用數(shù)字化設(shè)備創(chuàng)新實驗教學(xué)

1、用數(shù)字化設(shè)備創(chuàng)新實驗教學(xué)1實驗教學(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。新課標在實施建議中明確指出：在概念教學(xué)中，教師需要向？生提供豐富的、有代表性的事實來為學(xué)生的概念形成提供支撐。學(xué)生已經(jīng)初步積累的事實是概念建構(gòu)的重要基礎(chǔ)，主要來源于兩方面：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)知道了有機物中儲存能量,通過“驗證食物中含有能量”，了解到有機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，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識，的確能為概念的形成提供必要的事實性知識，但是仍然存在一些不足之處。這是因為：這些事實、證據(jù)并不特別充分。人體呼吸“吸收氧氣、放出二氧化碳”這一事實只是生活體驗，缺乏實證；個體、器官能發(fā)生呼吸作用，難道就能

3、說明細胞在進行呼吸作用嗎？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)。實驗設(shè)計的不足。實驗材料選擇單一，僅用新鮮菠菜和萌發(fā)的種子進行實瞼驗證，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；實驗形式比較單一，教材都是定性實瞼，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；實驗原理相對復(fù)雜，需要補充氧氣、二氧化碳的化學(xué)性質(zhì)，讓學(xué)生理解實驗原理，增加了認知負荷；實驗操作困難，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)是無法實現(xiàn)的，一旦失敗不能馬上重復(fù)利用，實驗成功率受到一定影響。實驗是促成學(xué)生建立

4、9;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，筆者努力拓展實驗教學(xué)的空間，創(chuàng)新實驗教學(xué)的形式，以期通過實驗探究，讓學(xué)生深入認識呼吸作用的本質(zhì)，同時提供豐富的科學(xué)事實，為重要概念的形成提供有力支撐。2實驗教學(xué)目標基于課程、教材及學(xué)情分析，確定以下實驗教學(xué)目標：（1）通過實驗探究，獲取充分的科學(xué)事實，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）通過實驗探究的定量化處理，嘗試用數(shù)據(jù)和圖表表達實驗結(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)備的充分運用，認同信息技術(shù)

5、在科學(xué)探究中的重要價值。3實驗教學(xué)內(nèi)容3.1 第一組實驗：探究呼吸過程中氣體成分的變化教師設(shè)計6個實驗，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：這一組實驗根據(jù)實際情況，有的適于課堂演示，有的需要課前探究。設(shè)計的6個實驗中，實驗對象涉及動物、植物、單細胞生物，目的在于通過實驗現(xiàn)象讓學(xué)生認識到：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“動物只進行呼吸作用，植物只進行光合作用”的前概念；個體、器官、細胞都能進行呼吸作用，呼吸作用實則上產(chǎn)生于活的細胞；呼吸作用過程中會消耗有機物（酵母菌在實驗

6、過程中需要添加葡萄糖），有機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)生從細胞水平深入認識呼吸作用，利于從宏觀到微觀，以歸納的方式把握概念內(nèi)涵。3.2 第二組實驗：探究呼吸過程中能量的釋放實驗1:探究人體運動過程中熱能的釋放。實驗2：探究種子萌發(fā)過程中熱能的釋放。實驗3：探究有機物燃燒過程中熱能的釋放。設(shè)計意圖：通過實驗1、2,幫助學(xué)生建立感性認識：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)中已做過該實驗），教師引導(dǎo)學(xué)生建立了觀念儲存在細胞內(nèi)的有機物可以通過類似“燃燒”的方式釋放能量。4實驗教學(xué)方法與過程4.

7、1 數(shù)字化設(shè)備簡介實驗中使用了兩種數(shù)字化設(shè)備：一種是SWR（蘇威爾）數(shù)字化實驗系統(tǒng)，是基于傳感技術(shù)和計算機技術(shù)的實驗平臺，用于在實驗中測量、采集變量數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)分析，主要設(shè)備由計算機'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)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再通過藍牙或WIFI技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄苁謾C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一一氧氣的變化4. 2.1探究人體在呼吸過程中氧氣的變化實驗器材：數(shù)字化實驗系統(tǒng)（氧氣傳感器）、吹嘴。實驗步驟：連接實驗裝置（圖1）。將吹嘴與氣流頭組裝好，

8、將氧氣傳感器接入數(shù)據(jù)采集器，然后與計算機連接。設(shè)置實驗參數(shù)。打開實驗系統(tǒng)軟件，進入實驗平臺，添加“氧氣一時間”坐標關(guān)系，實驗時間設(shè)置“20s”，采集間隔“500ms”。開始實驗。點擊開始按鈕，同時向吹嘴用力呼一口氣。采集結(jié)束，保存數(shù)據(jù)，對實驗結(jié)果進行分析。實驗結(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)置這樣的對照實驗，學(xué)生能得出“人體呼吸過程中需要消耗氧？猿鋼慕林??？4.2.2探究植物在呼吸過程中氧氣的變化準備甲、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，實驗時間設(shè)置為“10min”，采集間隔為“

9、1min”，進行實驗。根據(jù)圖表數(shù)據(jù)和圖像曲線（圖4,僅呈現(xiàn)實瞼組圖像數(shù)據(jù)），學(xué)生能得出相應(yīng)結(jié)論。（說明：用植物做實瞼材料時，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備甲、乙兩個帶密封蓋的塑料杯，分別裝入100mL質(zhì)量分數(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）o通過設(shè)置對照實驗，學(xué)生比較變化曲線（圖6,僅呈現(xiàn)實驗組圖像），能得出相應(yīng)結(jié)論。4.3 探究呼吸作用氣體成分的變化一一二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，

10、部分實驗組（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4.5 4.1探究人體運動過程中熱能的釋放將智能藍牙溫度計固定在上臂肱二頭肌處，在智能手機上打開藍牙及手機APP測量曲肘和伸肘過程中溫度的變化，與不活動時進行對照，比較分析實驗結(jié)果（圖7）o4.6 .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)的種子進行對照，比較分析實驗結(jié)果（圖10,僅呈現(xiàn)實驗組圖像）。4.7 .3探究有機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”這一實驗。5實驗教學(xué)反思與評價5.1 改善學(xué)習(xí)環(huán)境，提高實驗效率數(shù)字化設(shè)備進入實驗領(lǐng)域，營造了一種數(shù)字化的學(xué)習(xí)環(huán)境。實驗借助傳感器實時獲取數(shù)據(jù)，并自動生成曲線，不僅可以提高實驗效率，還能提高實驗結(jié)果的準確性，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 重視定量實驗，了解事物本質(zhì)新課標指出，在重視定性實驗的同時，也應(yīng)重視定量實驗，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驗，通過數(shù)字'圖表等直觀的數(shù)據(jù)精確反映實驗結(jié)果，有利于學(xué)生在采集數(shù)據(jù)'用數(shù)據(jù)表達實驗結(jié)果過程中從“量