“食物中能量的釋放”一節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

丁元元 李樂峰

（1 安徽省淮北市西園中學(xué) 安徽淮北 235000 2 安徽省淮北市教育局教研室 安徽淮北 235000）

生物學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)。在“食物中能量的釋放”一節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段，很難達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。采用傳感器等技術(shù)輔助教學(xué)，能有效激發(fā)學(xué)生探索科學(xué)事實(shí)的熱情，助推學(xué)生形成“科學(xué)催生技術(shù)，技術(shù)服務(wù)于生活”的理念，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。

1 教材及學(xué)情分析

本節(jié)課是北師大版生物學(xué)7年級(jí)上冊(cè)第10章第1 節(jié)的內(nèi)容，屬于課程標(biāo)準(zhǔn)中一級(jí)主題“生物圈中的人”及二級(jí)主題“人體生命活動(dòng)的能量供給”。課程標(biāo)準(zhǔn)要求教師要引導(dǎo)學(xué)生形成以下重要概念：①人體正常生命活動(dòng)需要能量，能量來自食物中的糖類等有機(jī)物；②細(xì)胞通過呼吸作用將糖類等有機(jī)物氧化分解釋放能量［1］。對(duì)于重要概念的理解需要事實(shí)性知識(shí)支持，實(shí)驗(yàn)“探究不同食物貯存能量的差異”可讓學(xué)生直觀地觀察到食物中儲(chǔ)存著能量；“檢驗(yàn)人體呼出氣體成分的變化”能讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到“人體細(xì)胞利用氧氣分解有機(jī)物，產(chǎn)生二氧化碳和水，同時(shí)釋放能量，通過呼吸作用供給人體生命活動(dòng)的需求”。這些事實(shí)性知識(shí)是幫助學(xué)生形成重要概念的關(guān)鍵。但是，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生化學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)及“安全操作燃燒實(shí)驗(yàn)技能”要求較高，對(duì)7年級(jí)學(xué)生有一定難度。

2 設(shè)計(jì)思路

通過生活實(shí)例——劈柴燒水，引導(dǎo)學(xué)生理解“測(cè)定食物能量”實(shí)驗(yàn)的基本原理和方法。針對(duì)分組實(shí)驗(yàn)安全隱患問題，教師課前與興趣小組學(xué)生合作錄制微課，課堂上播放操作過程，呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生分析、計(jì)算，并討論造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差的原因。在幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到“有機(jī)物中貯存能量”這一事實(shí)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。關(guān)于“人體細(xì)胞通過呼吸作用氧化分解有機(jī)物釋放能量”的概念教學(xué)，需要演示實(shí)驗(yàn)“檢驗(yàn)人體呼出氣體成分的變化”做鋪墊。筆者采用POE 教學(xué)策略，通過預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)（P）、觀察現(xiàn)象（O）、分析解釋（E）活動(dòng)促使學(xué)生在從現(xiàn)象到本質(zhì)、從定性到定量的探究過程中形成“人體細(xì)胞通過呼吸作用氧化分解有機(jī)物釋放能量”的重要概念。引導(dǎo)學(xué)生回憶7年級(jí)上冊(cè)學(xué)習(xí)的“植物呼吸作用”的反應(yīng)式，大膽猜測(cè)“人體細(xì)胞獲得能量的方式與植物呼吸作用相同——利用氧氣分解有機(jī)物，產(chǎn)生二氧化碳和水，同時(shí)釋放能量”。利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)時(shí)檢測(cè)出：人體呼出氣體中氧氣含量下降，二氧化碳含量升高，從而驗(yàn)證學(xué)生的假設(shè)。然后組織學(xué)生分析證據(jù)，促使其從現(xiàn)象到本質(zhì)認(rèn)識(shí)“呼吸作用”，理解“呼吸作用”這一重要概念。

3 教學(xué)目標(biāo)

1）知識(shí)目標(biāo)：知道測(cè)定食物能量的基本方法，說出燃燒與呼吸作用本質(zhì)的共性與區(qū)別；說明能量來自細(xì)胞中有機(jī)物的氧化分解，闡述呼吸作用的實(shí)質(zhì)和意義；了解檢測(cè)氧氣和二氧化碳的方法。

2）能力目標(biāo)：通過討論設(shè)計(jì)測(cè)量食物熱價(jià)的簡(jiǎn)易方法，培養(yǎng)發(fā)散思維與表達(dá)交流能力；通過讀取傳感器數(shù)據(jù)，了解人體吸入與呼出氣體中氧氣與二氧化碳含量的變化，進(jìn)而理解“呼吸作用”概念。

3）情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：認(rèn)同人體需要的能量來自食物中的有機(jī)物；通過分析實(shí)驗(yàn)誤差的原因，逐步形成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度；形成“科學(xué)催生技術(shù)，技術(shù)服務(wù)于生活”的理念，立志學(xué)習(xí)新知識(shí)、新技術(shù)。

4 教學(xué)重、難點(diǎn)

1）重點(diǎn)：知道測(cè)定食物能量的基本原理和方法；理解呼吸作用的實(shí)質(zhì)和意義。

2）難點(diǎn)：如何引導(dǎo)學(xué)生將體外燃燒和細(xì)胞的呼吸作用這2 個(gè)過程相聯(lián)系。

5 教學(xué)過程

5.1 創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課 播放廣告《餓的時(shí)候，你是誰(shuí)？》并利用問題激發(fā)學(xué)生探究的熱情。教師提問：廣告內(nèi)容是否可信？吃了×××以后就能恢復(fù)體力，做回自己？食物中是否有能量？從廣告入手，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)其探究的熱情，引出本課重要內(nèi)容。

5.2 層層設(shè)疑，引導(dǎo)學(xué)生探究“不同食物貯存能量的差異” 教師在屏幕中展示游泳運(yùn)動(dòng)員補(bǔ)充能量和本班學(xué)生在校外進(jìn)食的圖片。設(shè)疑：食物中的能量是如何釋放的? 不同食物中所含的能量是否相同?如何測(cè)定食物中貯存能量的多少?

引導(dǎo)學(xué)生類比“劈柴燒水”的實(shí)例，分析理解“測(cè)定食物能量”的基本原理及方法。播放自制的視頻《測(cè)量不同食物貯存的能量》，指導(dǎo)學(xué)生利用測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算食物熱價(jià)。學(xué)生認(rèn)真觀看，明確實(shí)驗(yàn)操作步驟，并計(jì)算不同營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的熱價(jià)。理解實(shí)驗(yàn)原理、測(cè)量方法和計(jì)算公式。

圖1 食物熱價(jià)計(jì)算公式

“探究食物貯存能量差異”實(shí)驗(yàn)存在一定的安全隱患（需要通過燃燒使一定體積的水溫度升高，以計(jì)算食物釋放能量的多少）。教師播放課前錄制的視頻，在直觀展示探究活動(dòng)的方法、過程及結(jié)果的同時(shí)，有效解決了“探究與安全”的矛盾，且節(jié)約了課內(nèi)時(shí)間。

引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到燃燒的本質(zhì)是劇烈的氧化反應(yīng)，而生物體內(nèi)有機(jī)物釋放能量是通過呼吸作用實(shí)現(xiàn)的。引導(dǎo)學(xué)生回顧“植物細(xì)胞的呼吸作用”，猜想有機(jī)物在人體細(xì)胞內(nèi)釋放能量的過程。

設(shè)疑：如果人體細(xì)胞內(nèi)有機(jī)物釋放能量的過程如大家猜測(cè)的那樣，人體呼出的氣體中氧氣的含量應(yīng)該減少，而二氧化碳的含量會(huì)增加。事實(shí)是否如此？如何證明？

演示創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)“檢驗(yàn)人體呼出氣體成分的變化”（利用iPad 拍攝，實(shí)時(shí)同屏展示演示過程），展示自制連接氧氣、二氧化碳傳感器的裝置，打開容器口，儀器顯示空氣中氧氣及二氧化碳的濃度示數(shù)（圖2）。再請(qǐng)一位學(xué)生向容器內(nèi)吹氣，儀器實(shí)時(shí)顯示2 種氣體濃度的變化（圖3）。

圖2 空氣中二氧化碳、氧氣濃度示數(shù)

圖3 人體呼出氣體中二氧化碳、氧氣濃度示數(shù)

通過顯示器學(xué)生觀察到隨著人體不斷呼氣，容器內(nèi)氧氣濃度示數(shù)下降，二氧化碳濃度示數(shù)上升。思考、總結(jié)：人呼出的氣體和空氣相比，氧氣含量減少、二氧化碳含量增多。從而驗(yàn)證猜想，構(gòu)建“人體細(xì)胞通過呼吸作用氧化分解有機(jī)物釋放能量”的重要概念,總結(jié)得出呼吸作用的概念、實(shí)質(zhì)及意義。

運(yùn)用POE 策略（猜想預(yù)測(cè)—觀察現(xiàn)象—分析解釋）激發(fā)學(xué)生探究的熱情，訓(xùn)練其思維能力。利用直觀數(shù)據(jù)驗(yàn)證學(xué)生猜想，體驗(yàn)成功的快樂。同時(shí)感受數(shù)字化儀器及信息技術(shù)給科學(xué)探究活動(dòng)帶來的便捷，激發(fā)其積極學(xué)習(xí)新知識(shí)、新技術(shù)的熱情。

5.3 板書設(shè)計(jì)

圖4 本節(jié)課知識(shí)綱要

6 實(shí)驗(yàn)教學(xué)反思

本實(shí)驗(yàn)課在自制微課、傳感器、智慧課堂一鍵同屏等新設(shè)備、新技術(shù)的支持下，在有限的時(shí)間內(nèi)完成預(yù)設(shè)學(xué)習(xí)目標(biāo)，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課因場(chǎng)地少、監(jiān)管人力缺乏及課時(shí)緊張而無(wú)法正常開展的難題，有效避免傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的安全隱患，且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。

在“檢驗(yàn)人體呼出氣體成分的變化”實(shí)驗(yàn)中，通過使用氧氣和二氧化碳傳感器實(shí)時(shí)顯示“呼出氣體中氧氣濃度下降，二氧化碳濃度上升”，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果量化，在得出定性結(jié)果的同時(shí)兼顧定量結(jié)論，為學(xué)生后續(xù)的深入學(xué)習(xí)（例如，化學(xué)學(xué)科有關(guān)空氣的成分）及思維的發(fā)展打下基礎(chǔ)。

本節(jié)實(shí)驗(yàn)課的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，有效調(diào)動(dòng)了學(xué)生的興趣，為激勵(lì)學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)新知識(shí)、新技術(shù)起到強(qiáng)有力的推動(dòng)作用。