基于優(yōu)化實驗方案的“食物與能量”的教學設計

黃建林

(浙江省紹興市柯橋區(qū)蘭亭中學 紹興 312045)

1 教材分析及設計思路

“食物與能量”是浙教版科學九年級上冊第4章第1節(jié)的內容，對這一章后面幾節(jié)的學習起到統(tǒng)領作用，本節(jié)內容在小學科學四年級下冊第3章“食物”已經(jīng)基本涉及，它是對小學知識的延伸和深化，每個學生對食物都是很熟悉的，但對食物所含的營養(yǎng)及其提供給人體的能量卻不了解，這正是本節(jié)的主要學習內容，也是重點與難點。本節(jié)課基于實驗方案的設計與優(yōu)化而展開，通過一系列的問題情境和實驗激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)他們分析、歸納、概括問題的能力，同時通過實驗，讓學生更直觀認識和比較三種主要營養(yǎng)素所含的能量的多少。

2 教學目標

基于課程標準并圍繞培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的要求，制定如下的教學目標：

(1) 通過食譜中營養(yǎng)物質的舉例，知道人體內主要的三大類營養(yǎng)素，并通過實驗理解它們在人體內產(chǎn)生能量是不同的。

(2) 通過對人體內三大類營養(yǎng)素所含能量實驗方案的設計與優(yōu)化，掌握生物學實驗的設計方法與改進措施，從而促進科學思維的發(fā)展。通過對實驗現(xiàn)象進行分析討論，提高分析問題和解決問題的能力。

(3) 通過設計與優(yōu)化測定不同食物的能量實驗，培養(yǎng)實事求是、嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，通過對肥胖的論證，培養(yǎng)辯證的哲學觀點和生活態(tài)度。

3 教學過程

3.1 “最胖”食譜 引出問題 教師提供三份食物：一份飯、一份肥肉、一份牛肉。問：三份食譜中所含主要營養(yǎng)物質是什么？最容易胖的食物是哪個？并說明理由。大多數(shù)學生認為“飯容易致胖”，理由是飯中含有的能量多；也有學生認為肥肉易致胖，很少學生認為牛肉致胖。教師設問：怎么比較營養(yǎng)物中能量的多少？引出本節(jié)課的探究問題：同質量的不同物質(蛋白質、脂肪、糖類)釋放的能量哪個更多？

設計意圖：從學生最關注的肥胖問題出發(fā)，引出本節(jié)課的主要問題，激起學生的求知欲和好奇心。

3.2 利用轉換法 初設實驗方案 教師提供以下器材：燃燒匙、食物、酒精燈、火柴、試管、溫度計、水、鐵架臺等裝置，讓學生通過小組分工合作，用這些器材來設計一個能比較食物里面所含能量的多少的裝置，先設計出方案的簡圖。學生小組討論后主要提出兩種方案：①用燃燒食物時間長短來比較能量的多少；②往試管中裝水，然后插入溫度計通過燃燒食物使溫度計示數(shù)上升，通過示數(shù)變化的多少來判斷食物中能量的多少。引導學生對兩種方案進行評價：第一種用燃燒時間長短來衡量能量的多少不十分可靠，主要因為不同食物燃燒的影響因素不一樣，有食物的易燃性、食物的顆粒大小以及跟空氣的接觸面積等影響因素導致燃燒劇烈程度不一樣。第二種方案相對科學。教師追問：第二種方案中的溫度計的作用是什么？為什么水溫升高的多少可以比較食物能量的多少？學生回答后，教師最后點出這種科學方法叫做轉換法。

設計意圖：通過讓學生分組合作提出實驗方案，并引導學生對方案進行評價，來滲透科學的研究思路與方法。

3.3 思維碰撞 優(yōu)化方案 教師出示剛才學生設計的比較合理的實驗方案，問：是否可以按此方案中的裝置直接進行實驗？學生交流討論，認為按此方案進行實驗存在幾個問題：①裝置沒有固定，應用鐵架臺固定裝置，而溫度計應用橡皮塞固定。②熱量損失太多，誤差太大。加熱時最好需加個擋風裝置以減少熱量散失而導致實驗的誤差。③探究材料沒控制好變量，應控制變量。如應控制質量、切碎程度、試管距火焰的距離、對食物的烘干程度、水的量、試管的大小、燃燒匙的大小等都保持一致。教師肯定和評價學生的意見后，繼續(xù)在幕上投出兩支試管(上面都有一只溫度計并都插在橡皮塞中)，而且溫度計液面都剛好在橡皮塞中。有學生提出在這橡皮塞上應開一個洞，方便看到溫度計示數(shù)，這樣在大家的提議下，最終的實驗裝置如圖1所示。

圖1 優(yōu)化后的裝置圖

圖2 固定食物裝置

設計意圖：在對方案不斷評價和優(yōu)化的過程中，培養(yǎng)學生的質疑能力、創(chuàng)新能力以及批判性思維能力。

3.4 親歷實驗 升級優(yōu)化 根據(jù)學生優(yōu)化的實驗方案提供實驗器材，并按4人一小組進行實驗，3～4組學生選用同一種材料進行實驗，一邊實驗，一邊將實驗結果填寫在表1中。

表1 不同食物材料燃燒前后的溫度變化情況

最后把不同小組的結果呈現(xiàn)出來，讓大家共同分析，由多數(shù)組的結果分析可知燃燒花生仁提供的能量最多。但通過不同表格的分析也發(fā)現(xiàn)了一些問題：同種食物的不同組別升高的溫度有的差異很大。組織學生對其原因進行討論和分析，從學生對實驗過程的總結發(fā)言中可知：誤差大的幾組點火過程中熄滅的次數(shù)較多、火焰距離試管底較遠、點燃后移到試管底部速度太慢、酒精燈加熱部位不一樣、有些組在實驗中沒燒完就匆忙結束實驗。教師適時引導學生：優(yōu)化方案不但要從器材、材料上進行優(yōu)化，也要從操作上進行優(yōu)化(特別是在用燃燒匙燒食物時，由于時間長，會導致手酸而上下抖動，建議把燃燒匙改成如圖2所示的固定食物裝置：用鐵絲彎成的三角形底座，前端有帶小鉤的酒瓶蓋，將花生等食物放在上面不易掉落，同時為使食物燃燒更完全，建議在酒瓶蓋上打幾個小洞)，使實驗方案更趨合理、誤差更小、結論更準確。花生仁組有學生質疑：以花生仁作為材料，基本上花生都沒有燒完，溫度卻早就達到了100℃，這從實驗的精確性上有問題。教師肯定質疑有理并問學生應該怎么優(yōu)化此實驗方案呢？同樣在學生的交流討論后有兩種改進方案：①減少食物的質量，從1g變成0.5g；②增加水的體積，從5mL變成10mL。

設計意圖：通過實驗培養(yǎng)學生觀察、動手能力，通過實驗結果的分析討論培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

3.5 平衡膳食 加強鍛煉 呈現(xiàn)科學家得出的數(shù)據(jù)，蛋白質、糖類、脂肪1g所燃燒后所釋放的熱量分別為：16.8kJ、 16.8kJ和37.7kJ，再次證明同等質量的營養(yǎng)素中脂肪所含的能量最多。經(jīng)過實驗得到一致結論的學生，以及之前選擇肥肉易致胖的學生都會印象深刻。這時教師反問：真的是吃肥肉的人最容易胖嗎？在這樣的反問下，學生馬上想到除了能量獲得還要考慮能量散失，所以單純認為吃肥肉會胖，從科學角度說也是錯的。引導學生應該多加運動，均衡膳食。繼續(xù)設問：燃燒1g花生仁所釋放的熱量大約是3kJ，為什么相差這么大？引導學生思考回答：一是因為燃燒會有熱量散失導致誤差；二是花生仁中還有其他營養(yǎng)素。教師繼續(xù)設問：為什么像花生仁等營養(yǎng)素在體內釋放的能量可以用燒的形式來估算呢？讓學生明白：雖然劇烈程度不一樣，但在體外燃燒跟體內緩慢氧化所釋放的能量是一樣的。

設計意圖：從科學家測出的數(shù)據(jù)和真實的花生仁釋放的熱量差距分析入手，培養(yǎng)學生對比思維和分析問題的能力。從飲食與肥胖關系的探討，首尾呼應，培養(yǎng)學生對待科學問題的嚴謹性，并自覺平衡膳食，加強鍛煉。

4 教學反思

生物學課堂中，教師應多讓學生動手做實驗，從而培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。而在動手實驗方面，學生最薄弱的是對實驗方案的設計及優(yōu)化。

因此，教師應加強這方面的訓練和培養(yǎng)。本節(jié)課的教學中，從學生感興趣的肥胖問題和食譜能量入手，首先讓學生根據(jù)教師提供的材料進行分組方案設計，集中討論分析來優(yōu)化方案，在此過程中教師適時滲透生物學的科學方法，如轉換法、控制變量法、對比法等，使得知識和方法緊密結合、螺旋上升。然后學生動手操作，在操作后再反思實驗方案的完善提高，學生積極性和收獲都很大。

(基金項目：浙江省教學研究課題“‘高見度’微創(chuàng)實驗的開發(fā)和教學研究”，No.06329)