例談基于科學探究素養的實驗裝置改進探究

劉敏 房杰

文件編號：1003-7586（2018）11-0033-03

摘要 對“測定某種食物中的能量”實驗的實驗裝置的進行改進，特別是從保溫、安全操作方面進行探究設計，從而引導學生用相對簡單易操作的材料和裝置來開展實驗，以期達到更佳的實驗效果和提高學生的科學探究素養。

關鍵詞 科學探究 實驗裝置 實驗改進 食物能量

中圖分類號 G633.91

文獻標志碼 B

生物新課程標準提出提高學生的學科核心素養，包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任四個方面?？茖W探究是指能夠發現現實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現象，進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及結果的交流與討論的能力?！皽y定某種食物中的能量”是北師大版七年級下冊的一個探究性實驗。該實驗能鍛煉學生的多方面實驗技能，如天平、量筒、溫度計、酒精燈等實驗器具的正確使用和數值讀取，同時加深對科學探究一般過程的認識，進一步提高制定并實施探究計劃、處理數據和分析探究結果的能力，促進學生思維品質的訓練和科學探究方法的掌握，有利于創新思維的形成和科學素養的提高。筆者通過對該實驗進行實驗裝置的改進探究，以期達到更好的實驗效果和提高學生的科學探究素養。

1實驗思路的設計

食物中含有大量的有機物，有機物儲存有大量的能量，能提供人體生命活動的需要，同時，人體在利用能量的過程中，能量從一種形式轉化為另一種形式。因此食物燃燒時，有機物內儲存的化學能會轉化為熱能釋放出來，從而被水吸收。水在吸收這些熱量后，水溫會升高。通過測量水升高的溫度，可以推算出被燃燒的食物中含有多少能量。而每1g蛋白質或1g碳水化合物在身體內可產生4kcal能量，每1kcal相當于4.184kJ。在常態下1mL水每升高10℃需要吸收4.2J的能量。因此可以通過測量燃燒食物引起水溫升高來間接測出食物的能量。公式為：1g食物含有的能量（焦耳）=水的容積×溫差×4.2÷食物的質量。

2實驗材料的選擇

有很多教材中都是選取花生和核桃?；ㄉ秃颂彝瑢儆土献魑?，含有能量差異不大，稍不小心就會使實驗結果相反，有?？茖W真理，因此筆者選擇成本較低的花生做該實驗?；ㄉ姆N皮不易燃燒，所以實驗中把花生的種皮剝掉，以達到花生快速燃燒，并且避免更多熱量損耗的目的。由于改進裝置前一般取1粒種子充分燃燒后，水溫一般會在80～90℃，而在改進裝置后燃燒1粒種子，水很快沸騰，而且溫度繼續上升。此時，已經不能使用常規溫度計測量，為了降低水溫的升高，在改進裝置后，選用花生的一片子葉作為實驗材料。本實驗中用的是放置一年左右的飽滿而干燥的花生，原因是放置這種花生的水分較低。

通常使用解剖針扎入花生用打火機引燃，再去加熱試管中的水。在花生燃燒過程中，花生常常有脫落現象，會影響測量結果，原因主要是解剖針沒有垂直扎入2片子葉中，所以需要用解剖針垂直扎入子葉。

3實驗裝置的總體設計

用紙質材料容易被點燃，而玻璃材料不易剪裁，所以選擇易拉罐。鋁質易拉罐易剪裁處理，不會傷手，其拉環口恰好能將普通試管放入。空罐倒置后，將其底部突出部分以內全部剪去，周圍盡量不留明顯突起，然后在罐體1/3處剪出一個三角形空缺，當做爐門使用。

實驗中花生的燃燒物容易掉落桌面，同時也會損壞實驗臺?？蓪⒁桌迯闹胁考糸_，取其下部作底。

錐形瓶不能直接加熱，采用試管可避免錐形瓶直接炸裂，發生意外，還可以減少能量損耗。一般情況下，一粒種子燃燒一分鐘就能將10mL水煮沸。若容積過大，不僅溫度變化不明顯，而且需要使用較大口徑的試管，從而還需要對易拉罐拉環口進一步裁剪，所以量取容積為15mL的水。

溫度計不能直接接觸試管瓶底，更不能待燃燒完全后再測水溫，用橡膠塞打孔后將溫度計固定在水層中部，同時試管瓶口部加橡膠塞也可以減少熱量散失。

花生種子在燃燒時，會向不同方向射出火苗，也會有小小的脂肪顆粒燃燒著向周圍噴射。顯然，這樣的火苗釋放的熱量很難被測量記錄。將使用解剖針扎入的花生用打火機引燃時，若轉動著使花生全部開始燃燒，燃燒速度很快，其熱量損耗的也就較多。若只是集中外焰點燃花生的一端，使其燃燒的較小火焰加熱試管底部，待燃燒一半左右時，再轉動解剖針，讓另一端花生開始慢慢燃燒。這樣處理的結果是花生燃燒時間較長，其熱量損耗就會相應的減少。

花生火焰熄滅，就開始讀取溫度計的水溫數值誤差比較大。因此要稍等幾秒鐘，待溫度計內水銀的膨脹細線末端不再上升（一般能升高5℃左右），再及時記錄數據。并且第二次實驗前應等溫度計降下來（或換用新的溫度計，以節省實驗時間）。

4設計數據記錄表格

學生自己設計實驗記錄表（表1），并在探究過程中實時記錄。

5實驗裝置的探究過程

直接用試管加熱，用鐵架臺固定試管，用橡膠塞打孔后將溫度計固定在水層中部。取一粒點燃花生種子，用解剖針垂直扎入2片子葉中，直接加熱試管。重復至少三次測量，取平均值，記作A組。

選用鋁質易拉罐，其拉環口恰好能將普通試管放入。空罐倒置后，將其底部突出部分以內全部剪去，周圍盡量不留明顯突起，然后在罐體1/3處剪出一個三角形空缺，當做爐門使用;易拉罐從中部剪開，取下部作底;試管用試管夾夾住。取一粒點燃花生種子，用解剖針垂直扎入2片子葉中，直接加熱試管。重復至少三次測量取平均值，記作B組。

用多層錫紙包裹在鋁質易拉罐內層，底部也剪個三角形，取一粒點燃花生種子，用解剖針垂直扎入2片子葉中，直接加熱試管。重復至少三次平行實驗取平均值，記作C組。

用兩個易拉罐做成簡易裝置。將一個直徑較小的易拉罐罐口的部位徹底去掉，然后倒過來，罐底在上方，用剪刀在罐體三分之一處剪出一個三角形空缺。將另一個易拉罐底部突出部分以內全部剪去，周圍盡量不留明顯突起，然后將兩個易拉罐套在一起，中間填充泡沫（包裝材料中可找到，也是簡單易尋找的）連接處用膠帶在外面鞏固好。取一片點燃花生子葉，用解剖針垂直扎入其中，重復至少三次測量取平均值，記作D組。

6實驗結果及分析

6.1實驗結果

將各組數據統計后，繪制成柱狀圖。

6.2實驗結果分析

A組中，整粒種子燃燒時，集中燃燒而散發到周圍空間的熱量較多，直接加熱試管的熱量相對就少了，所以A組誤差比較大。B組在罐內燃燒時，由于易拉罐的局部空間限制，熱量散失相對較少，測量得到數值就較高些。C組中，用錫紙材料，一方面隔熱效果好，減少熱量散失;另一方面，近年來流行錫紙花甲，所以材料也很好找。不過，筆者所使用的錫紙的厚度更大，從實驗數據可以看出效果更好。D組最大限度的減少誤差，雖然想過用泡沫劑，不過學生不易找材料就放棄了。

本實驗是一個探究性實驗，重點應放在提出問題、作出假設以及根據提出的問題和作出的假設設計實驗步驟。通過測量食物燃燒放出熱能的多少來測定食物中的能量是一種粗略的方法，存在著較大的實驗誤差，因此對引起實驗誤差原因的分析應該是本實驗的一個重要內容。引起實驗誤差的原因大致包括：一部分熱能轉化為光能、熱傳遞引起的能量散失、燃燒不充分、實驗材料的選取、實驗裝置的設計、加熱不均勻、讀數不準確（天平精確度不高）等。實際上花生的能量值是12.47kJ/g。筆者通過多次實驗，發現最后一種實驗裝置能量相對耗損最少，誤差最小。使用改進后的實驗裝置進行探究，簡單易行，不僅使實驗更加接近真實值，還培養了學生的生物學學科核心素養，培養了學生對生物學的學習興趣，提高了學生對生物學學習的積極性。