基于跨學科整合的創新實驗設計
——以“探究吸煙對健康的危害”為例

徐 力

（南京市第十三中學鎖金分校 江蘇南京 210000）

1 實驗創新背景

吸煙的危害越來越受到社會公眾的關注。香煙燃燒過程中會產生焦油、尼古丁等多種有害物質。其中，焦油容易損傷呼吸道粘膜，是誘發癌變的主要因素；尼古丁不僅會引起血管收縮，導致血壓升高，還能使人“上癮”，造成神經系統損傷。央視新聞曾經報道，我國青少年吸煙率達到6.9%，可見當前我國中學生吸煙的問題日趨嚴重，還有很多學生長期處于被動吸煙的環境中。因此，讓學生認識到吸煙的危害，具有非常重要的教育意義。為此，《義務教育生物學課程標準（2017年版2022年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）特別提出不僅要讓青少年充分認識吸煙的危害，自覺拒絕吸煙，還要向家人及社會大眾宣傳吸煙有害健康。目前各個版本的生物學教材中也都安排了相關的教學內容。但在實際教學過程中，筆者產生了一些困惑：現在使用的蘇教版教材中缺乏吸煙危害的相關實驗，而是通過圖片、視頻等他人的描述告訴學生吸煙的危害，對學生的觸動不大，學生并沒有感同身受。翻閱其他版本教材，發現蘇科版教材中設置了“探究煙草浸出液對金魚呼吸次數的影響”的實驗，人教版教材中設置了“探究煙草浸出液對水蚤心率的影響”的實驗。對這兩個實驗，筆者也有以下幾點困惑：（1）金魚呼吸頻率和水蚤心率都較快，且水蚤需在顯微鏡下觀察計數，實驗操作復雜，誤差大；（2）兩個實驗采用的都是煙草浸出液，而吸煙者實際吸入的是煙草燃燒后的煙氣，這兩個實驗與實際吸煙情況并不一致；（3）兩個實驗都沒有直觀呈現煙氣中有害成分的危害。

2 實驗教學目標

①通過對實驗的觀察與分析，說明吸煙對人體健康的危害。

②通過探究煙氣浸出液對紅斑馬魚生命的影響，體會探究的基本過程，提高動手操作的實驗技能，形成合作意識和嚴謹求實的科學態度。

③養成良好的生活習慣，積極宣傳吸煙的危害，做精神文明的促進者。

3 實驗創新要點

①改進實驗裝置收集煙氣，用煙氣浸出液代替煙草浸出液，更符合吸煙時的真實情景。

②通過負壓排水裝置和注射器收集裝置收集煙氣，利用衛生紙或棉花吸附黃色物質以直觀展現煙氣中焦油等有害物質容易吸附在人體的特點，通過煙氣使高錳酸鉀溶液褪色以直觀展現煙氣中的還原性物質可與人體細胞爭奪氧并影響人體生理活動。

③用觀察煙氣浸出液對紅斑馬魚生命的直觀危害代替觀察煙草浸出液對水蚤心率或金魚呼吸的影響，實驗更加直觀，操作更加簡便。

4 實驗教學過程

4.1 負壓排水法收集煙氣，呈現有害物質

教師提出問題：人體吸入的煙氣中含有害物質嗎？并出示實驗裝置1（圖1），介紹裝置礦泉水瓶、吸管、香煙、止水夾、衛生紙或棉花、水槽等實驗器材。本實驗原理是：利用負壓排水法收集煙氣，根據煙氣中煙焦油等有害物質易吸附的特點展示有害物質。接著，教師演示“收集煙氣→吹氣→觀察”實驗，引導學生觀察實驗現象：衛生紙或棉花上出現了焦黃色的附著物。學生討論，得出實驗結論：煙焦油等有害物質能吸附在人體肺部，危害呼吸系統的正常功能。最后，教師展示吸煙患者的牙齒圖片、吸煙者與正常人的肺部圖片對比，引發學生關注吸煙與肺癌的關系。

設計意圖：教師利用負壓排水法將煙氣吸入瓶中，學生可以直觀地看見瓶中的煙氣。再利用吸管將煙氣吹到衛生紙或者棉球上，讓學生親眼見到煙氣中的有害成分，并且使學生認識到這些有害成分很容易吸附在吸煙者的牙齒及呼吸道處，幫助學生理解吸煙者牙齒變色的原因，引導學生關注吸煙與肺癌之間的關系。同時，該實驗融合了物理與生物的知識，幫助學生進行跨學科的知識整合，提升學生的學科核心素養。

4.2 模擬吸煙對人體生理活動的影響

教師提出問題：吸入的煙氣會影響人體的生理活動嗎？接著出示實驗裝置2，利用注射器抽氣法收集煙氣，利用高錳酸鉀溶液檢測煙氣，從而呈現煙氣的危害。教師介紹該裝置所用的實驗器材：自制煙嘴、注射器、延長管等。接著，向學生介紹實驗原理：高錳酸鉀模擬人體需氧細胞，煙氣中的還原性物質能使紫色高錳酸鉀溶液褪色。

教師演示實驗：（1）在編號為A、B的試管內分別加入等量的高錳酸鉀溶液；（2）用注射器和自制煙嘴收集煙氣300 mL；（3）請兩位學生演示，利用延長管和注射器將300 mL空氣和300 mL煙氣分別通入A、B試管中；（4）引導學生觀察兩試管中高錳酸鉀溶液顏色變化。教師引導學生說出實驗現象：通入空氣的高錳酸鉀溶液顏色幾乎沒有變化，通入煙氣的高錳酸鉀溶液顏色褪色了。最后引導學生得出實驗結論：煙氣中含有強還原性物質，會和身體里的細胞爭奪氧，影響人體生理活動。

設計意圖：該實驗利用注射器抽氣收集煙氣，并設置煙氣與空氣通入高錳酸鉀溶液的對照實驗，幫助學生理解煙氣的危害。初二的學生還缺乏一定的化學知識，在介紹實驗原理時，教師給予一定的補充知識，幫助學生理解實驗的現象。該實驗是一個模擬實驗，整合了化學和生物的相關知識，實驗現象明顯，學生能夠理解煙氣中的有害物質會與人體組織細胞爭奪氧氣，從而影響人體的健康。

4.3 探究不同濃度的煙氣浸出液對紅斑馬魚生命的影響

教師進一步提出問題：通過前兩個實驗，我們已經了解了煙氣對于健康是有影響的。那么，香煙煙氣中的有害物質對個體生命有影響嗎？接著出示實驗裝置3：抽氣泵抽氣制備煙氣浸出液。教師介紹所有的實驗器材：自制煙嘴、洗氣瓶、抽氣泵等，該自制煙嘴可一次供10支香煙燃燒，向學生展示已經“吸”了200根煙的煙嘴，可明顯看到煙嘴上留有發黃發黑的附著物。接著，教師播放事先錄制的視頻，展示煙氣浸出液的制備過程。分別出示50支香煙、100支香煙、150支香煙和200支香煙制備的煙氣浸出液。學生觀察顏色的變化，思考討論實驗方案和步驟：（1）將200支香煙制備的煙氣浸出液分別稀釋4倍和2倍。（2）在等量的清水、稀釋4倍的煙氣浸出液和稀釋2倍的煙氣浸出液中分別放入活力相當的6條紅斑馬魚。（3）觀察并記錄每分鐘紅斑馬魚的活動情況。接著，教師發給每個小組實驗記錄表，組織學生開展分組實驗，小組同學觀察并記錄實驗現象。實驗結束后，由小組代表匯報實驗結果，引導學生得出實驗結論：煙氣浸出液的濃度越高，接觸的時間越長，對生物危害越大。

設計意圖：教師自制裝置制備煙氣浸出液，引導學生探究不同濃度的煙氣浸出液對個體生命的影響，用煙氣浸出液代替煙草浸出液更符合實際吸煙的情況，用紅斑馬魚代替水蚤更有利于直觀的觀察。該實驗裝置也運用了化學制備的方法，將不同學科的實驗方法進行融合，幫助學生構建跨學科整體式思維。

5 教學反思

5.1 自制實驗裝置，展示直觀現象

在本次實驗設計中，筆者改進實驗材料和方法，自制實驗裝置，設計了3個遞進實驗，讓學生親眼看見吸煙的危害。這樣的效果遠遠比理論說教來得更加震撼。整個課堂生動有趣，3個實驗的裝置易得，操作簡便，現象明顯，制備的煙氣浸出液可保存以供多次使用。

5.2 促進學科融合，重視探究實踐

本次創新設計的3個實驗融合了物理、化學、生物的相關知識，完成了一次跨學科的實踐過程。初二學生有一定的物理知識，能夠理解負壓排水收集煙氣的原理。對于涉及的化學知識，教師需要提前鋪墊，幫助學生理解氧化還原反應，如可以例舉一些生活中常見的氧化還原的現象，幫助學生理解高錳酸鉀溶液在實驗中起的作用。《課程標準》也強調學生的學習是主動參與的過程，教師需要選擇恰當的情境，設計學習任務，引導學生積極探究實踐。因此，在第三個實驗中，筆者安排了小組探究：探究不同濃度的煙氣浸出液對紅斑馬魚生命活動的影響。學生通過觀察探究實驗、數據，充分認識到了煙氣中的有害物質對統計與分析生物個體生命的嚴重危害。

5.3 滲透生命觀念，落實態度責任

生物學教學需要落實立德樹人根本任務，充分發揮學科育人價值。本案例的教學不僅讓學生認識到吸煙對人體的危害，還引導了學生能夠主動地勸誡身邊的人不要吸煙。學生能夠運用科學的方法向社會宣傳吸煙的危害，從而增強健康意識。教師引導學生參與社會事務的討論，幫助學生學會用正確的方法作出理性解釋和判斷。上完這節課不久，筆者還和生物興趣小組的學生一起將實驗過程錄制成了視頻，在學校的晨會上向全校所有師生宣傳了吸煙的危害，收到了良好的效果，培養了學生的社會責任生物學學科核心素養。