用數(shù)字化設(shè)備創(chuàng)新實(shí)驗教學(xué)

姚國平

摘 要 在“做中學(xué)”理念的引領(lǐng)下，通過對“呼吸作用”這一重要概念的理性分析，運(yùn)用數(shù)字化設(shè)備拓展和創(chuàng)新教材實(shí)驗，在實(shí)證的基礎(chǔ)上幫助學(xué)生形成重要概念。

關(guān)鍵詞 實(shí)驗教學(xué) 數(shù)字化設(shè)備 實(shí)驗創(chuàng)新 呼吸作用

中圖分類號 G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

1 實(shí)驗教學(xué)背景

“呼吸作用”是初中生物學(xué)的50個重要概念之一，要求學(xué)生能夠描述“在生物體內(nèi)，細(xì)胞能通過分解糖類等獲得能量，同時生成二氧化碳和水”。蘇科版初中教材把這一概念安排在七年級上冊第三單元“生物從環(huán)境中獲取物質(zhì)和能量”第七章“能量的釋放和呼吸”第一節(jié)“能量的釋放和利用”。顯然，這是從“物質(zhì)和能量”這一生命觀念角度來審視這一概念的。

新課標(biāo)在實(shí)施建議中明確指出：在概念教學(xué)中，教師需要向?qū)W生提供豐富的、有代表性的事實(shí)來為學(xué)生的概念形成提供支撐。學(xué)生已經(jīng)初步積累的事實(shí)是概念建構(gòu)的重要基礎(chǔ)，主要來源于兩方面：

① 日常生活中積累的經(jīng)驗，即人體呼吸需要吸收氧氣、放出二氧化碳；

② 課堂學(xué)習(xí)中積累的知識，通過“植物光合作用”的學(xué)習(xí)知道了有機(jī)物中儲存能量，通過“驗證食物中含有能量”，了解到有機(jī)物通過燃燒能釋放熱能。此外，為了幫助學(xué)生充分獲取事實(shí)，蘇科版教材安排了三項探究活動：“體驗?zāi)芰康尼尫排c呼吸作用的關(guān)系” “驗證呼吸作用過程中氣體的變化” “探究種子呼吸過程中釋放熱量”。教材試圖以實(shí)證的方式幫助學(xué)生形成相應(yīng)概念。

綜合上述分析，學(xué)生已有的知識經(jīng)驗以及在探究過程中所形成的認(rèn)識，的確能為概念的形成提供必要的事實(shí)性知識，但是仍然存在一些不足之處。這是因為：

①這些事實(shí)、證據(jù)并不特別充分。人體呼吸“吸收氧氣、放出二氧化碳”這一事實(shí)只是生活體驗，缺乏實(shí)證；個體、器官能發(fā)生呼吸作用，難道就能說明細(xì)胞在進(jìn)行呼吸作用嗎？顯然，這里未能形成一個符合邏輯的證據(jù)鏈條，缺乏充分的證據(jù)作為推理的基礎(chǔ)。

② 實(shí)驗設(shè)計的不足。實(shí)驗材料選擇單一，僅用新鮮菠菜和萌發(fā)的種子進(jìn)行實(shí)驗驗證，難以有效引導(dǎo)學(xué)生從一般到特殊歸納知識，從而把握概念內(nèi)涵，不利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的；實(shí)驗形式比較單一，教材都是定性實(shí)驗，無法直觀體驗二氧化碳和氧氣的變化過程，也無法滿足定量比較的要求；實(shí)驗原理相對復(fù)雜，需要補(bǔ)充氧氣、二氧化碳的化學(xué)性質(zhì)，讓學(xué)生理解實(shí)驗原理，增加了認(rèn)知負(fù)荷；實(shí)驗操作困難，要讓氧氣（二氧化碳）的濃度下降（上升）到一定的量在短時間內(nèi)是無法實(shí)現(xiàn)的，一旦失敗不能馬上重復(fù)利用，實(shí)驗成功率受到一定影響。

實(shí)驗是促成學(xué)生建立、理解和應(yīng)用重要概念的主要教學(xué)方式之一。秉承“做中學(xué)”的教學(xué)理念，筆者努力拓展實(shí)驗教學(xué)的空間，創(chuàng)新實(shí)驗教學(xué)的形式，以期通過實(shí)驗探究，讓學(xué)生深入認(rèn)識呼吸作用的本質(zhì)，同時提供豐富的科學(xué)事實(shí)，為重要概念的形成提供有力支撐。

2 實(shí)驗教學(xué)目標(biāo)

基于課程、教材及學(xué)情分析，確定以下實(shí)驗教學(xué)目標(biāo)：

（1） 通過實(shí)驗探究，獲取充分的科學(xué)事實(shí)，說出能量釋放和呼吸作用的關(guān)系，描述呼吸作用的含義。

（2） 通過系列實(shí)驗的探究，嘗試從不同角度證明一個科學(xué)結(jié)論的方法，提高科學(xué)探究中理性思維的能力。

（3） 通過實(shí)驗探究的定量化處理，嘗試用數(shù)據(jù)和圖表表達(dá)實(shí)驗結(jié)果，提高獲取信息和處理信息的能力。

（4） 通過數(shù)字化設(shè)備的充分運(yùn)用，認(rèn)同信息技術(shù)在科學(xué)探究中的重要價值。

3 實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容

3.1 第一組實(shí)驗：探究呼吸過程中氣體成分的變化

教師設(shè)計6個實(shí)驗，分別探究人體、青菜的植株、萌發(fā)的種子、西芹的莖、蘿卜（塊根）、酵母菌在呼吸過程中氧氣和二氧化碳的變化。

設(shè)計意圖：這一組實(shí)驗根據(jù)實(shí)際情況，有的適于課堂演示，有的需要課前探究。設(shè)計的6個實(shí)驗中，實(shí)驗對象涉及動物、植物、單細(xì)胞生物，目的在于通過實(shí)驗現(xiàn)象讓學(xué)生認(rèn)識到：生物都會發(fā)生呼吸作用，且都是消耗氧氣、釋放二氧化碳，動搖“動物只進(jìn)行呼吸作用，植物只進(jìn)行光合作用”的前概念；個體、器官、細(xì)胞都能進(jìn)行呼吸作用，呼吸作用實(shí)則上產(chǎn)生于活的細(xì)胞；呼吸作用過程中會消耗有機(jī)物（酵母菌在實(shí)驗過程中需要添加葡萄糖），有機(jī)物的變化和氣體的變化之間存在某種聯(lián)系。由此，教師幫助學(xué)生從細(xì)胞水平深入認(rèn)識呼吸作用，利于從宏觀到微觀，以歸納的方式把握概念內(nèi)涵。

3.2 第二組實(shí)驗：探究呼吸過程中能量的釋放

實(shí)驗1：探究人體運(yùn)動過程中熱能的釋放。

實(shí)驗2：探究種子萌發(fā)過程中熱能的釋放。

實(shí)驗3：探究有機(jī)物燃燒過程中熱能的釋放。

設(shè)計意圖：通過實(shí)驗1、2，幫助學(xué)生建立感性認(rèn)識：不論是人體（動物），還是植物，在呼吸作用過程中都有能量產(chǎn)生。通過回憶實(shí)驗3（在第五章“營養(yǎng)物質(zhì)的作用”這節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)中已做過該實(shí)驗），教師引導(dǎo)學(xué)生建立了觀念儲存在細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)物可以通過類似“燃燒”的方式釋放能量。

4 實(shí)驗教學(xué)方法與過程

4.1 數(shù)字化設(shè)備簡介

實(shí)驗中使用了兩種數(shù)字化設(shè)備：一種是SWR（蘇威爾）數(shù)字化實(shí)驗系統(tǒng)，是基于傳感技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的實(shí)驗平臺，用于在實(shí)驗中測量、采集變量數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，主要設(shè)備由計算機(jī)、采集器、傳感器、軟件系統(tǒng)組成。另一種是穿戴式智能體溫計，其工作原理是利用物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)，將熱敏體溫傳感器采集到的人體體溫數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過藍(lán)牙或WIFI技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)上，自動生成體溫變化曲線圖。

4.2 探究呼吸過程中氣體成分的變化——氧氣的變化

4.2.1 探究人體在呼吸過程中氧氣的變化

實(shí)驗器材：數(shù)字化實(shí)驗系統(tǒng)（氧氣傳感器）、吹嘴。

實(shí)驗步驟：

① 連接實(shí)驗裝置（圖1）。將吹嘴與氣流頭組裝好，將氧氣傳感器接入數(shù)據(jù)采集器，然后與計算機(jī)連接。

② 設(shè)置實(shí)驗參數(shù)。打開實(shí)驗系統(tǒng)軟件，進(jìn)入實(shí)驗平臺，添加“氧氣—時間”坐標(biāo)關(guān)系，實(shí)驗時間設(shè)置“20 s”，采集間隔“500 ms”。

③ 開始實(shí)驗。點(diǎn)擊開始按鈕，同時向吹嘴用力呼一口氣。

④ 采集結(jié)束，保存數(shù)據(jù)，對實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行分析。

實(shí)驗結(jié)論：平緩的曲線表示吸入氣體（空氣）中氧氣的含量，下降的曲線表示呼出氣體中氧氣的含量（圖2），通過設(shè)置這樣的對照實(shí)驗，學(xué)生能得出“人體呼吸過程中需要消耗氧氣”的結(jié)論。

4.2.2 探究植物在呼吸過程中氧氣的變化

準(zhǔn)備甲、乙兩個帶密封蓋的塑料杯，甲中放入根、莖、葉或萌發(fā)的種子（圖3），乙中不放任何材料，實(shí)驗時間設(shè)置為“10 min”，采集間隔為“1 min”，進(jìn)行實(shí)驗。根據(jù)圖表數(shù)據(jù)和圖像曲線（圖4，僅呈現(xiàn)實(shí)驗組圖像數(shù)據(jù)），學(xué)生能得出相應(yīng)結(jié)論。

（說明：用植物做實(shí)驗材料時，短時間內(nèi)的氧氣含量變化趨勢在圖像中表現(xiàn)得不是特別明顯，但可以結(jié)合圖像左側(cè)表格中的數(shù)據(jù)來比較分析。）

4.2.3 探究酵母菌在呼吸過程中氧氣的變化

同樣準(zhǔn)備甲、乙兩個帶密封蓋的塑料杯，分別裝入100 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的葡萄糖溶液，然后甲中加入5g酵母干粉，乙中加入5g淀粉（圖5）。通過設(shè)置對照實(shí)驗，學(xué)生比較變化曲線（圖6，僅呈現(xiàn)實(shí)驗組圖像），能得出相應(yīng)結(jié)論。

4.3 探究呼吸作用氣體成分的變化——二氧化碳的變化

用同樣的方法，使用二氧化碳傳感器測量呼吸作用過程中二氧化碳含量的變化，部分實(shí)驗組（西芹、酵母菌）的數(shù)據(jù)圖像如圖7、圖8所示。

4.4 探究呼吸過程中能量的釋放

4.4.1 探究人體運(yùn)動過程中熱能的釋放

將智能藍(lán)牙溫度計固定在上臂肱二頭肌處，在智能手機(jī)上打開藍(lán)牙及手機(jī)APP，測量曲肘和伸肘過程中溫度的變化，與不活動時進(jìn)行對照，比較分析實(shí)驗結(jié)果（圖7）。

4.4.2 探究種子呼吸過程中熱能的釋放

使用蘇威爾數(shù)字化設(shè)備中的溫度傳感器（或者智能藍(lán)牙溫度計）測量種子萌發(fā)過程中溫度的變化，與沒有萌發(fā)的種子進(jìn)行對照，比較分析實(shí)驗結(jié)果（圖10，僅呈現(xiàn)實(shí)驗組圖像）。

4.4.3 探究有機(jī)物燃燒過程中熱能的釋放

教師引導(dǎo)學(xué)生回憶在第5章第2節(jié)“營養(yǎng)物質(zhì)的作用”做過的“驗證食物中含有能量”這一實(shí)驗。

5 實(shí)驗教學(xué)反思與評價

5.1 改善學(xué)習(xí)環(huán)境，提高實(shí)驗效率

數(shù)字化設(shè)備進(jìn)入實(shí)驗領(lǐng)域，營造了一種數(shù)字化的學(xué)習(xí)環(huán)境。實(shí)驗借助傳感器實(shí)時獲取數(shù)據(jù)，并自動生成曲線，不僅可以提高實(shí)驗效率，還能提高實(shí)驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，有利于學(xué)生取得更佳的學(xué)習(xí)效果，體驗到技術(shù)帶來的魅力。

5.2 重視定量實(shí)驗，了解事物本質(zhì)

新課標(biāo)指出，在重視定性實(shí)驗的同時，也應(yīng)重視定量實(shí)驗，讓學(xué)生在量的變化中了解事物的本質(zhì)。使用傳感器檢測，可將定性的結(jié)果檢測方法改為定量實(shí)驗，通過數(shù)字、圖表等直觀的數(shù)據(jù)精確反映實(shí)驗結(jié)果，有利于學(xué)生在采集數(shù)據(jù)、用數(shù)據(jù)表達(dá)實(shí)驗結(jié)果過程中從“量”的角度深入認(rèn)識呼吸作用的本質(zhì)，同時在分析數(shù)據(jù)過程中提高理性思維能力。

5.3 充分設(shè)計實(shí)驗，建構(gòu)科學(xué)概念

科學(xué)知識的形成過程，也是科學(xué)論證的過程，即通過獲取、使用證據(jù)，推理得出結(jié)論。通過設(shè)計多種類型、多種形式的實(shí)驗，能讓學(xué)生多角度、多途徑獲取豐富的事實(shí)，有利于引導(dǎo)學(xué)生以科學(xué)事實(shí)為證據(jù)，以邏輯思維為工具，理解科學(xué)的本質(zhì)，建構(gòu)科學(xué)的概念。