用数字化设备创新实验教学

1、用数字化设备创新实验教学1实验教学背景“呼吸作用”是初中生物学的50个重要概念之一，要求学生能够描述“在生物体内，细胞能通过分解糖类等获得能量，同时生成二氧化碳和水”。苏科版初中教材把这一概念安排在七年级上册第三单元“生物从环境中获取物质和能量”第七章“能量的释放和呼吸”第一节“能量的释放和利用”。显然，这是从“物质和能量”这一生命观念角度来审视这一概念的。新课标在实施建议中明确指出：在概念教学中，教师需要向？生提供丰富的、有代表性的事实来为学生的概念形成提供支撑。学生已经初步积累的事实是概念建构的重要基础，主要来源于两方面：日常生活中积累的经验，即人体呼吸需要吸收氧气'放出二氧化碳；

2、课堂学习中积累的知识，通过“植物光合作用”的学习知道了有机物中储存能量,通过“验证食物中含有能量”，了解到有机物通过燃烧能释放热能。此外，为了帮助学生充分获取事实，苏科版教材安排了三项探究活动：”体验能量的释放与呼吸作用的关系”“验证呼吸作用过程中气体的变化”“探究种子呼吸过程中释放热量”。教材试图以实证的方式帮助学生形成相应概念。综合上述分析，学生已有的知识经验以及在探究过程中所形成的认识，的确能为概念的形成提供必要的事实性知识，但是仍然存在一些不足之处。这是因为：这些事实、证据并不特别充分。人体呼吸“吸收氧气、放出二氧化碳”这一事实只是生活体验，缺乏实证；个体、器官能发生呼吸作用，难道就能

3、说明细胞在进行呼吸作用吗？显然，这里未能形成一个符合逻辑的证据链条，缺乏充分的证据作为推理的基础。实验设计的不足。实验材料选择单一，仅用新鲜菠菜和萌发的种子进行实睑验证，难以有效引导学生从一般到特殊归纳知识，从而把握概念内涵，不利于培养学生科学思维的；实验形式比较单一，教材都是定性实睑，无法直观体验二氧化碳和氧气的变化过程，也无法满足定量比较的要求；实验原理相对复杂，需要补充氧气、二氧化碳的化学性质，让学生理解实验原理，增加了认知负荷；实验操作困难，要让氧气（二氧化碳）的浓度下降（上升）到一定的量在短时间内是无法实现的，一旦失败不能马上重复利用，实验成功率受到一定影响。实验是促成学生建立

4、9;理解和应用重要概念的主要教学方式之一。秉承“做中学”的教学理念，笔者努力拓展实验教学的空间，创新实验教学的形式，以期通过实验探究，让学生深入认识呼吸作用的本质，同时提供丰富的科学事实，为重要概念的形成提供有力支撑。2实验教学目标基于课程、教材及学情分析，确定以下实验教学目标：（1）通过实验探究，获取充分的科学事实，说出能量释放和呼吸作用的关系，描述呼吸作用的含义。（2）通过系列实验的探究，尝试从不同角度证明一个科学结论的方法，提高科学探究中理性思维的能力。（3）通过实验探究的定量化处理，尝试用数据和图表表达实验结果，提高获取信息和处理信息的能力。（4）通过数字化设备的充分运用，认同信息技术

5、在科学探究中的重要价值。3实验教学内容3.1 第一组实验：探究呼吸过程中气体成分的变化教师设计6个实验，分别探究人体、青菜的植株、萌发的种子'西芹的茎'萝卜（块根）'酵母菌在呼吸过程中氧气和二氧化碳的变化。设计意图：这一组实验根据实际情况，有的适于课堂演示，有的需要课前探究。设计的6个实验中，实验对象涉及动物、植物、单细胞生物，目的在于通过实验现象让学生认识到：生物都会发生呼吸作用，且都是消耗氧气、释放二氧化碳，动摇“动物只进行呼吸作用，植物只进行光合作用”的前概念；个体、器官、细胞都能进行呼吸作用，呼吸作用实则上产生于活的细胞；呼吸作用过程中会消耗有机物（酵母菌在实验

6、过程中需要添加葡萄糖），有机物的变化和气体的变化之间存在某种联系。由此，教师帮助学生从细胞水平深入认识呼吸作用，利于从宏观到微观，以归纳的方式把握概念内涵。3.2 第二组实验：探究呼吸过程中能量的释放实验1:探究人体运动过程中热能的释放。实验2：探究种子萌发过程中热能的释放。实验3：探究有机物燃烧过程中热能的释放。设计意图：通过实验1、2,帮助学生建立感性认识：不论是人体（动物），还是植物，在呼吸作用过程中都有能量产生。通过回忆实验3（在第五章“营养物质的作用”这节内容的学习中已做过该实验），教师引导学生建立了观念储存在细胞内的有机物可以通过类似“燃烧”的方式释放能量。4实验教学方法与过程4.

7、1 数字化设备简介实验中使用了两种数字化设备：一种是SWR（苏威尔）数字化实验系统，是基于传感技术和计算机技术的实验平台，用于在实验中测量、采集变量数据并进行数据分析，主要设备由计算机'采集器、传感器、软件系统组成。另一种是穿戴式智能体温计，其工作原理是利用物联网RFID技术，将热敏体温传感器采集到的人体体温数据进行模数转换，再通过蓝牙或WIFI技术将数据传输到智能手机上，自动生成体温变化曲线图。4.2 探究呼吸过程中气体成分的变化一一氧气的变化4. 2.1探究人体在呼吸过程中氧气的变化实验器材：数字化实验系统（氧气传感器）、吹嘴。实验步骤：连接实验装置（图1）。将吹嘴与气流头组装好，

8、将氧气传感器接入数据采集器，然后与计算机连接。设置实验参数。打开实验系统软件，进入实验平台，添加“氧气一时间”坐标关系，实验时间设置“20s”，采集间隔“500ms”。开始实验。点击开始按钮，同时向吹嘴用力呼一口气。采集结束，保存数据，对实验结果进行分析。实验结论：平缓的曲线表示吸入气体（空气）中氧气的含量，下降的曲线表示呼出气体中氧气的含量（图2）,通过设置这样的对照实验，学生能得出“人体呼吸过程中需要消耗氧？猿钢慕林邸？4.2.2探究植物在呼吸过程中氧气的变化准备甲、乙两个带密封盖的塑料杯，甲中放入根、茎、叶或萌发的种子（图3）,乙中不放任何材料，实验时间设置为“10min”，采集间隔为“

9、1min”，进行实验。根据图表数据和图像曲线（图4,仅呈现实睑组图像数据），学生能得出相应结论。（说明：用植物做实睑材料时，短时间内的氧气含量变化趋势在图像中表现得不是特别明显，但可以结合图像左侧表格中的数据来比较分析。）4. 2.3探究酵母菌在呼吸过程中氧气的变化同样准备甲、乙两个带密封盖的塑料杯，分别装入100mL质量分数为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（图5）o通过设置对照实验，学生比较变化曲线（图6,仅呈现实验组图像），能得出相应结论。4.3 探究呼吸作用气体成分的变化一一二氧化碳的变化用同样的方法，使用二氧化碳传感器测量呼吸作用过程中二氧化碳含量的变化，

10、部分实验组（西芹、酵母菌）的数据图像如图7、图8所示。4.4 探究呼吸过程中能量的释放4.5 4.1探究人体运动过程中热能的释放将智能蓝牙温度计固定在上臂肱二头肌处，在智能手机上打开蓝牙及手机APP测量曲肘和伸肘过程中温度的变化，与不活动时进行对照，比较分析实验结果（图7）o4.6 .2探究种子呼吸过程中热能的释放使用苏威尔数字化设备中的温度传感器（或者智能蓝牙温度计）测量种子萌发过程中温度的变化，与没有萌发的种子进行对照，比较分析实验结果（图10,仅呈现实验组图像）。4.7 .3探究有机物燃烧过程中热能的释放教师引导学生回忆在第5章第2节“营养物质的作用”做过的“验证食物中含有能量”这一实验。5实验教学反思与评价5.1 改善学习环境，提高实验效率数字化设备进入实验领域，营造了一种数字化的学习环境。实验借助传感器实时获取数据，并自动生成曲线，不仅可以提高实验效率，还能提高实验结果的准确性，有利于学生取得更佳的学习效果，体验到技术带来的魅力。5.2 重视定量实验，了解事物本质新课标指出，在重视定性实验的同时，也应重视定量实验，让学生在量的变化中了解事物的本质。使用传感器检测，可将定性的结果检测方法改为定量实验，通过数字'图表等直观的数据精确反映实验结果，有利于学生在采集数据'用数据表达实验结果过程中从“量