生吸煙的問題日趨嚴(yán)重，還有很多學(xué)生長期處于被動(dòng)吸煙的環(huán)境中。因此，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到吸煙的危害，具有非常重要的教育意義。為此，《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2022年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）特別提出不僅要讓青少年充分認(rèn)識(shí)吸煙的危害，自覺拒絕吸煙，還要向家人及社會(huì)大眾宣傳吸煙有害健康。目前各個(gè)版本的生物學(xué)教材中也都安排了相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容。但在實(shí)際教學(xué)過程中，筆者產(chǎn)生了一些困惑：現(xiàn)在使用的蘇教版教材中缺乏吸煙危害的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，而是通過圖片、視頻等他人的描述告訴學(xué)生吸煙的危害，對(duì)學(xué)生的觸動(dòng)不大，學(xué)生并沒有感同身受。翻閱其他版本教材，發(fā)現(xiàn)蘇科版教材中設(shè)置了“探究煙草浸出液對(duì)金魚呼吸次數(shù)的影響”的實(shí)驗(yàn)，人教版教材中設(shè)置了“探究煙草浸出液對(duì)水蚤心率的影響”的實(shí)驗(yàn)。對(duì)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，筆者也有以下幾點(diǎn)困惑：（1）金魚呼吸頻率和水蚤心率都較快，且水蚤需在顯微鏡下觀察計(jì)數(shù)，實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜，誤差大；（2）兩個(gè)實(shí)驗(yàn)采用的都是煙草浸出液，而吸煙者實(shí)際吸入的是煙草燃燒后的煙氣，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)與實(shí)際吸煙情況并不一致；（3）兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都沒有直觀呈現(xiàn)煙氣中有害成分的危害。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

①通過對(duì)實(shí)驗(yàn)的觀察與分析，說明吸煙對(duì)人體健康的危害。

②通過探究煙氣浸出液對(duì)紅斑馬魚生命的影響，體會(huì)探究的基本過程，提高動(dòng)手操作的實(shí)驗(yàn)技能，形成合作意識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。

③養(yǎng)成良好的生活習(xí)慣，積極宣傳吸煙的危害，做精神文明的促進(jìn)者。

3 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新要點(diǎn)

①改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置收集煙氣，用煙氣浸出液代替煙草浸出液，更符合吸煙時(shí)的真實(shí)情景。

②通過負(fù)壓排水裝置和注射器收集裝置收集煙氣，利用衛(wèi)生紙或棉花吸附黃色物質(zhì)以直觀展現(xiàn)煙氣中焦油等有害物質(zhì)容易吸附在人體的特點(diǎn)，通過煙氣使高錳酸鉀溶液褪色以直觀展現(xiàn)煙氣中的還原性物質(zhì)可與人體細(xì)胞爭奪氧并影響人體生理活動(dòng)。

③用觀察煙氣浸出液對(duì)紅斑馬魚生命的直觀危害代替觀察煙草浸出液對(duì)水蚤心率或金魚呼吸的影響，實(shí)驗(yàn)更加直觀，操作更加簡便。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

4.1 負(fù)壓排水法收集煙氣，呈現(xiàn)有害物質(zhì)

教師提出問題：人體吸入的煙氣中含有害物質(zhì)嗎？并出示實(shí)驗(yàn)裝置1（圖1），介紹裝置礦泉水瓶、吸管、香煙、止水夾、衛(wèi)生紙或棉花、水槽等實(shí)驗(yàn)器材。本實(shí)驗(yàn)原理是：利用負(fù)壓排水法收集煙氣，根據(jù)煙氣中煙焦油等有害物質(zhì)易吸附的特點(diǎn)展示有害物質(zhì)。接著，教師演示“收集煙氣→吹氣→觀察”實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：衛(wèi)生紙或棉花上出現(xiàn)了焦黃色的附著物。學(xué)生討論，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：煙焦油等有害物質(zhì)能吸附在人體肺部，危害呼吸系統(tǒng)的正常功能。最后，教師展示吸煙患者的牙齒圖片、吸煙者與正常人的肺部圖片對(duì)比，引發(fā)學(xué)生關(guān)注吸煙與肺癌的關(guān)系。

設(shè)計(jì)意圖：教師利用負(fù)壓排水法將煙氣吸入瓶中，學(xué)生可以直觀地看見瓶中的煙氣。再利用吸管將煙氣吹到衛(wèi)生紙或者棉球上，讓學(xué)生親眼見到煙氣中的有害成分，并且使學(xué)生認(rèn)識(shí)到這些有害成分很容易吸附在吸煙者的牙齒及呼吸道處，幫助學(xué)生理解吸煙者牙齒變色的原因，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注吸煙與肺癌之間的關(guān)系。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)融合了物理與生物的知識(shí)，幫助學(xué)生進(jìn)行跨學(xué)科的知識(shí)整合，提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

4.2 模擬吸煙對(duì)人體生理活動(dòng)的影響

教師提出問題：吸入的煙氣會(huì)影響人體的生理活動(dòng)嗎？接著出示實(shí)驗(yàn)裝置2，利用注射器抽氣法收集煙氣，利用高錳酸鉀溶液檢測(cè)煙氣，從而呈現(xiàn)煙氣的危害。教師介紹該裝置所用的實(shí)驗(yàn)器材：自制煙嘴、注射器、延長管等。接著，向?qū)W生介紹實(shí)驗(yàn)原理：高錳酸鉀模擬人體需氧細(xì)胞，煙氣中的還原性物質(zhì)能使紫色高錳酸鉀溶液褪色。

教師演示實(shí)驗(yàn)：（1）在編號(hào)為A、B的試管內(nèi)分別加入等量的高錳酸鉀溶液；（2）用注射器和自制煙嘴收集煙氣300 mL；（3）請(qǐng)兩位學(xué)生演示，利用延長管和注射器將300 mL空氣和300 mL煙氣分別通入A、B試管中；（4）引導(dǎo)學(xué)生觀察兩試管中高錳酸鉀溶液顏色變化。教師引導(dǎo)學(xué)生說出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：通入空氣的高錳酸鉀溶液顏色幾乎沒有變化，通入煙氣的高錳酸鉀溶液顏色褪色了。最后引導(dǎo)學(xué)生得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：煙氣中含有強(qiáng)還原性物質(zhì)，會(huì)和身體里的細(xì)胞爭奪氧，影響人體生理活動(dòng)。

設(shè)計(jì)意圖：該實(shí)驗(yàn)利用注射器抽氣收集煙氣，并設(shè)置煙氣與空氣通入高錳酸鉀溶液的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生理解煙氣的危害。初二的學(xué)生還缺乏一定的化學(xué)知識(shí)，在介紹實(shí)驗(yàn)原理時(shí)，教師給予一定的補(bǔ)充知識(shí)，幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象。該實(shí)驗(yàn)是一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)，整合了化學(xué)和生物的相關(guān)知識(shí)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，學(xué)生能夠理解煙氣中的有害物質(zhì)會(huì)與人體組織細(xì)胞爭奪氧氣，從而影響人體的健康。

4.3 探究不同濃度的煙氣浸出液對(duì)紅斑馬魚生命的影響

教師進(jìn)一步提出問題：通過前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們已經(jīng)了解了煙氣對(duì)于健康是有影響的。那么，香煙煙氣中的有害物質(zhì)對(duì)個(gè)體生命有影響嗎？接著出示實(shí)驗(yàn)裝置3：抽氣泵抽氣制備煙氣浸出液。教師介紹所有的實(shí)驗(yàn)器材：自制煙嘴、洗氣瓶、抽氣泵等，該自制煙嘴可一次供10支香煙燃燒，向?qū)W生展示已經(jīng)“吸”了200根煙的煙嘴，可明顯看到煙嘴上留有發(fā)黃發(fā)黑的附著物。接著，教師播放事先錄制的視頻，展示煙氣浸出液的制備過程。分別出示50支香煙、100支香煙、150支香煙和200支香煙制備的煙氣浸出液。學(xué)生觀察顏色的變化，思考討論實(shí)驗(yàn)方案和步驟：（1）將200支香煙制備的煙氣浸出液分別稀釋4倍和2倍。（2）在等量的清水、稀釋4倍的煙氣浸出液和稀釋2倍的煙氣浸出液中分別放入活力相當(dāng)?shù)?條紅斑馬魚。（3）觀察并記錄每分鐘紅斑馬魚的活動(dòng)情況。接著，教師發(fā)給每個(gè)小組實(shí)驗(yàn)記錄表，組織學(xué)生開展分組實(shí)驗(yàn)，小組同學(xué)觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，由小組代表匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：煙氣浸出液的濃度越高，接觸的時(shí)間越長，對(duì)生物危害越大。

設(shè)計(jì)意圖：教師自制裝置制備煙氣浸出液，引導(dǎo)學(xué)生探究不同濃度的煙氣浸出液對(duì)個(gè)體生命的影響，用煙氣浸出液代替煙草浸出液更符合實(shí)際吸煙的情況，用紅斑馬魚代替水蚤更有利于直觀的觀察。該實(shí)驗(yàn)裝置也運(yùn)用了化學(xué)制備的方法，將不同學(xué)科的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行融合，幫助學(xué)生構(gòu)建跨學(xué)科整體式思維。

5 教學(xué)反思

5.1 自制實(shí)驗(yàn)裝置，展示直觀現(xiàn)象

在本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，筆者改進(jìn)實(shí)驗(yàn)材料和方法，自制實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)了3個(gè)遞進(jìn)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生親眼看見吸煙的危害。這樣的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)比理論說教來得更加震撼。整個(gè)課堂生動(dòng)有趣，3個(gè)實(shí)驗(yàn)的裝置易得，操作簡便，現(xiàn)象明顯，制備的煙氣浸出液可保存以供多次使用。

5.2 促進(jìn)學(xué)科融合，重視探究實(shí)踐

本次創(chuàng)新設(shè)計(jì)的3個(gè)實(shí)驗(yàn)融合了物理、化學(xué)、生物的相關(guān)知識(shí)，完成了一次跨學(xué)科的實(shí)踐過程。初二學(xué)生有一定的物理知識(shí)，能夠理解負(fù)壓排水收集煙氣的原理。對(duì)于涉及的化學(xué)知識(shí)，教師需要提前鋪墊，幫助學(xué)生理解氧化還原反應(yīng)，如可以例舉一些生活中常見的氧化還原的現(xiàn)象，幫助學(xué)生理解高錳酸鉀溶液在實(shí)驗(yàn)中起的作用。《課程標(biāo)準(zhǔn)》也強(qiáng)調(diào)學(xué)生的學(xué)習(xí)是主動(dòng)參與的過程，教師需要選擇恰當(dāng)?shù)那榫常O(shè)計(jì)學(xué)習(xí)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生積極探究實(shí)踐。因此，在第三個(gè)實(shí)驗(yàn)中，筆者安排了小組探究：探究不同濃度的煙氣浸出液對(duì)紅斑馬魚生命活動(dòng)的影響。學(xué)生通過觀察探究實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)，充分認(rèn)識(shí)到了煙氣中的有害物質(zhì)對(duì)統(tǒng)計(jì)與分析生物個(gè)體生命的嚴(yán)重危害。

5.3 滲透生命觀念，落實(shí)態(tài)度責(zé)任

生物學(xué)教學(xué)需要落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，充分發(fā)揮學(xué)科育人價(jià)值。本案例的教學(xué)不僅讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到吸煙對(duì)人體的危害，還引導(dǎo)了學(xué)生能夠主動(dòng)地勸誡身邊的人不要吸煙。學(xué)生能夠運(yùn)用科學(xué)的方法向社會(huì)宣傳吸煙的危害，從而增強(qiáng)健康意識(shí)。教師引導(dǎo)學(xué)生參與社會(huì)事務(wù)的討論，幫助學(xué)生學(xué)會(huì)用正確的方法作出理性解釋和判斷。上完這節(jié)課不久，筆者還和生物興趣小組的學(xué)生一起將實(shí)驗(yàn)過程錄制成了視頻，在學(xué)校的晨會(huì)上向全校所有師生宣傳了吸煙的危害，收到了良好的效果，培養(yǎng)了學(xué)生的社會(huì)責(zé)任生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。