例談基于科學(xué)探究素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)探究

劉敏 房杰

文件編號(hào)：1003-7586（2018）11-0033-03

摘要 對(duì)“測(cè)定某種食物中的能量”實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)行改進(jìn)，特別是從保溫、安全操作方面進(jìn)行探究設(shè)計(jì)，從而引導(dǎo)學(xué)生用相對(duì)簡單易操作的材料和裝置來開展實(shí)驗(yàn)，以期達(dá)到更佳的實(shí)驗(yàn)效果和提高學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 科學(xué)探究 實(shí)驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)改進(jìn) 食物能量

中圖分類號(hào) G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

生物新課程標(biāo)準(zhǔn)提出提高學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任四個(gè)方面?？茖W(xué)探究是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的生物學(xué)問題，針對(duì)特定的生物學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)行觀察、提問、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施以及結(jié)果的交流與討論的能力?！皽y(cè)定某種食物中的能量”是北師大版七年級(jí)下冊(cè)的一個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)?zāi)苠憻拰W(xué)生的多方面實(shí)驗(yàn)技能，如天平、量筒、溫度計(jì)、酒精燈等實(shí)驗(yàn)器具的正確使用和數(shù)值讀取，同時(shí)加深對(duì)科學(xué)探究一般過程的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步提高制定并實(shí)施探究計(jì)劃、處理數(shù)據(jù)和分析探究結(jié)果的能力，促進(jìn)學(xué)生思維品質(zhì)的訓(xùn)練和科學(xué)探究方法的掌握，有利于創(chuàng)新思維的形成和科學(xué)素養(yǎng)的提高。筆者通過對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)探究，以期達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)效果和提高學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。

1實(shí)驗(yàn)思路的設(shè)計(jì)

食物中含有大量的有機(jī)物，有機(jī)物儲(chǔ)存有大量的能量，能提供人體生命活動(dòng)的需要，同時(shí)，人體在利用能量的過程中，能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。因此食物燃燒時(shí)，有機(jī)物內(nèi)儲(chǔ)存的化學(xué)能會(huì)轉(zhuǎn)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(huì)升高。通過測(cè)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(zhì)或1g碳水化合物在身體內(nèi)可產(chǎn)生4kcal能量，每1kcal相當(dāng)于4.184kJ。在常態(tài)下1mL水每升高10℃需要吸收4.2J的能量。因此可以通過測(cè)量燃燒食物引起水溫升高來間接測(cè)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(zhì)量。

2實(shí)驗(yàn)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(huì)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果相反，有悖科學(xué)真理，因此筆者選擇成本較低的花生做該實(shí)驗(yàn)。花生的種皮不易燃燒，所以實(shí)驗(yàn)中把花生的種皮剝掉，以達(dá)到花生快速燃燒，并且避免更多熱量損耗的目的。由于改進(jìn)裝置前一般取1粒種子充分燃燒后，水溫一般會(huì)在80～90℃，而在改進(jìn)裝置后燃燒1粒種子，水很快沸騰，而且溫度繼續(xù)上升。此時(shí)，已經(jīng)不能使用常規(guī)溫度計(jì)測(cè)量，為了降低水溫的升高，在改進(jìn)裝置后，選用花生的一片子葉作為實(shí)驗(yàn)材料。本實(shí)驗(yàn)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(jī)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(xiàn)象，會(huì)影響測(cè)量結(jié)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(shí)驗(yàn)裝置的總體設(shè)計(jì)

用紙質(zhì)材料容易被點(diǎn)燃，而玻璃材料不易剪裁，所以選擇易拉罐。鋁質(zhì)易拉罐易剪裁處理，不會(huì)傷手，其拉環(huán)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(nèi)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(gè)三角形空缺，當(dāng)做爐門使用。

實(shí)驗(yàn)中花生的燃燒物容易掉落桌面，同時(shí)也會(huì)損壞實(shí)驗(yàn)臺(tái)。可將易拉罐從中部剪開，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(fā)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(duì)易拉罐拉環(huán)口進(jìn)一步裁剪，所以量取容積為15mL的水。

溫度計(jì)不能直接接觸試管瓶底，更不能待燃燒完全后再測(cè)水溫，用橡膠塞打孔后將溫度計(jì)固定在水層中部，同時(shí)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(shí)，會(huì)向不同方向射出火苗，也會(huì)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(cè)量記錄。將使用解剖針扎入的花生用打火機(jī)引燃時(shí)，若轉(zhuǎn)動(dòng)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(diǎn)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(shí)，再轉(zhuǎn)動(dòng)解剖針，讓另一端花生開始慢慢燃燒。這樣處理的結(jié)果是花生燃燒時(shí)間較長，其熱量損耗就會(huì)相應(yīng)的減少。

花生火焰熄滅，就開始讀取溫度計(jì)的水溫?cái)?shù)值誤差比較大。因此要稍等幾秒鐘，待溫度計(jì)內(nèi)水銀的膨脹細(xì)線末端不再上升（一般能升高5℃左右），再及時(shí)記錄數(shù)據(jù)。并且第二次實(shí)驗(yàn)前應(yīng)等溫度計(jì)降下來（或換用新的溫度計(jì)，以節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間）。

4設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)記錄表格

學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)記錄表（表1），并在探究過程中實(shí)時(shí)記錄。

5實(shí)驗(yàn)裝置的探究過程

直接用試管加熱，用鐵架臺(tái)固定試管，用橡膠塞打孔后將溫度計(jì)固定在水層中部。取一粒點(diǎn)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(fù)至少三次測(cè)量，取平均值，記作A組。

選用鋁質(zhì)易拉罐，其拉環(huán)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(nèi)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(gè)三角形空缺，當(dāng)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(diǎn)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(fù)至少三次測(cè)量取平均值，記作B組。

用多層錫紙包裹在鋁質(zhì)易拉罐內(nèi)層，底部也剪個(gè)三角形，取一粒點(diǎn)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(fù)至少三次平行實(shí)驗(yàn)取平均值，記作C組。

用兩個(gè)易拉罐做成簡易裝置。將一個(gè)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(gè)三角形空缺。將另一個(gè)易拉罐底部突出部分以內(nèi)全部剪去，周圍盡量不留明顯突起，然后將兩個(gè)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(diǎn)燃花生子葉，用解剖針垂直扎入其中，重復(fù)至少三次測(cè)量取平均值，記作D組。

6實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

6.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將各組數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后，繪制成柱狀圖。

6.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

A組中，整粒種子燃燒時(shí)，集中燃燒而散發(fā)到周圍空間的熱量較多，直接加熱試管的熱量相對(duì)就少了，所以A組誤差比較大。B組在罐內(nèi)燃燒時(shí)，由于易拉罐的局部空間限制，熱量散失相對(duì)較少，測(cè)量得到數(shù)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(xué)生不易找材料就放棄了。

本實(shí)驗(yàn)是一個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)應(yīng)放在提出問題、作出假設(shè)以及根據(jù)提出的問題和作出的假設(shè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟。通過測(cè)量食物燃燒放出熱能的多少來測(cè)定食物中的能量是一種粗略的方法，存在著較大的實(shí)驗(yàn)誤差，因此對(duì)引起實(shí)驗(yàn)誤差原因的分析應(yīng)該是本實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要內(nèi)容。引起實(shí)驗(yàn)誤差的原因大致包括：一部分熱能轉(zhuǎn)化為光能、熱傳遞引起的能量散失、燃燒不充分、實(shí)驗(yàn)材料的選取、實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)、加熱不均勻、讀數(shù)不準(zhǔn)確（天平精確度不高）等。實(shí)際上花生的能量值是12.47kJ/g。筆者通過多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)最后一種實(shí)驗(yàn)裝置能量相對(duì)耗損最少，誤差最小。使用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行探究，簡單易行，不僅使實(shí)驗(yàn)更加接近真實(shí)值，還培養(yǎng)了學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)生物學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生對(duì)生物學(xué)學(xué)習(xí)的積極性。