探秘能量工厂：食物中的能量从哪里来？-七年级生物与物理、化学跨学科实践课

探秘能量工厂：食物中的能量从哪里来？——七年级生物与物理、化学跨学科实践课一、教学内容分析  本节课的教学坐标，锚定于《义务教育生物学课程标准（2022年版）》中“生物圈中的人”这一主题，具体涉及“人体的营养”核心概念。课标要求学生不仅能描述人体需要的主要营养物质及其作用，更能理解“能量”作为生命活动驱动力的根本意义，并初步形成健康生活的观念。知识图谱上，本节课承上启下：学生在上一单元学习了“细胞是生命活动的基本单位”，理解了细胞需要能量；本节课则需探究能量从何而来，将宏观的“吃饭”行为与微观的“细胞供能”联系起来，并为后续学习“人体的呼吸”（能量释放）奠定认知基础。过程方法上，课标强调“探究实践”，这为本课设计跨学科实验探究活动——运用物理学（燃烧释放热能）和化学（有机物氧化）的方法，间接测定食物中的能量——提供了直接依据。素养价值渗透方面，本课是培育“生命观念”（物质与能量观）和“科学探究”素养的绝佳载体。通过亲手实验、数据换算，学生能将抽象的能量概念转化为可观测、可计算的具体数值，深刻体会到生命活动与物质能量转换的统一性，同时养成严谨求实的科学态度。  从学情研判来看，七年级学生已具备食物中含有营养的初步认知，但对“能量”这一抽象概念的理解多停留于“吃了有力气”的生活经验层面，难以将其与物理学中的“焦耳”、化学中的“有机物”建立联系。认知障碍主要在于：如何将看不见的“化学能”通过可视化的实验转化为可测量的“热能”；如何进行跨单位的数值换算与估算。其兴趣点则在于动手操作和解释生活现象，例如“为什么花生能燃烧？”“吃一块巧克力和吃一根黄瓜获得的能量一样吗？”。基于此，教学调适策略将聚焦于搭建直观的认知阶梯：首先通过生活化情境引发冲突，激发探究欲；接着将复杂的能量测定原理拆解为可操作的实验步骤，并提供计算“脚手架”；在过程评估中，通过观察小组实验操作规范性、倾听讨论中的推理逻辑、分析实验报告的数据处理，动态把握不同小组的理解进程。对于理解较快的小组，引导其深入分析实验误差来源；对于操作或理解有困难的小组，则通过问题链提示和示范，帮助他们完成核心探究环节，确保所有学生都能在“做中学”的体验中达成基础目标。二、教学目标  在知识层面，学生将能清晰阐述实验原理：食物中的化学能通过燃烧可转化为热能与光能，并通过水温变化进行间接测量；能准确复述并运用能量计算公式，解释食物能量差异的根本原因在于其有机物（特别是脂肪）含量的不同，从而深化对“食物是能量的来源”这一核心概念的理解。  在能力层面，学生将以小组形式，协作完成“食物燃烧加热水”的定量对比实验，规范使用温度计、天平、酒精灯等器材；能够系统记录、处理实验数据，并运用公式计算出食物样品的大致能量值；初步学会依据实验现象和数据，进行基于证据的推理与解释，并撰写简明的实验报告。  在情感态度与价值观层面，学生将在实验探究中体验科学发现的严谨与乐趣，形成尊重事实、合作分享的科研品质；通过比较不同食物的能量密度，理性看待高能量食物，初步建立均衡膳食、合理摄取能量的健康生活意识。  在科学思维目标上，本节课重点发展学生的“模型建构”与“转化思想”。引导学生将人体细胞利用能量的复杂生理过程，简化为“食物燃烧放热”的物理模型；理解并运用“能量转化与守恒”的跨学科观念，分析生命现象，实现从具象操作到抽象思维的跃迁。  在评价与元认知目标上，学生将依据提供的实验操作量规，在小组内进行同伴互评，反思操作中的规范性与协作有效性；通过对比理论值与实测值的差异，自主分析实验误差的可能来源，并讨论改进方案，提升对探究过程进行监控与调控的元认知能力。三、教学重点与难点  教学重点确立为：通过跨学科实验探究，理解并应用“食物燃烧释放能量使水温升高”的测定原理与方法。其依据源于课标对该核心概念的深度要求及学科素养的落脚点。课标不仅要求知道“食物含有能量”，更强调通过探究活动理解“能量”这一抽象概念。该原理是连接生物学（能量需求）、物理学（热传递）、化学（氧化反应）的枢纽，掌握它，学生才能理解后续人体呼吸作用的本质，并形成“物质与能量观”这一核心生命观念。从能力立意看，该探究过程完整涵盖了提出问题、设计方案、实施探究、分析论证等科学探究关键环节，是培养学生“科学探究”素养的核心载体。  教学难点在于：实验数据的处理、能量值的计算及对误差的合理解释。这源于学生认知的跨度与思维特点。难点一在于跨单位的数值运算，涉及质量（克）、温度（摄氏度）、体积（毫升）、热量（焦耳）的多重换算，对七年级学生的数学应用能力构成挑战。难点二在于对“间接测量”原理的深度理解——为什么水温变化能代表能量多少？热量散失对结果有何影响？学生容易将测得值等同于食物的真实能量值，而难以理解其近似性和比较意义。预设突破方向是：将计算过程设计为分步填空的“任务单”，搭建脚手架；在数据分析环节，通过追问“大家测出的花生能量都一样吗？为什么？”引导关注误差，理解科学测量的相对性。四、教学准备清单1.教师准备 1.1媒体与教具：交互式白板课件（含实验微视频、数据记录表模板）、板书记划（左侧原理区，右侧数据汇总区）。 1.2实验材料包（按小组配备）：铁架台、易拉罐剪成的小铝罐（作燃烧皿）、100毫升烧杯、温度计、电子天平、酒精灯、镊子、火柴、量筒。 1.3学习材料：分层学习任务单（含导学案、实验记录表、分层巩固练习）、三种典型食物样品（花生米、饼干、黄瓜片，每样干燥处理并切成相近大小）。2.学生准备 预习教材中“食物中的能量”相关内容；复习小学数学中的热量计算（比热容概念以“使1克水上升1℃所需热量”的通俗方式提前铺垫）；以46人为一科学探究小组就座。3.环境布置 实验室课桌分组排列，中间留出安全通道；准备防火毯和湿抹布用于安全应急；提前打开通风设备。五、教学过程第一、导入环节  1.创设冲突情境：教师播放一段快剪视频：马拉松运动员赛前补充碳水、登山者携带巧克力、健身房宣传蛋白粉。画面定格后提问：“同学们，这些场景都在强调一件事——补充能量。那我们吃下去的食物，能量到底有多少？能不能像测长度、称重量一样把它‘测’出来呢？”（学生可能回答“看营养成分表”，教师予以肯定并追问）“营养成分表上的‘千焦’这个数字，科学家们最初是怎么得到的？我们自己能否动手测一测？”  1.1提出驱动问题：“今天，我们就化身小小能量检测师，来探究一个核心问题：如何测量食物中看不见的能量？不同的食物，蕴含的能量会有怎样的差异？”板书核心问题。  1.2明晰探究路径：“要解决这个问题，我们需要借助一些‘跨学科神器’。大家想想，能量可以转化成什么我们容易测量的形式？（引导学生想到热、光、电）对！今天我们就用一个巧妙的方法——让食物燃烧，把它蕴含的化学能转化成热能，去加热水。通过测量水温的变化，来反推食物释放的能量。我们将经历：设计实验→动手测量→处理数据→得出结论，四个挑战环节。”第二、新授环节任务一：搭建认知脚手架——从“食物”到“燃料”教师活动：首先，举起花生和黄瓜片提问：“大家猜猜，同等质量的花生和黄瓜片，谁燃烧时释放的热量更多？说说你的理由。”倾听学生基于生活经验（油多、能榨油等）的预测。接着，不直接否定或肯定，而是播放一段30秒的微视频：展示在标准实验装置中，等质量的花生和干燥树叶燃烧加热等量水的对比，温度计示数明显不同。视频后追问：“视频里看到了什么现象？这个现象支持你的猜想吗？这说明了能量以什么形式释放了出来？”引导学生说出“水温升高”、“热能”。然后，在白板上画出简易装置图，引导学生共同总结实验原理框架：“食物燃烧→化学能转化为热能→水吸收热能→水温上升。水温上升越多，代表食物释放的能量越多。”学生活动：观看视频，对比现象，验证或修正自己的预测。参与原理讨论，尝试用语言描述能量转化的过程。在任务单上，完成原理部分的填空：食物中的________能，通过燃烧，主要转化为________能，被水吸收后，引起水温________。即时评价标准：1.能否清晰指出实验中观察到的因变量（水温变化）。2.能否用“化学能转化为热能”的术语描述能量转化过程。3.小组讨论时，成员间是否能倾听并整合不同意见。形成知识、思维、方法清单：★实验基本原理：能量转化与间接测量。这是整个探究的认知基石。要强调“间接”二字，因为我们测的不是能量本身，而是其效应。▲前概念转化：从“食物”到“燃料”。帮助学生跳出“吃”的范畴，从物质燃烧的化学视角看待食物，这是跨学科思维的关键一步。★控制变量意识初建。通过对比视频，初步渗透“等质量食物”、“等量水”的对比思想。任务二：化身实验设计师——规范操作获取数据教师活动：展示标准实验装置，分步讲解并演示关键操作：“第一步，称量。我们先称一粒花生的质量，记录下来。第二步，量水。用量筒取30毫升水倒入铝罐，测一下初始温度。这里大家注意，温度计怎么放？（请一位学生示范）对，液泡要完全浸入水中，不能碰壁。”演示点燃花生并迅速移到铝罐下方：“看，火焰要集中在罐底中央，让热量集中传递。燃烧结束后，快速读取水的最高温度。”特别强调安全规范：“镊子夹持、远离易燃物、熄灭火源。每个小组的安全员要负起责任哦！”学生活动：以小组为单位，分工合作（操作员、记录员、安全员、汇报员）。按照演示步骤，依次对花生、饼干、黄瓜片进行实验。准确称量样品质量（燃烧前与燃烧后残渣），测量并记录水温的初温和终温。将数据填写到小组记录表中。即时评价标准：1.操作是否规范（天平调零、温度计正确读数、安全用火）。2.数据记录是否及时、准确、完整。3.小组分工是否明确，协作是否有序高效。形成知识、思维、方法清单：★核心操作技能。包括天平、量筒、温度计的正确使用，是获得可靠数据的基础。★定量测量意识。所有比较必须建立在准确的质量和温度数据上，科学是“用数据说话”。▲误差来源感知。在操作中，学生会自然感受到热量散失（到空气、铝罐）、燃烧不完全等问题，为后续分析埋下伏笔。任务三：挑战数据魔法师——从温度到能量值教师活动：这是突破计算难点的关键步骤。教师在白板上列出原始数据示例：“比如，我们用了30毫升水，水温从20℃升到了30℃。水吸收了多少热量呢？”引出简易计算公式：“有一个常数可以帮助我们：1克水上升1摄氏度，需要吸收4.2焦耳的能量。大家动笔算算看？”巡视指导，对计算困难的学生，提供分步计算卡片：第一步，算水温变化Δt=?℃；第二步，算水的质量（1毫升水≈1克），m=?克；第三步，套用公式：热量Q=4.2×m×Δt。然后提出新挑战：“算出的热量，是食物释放的全部能量吗？（不是，有一部分散失了）那我们怎么比较不同食物的能量高低呢？科学家引入了‘单位质量释放能量’的概念。请再计算：每克花生释放的能量=Q/燃烧掉的花生质量。”学生活动：运用教师提供的公式和分步指导，计算本组每种食物样品使水吸收的热量。进一步计算每克食物样品释放的能量（焦耳/克）。进行组内核算，确保计算准确。即时评价标准：1.能否正确应用公式Q=4.2×m×Δt进行计算。2.能否理解“单位质量能量”的意义并进行计算。3.计算过程是否清晰、准确。形成知识、思维、方法清单：★核心计算公式与应用。Q=4.2×m×Δt，这是连接物理与生物的数学桥梁。★数据的二次处理——求比值。引入“单位质量能量”是为了进行公平比较，这是科学研究中常见的数据处理方法。▲科学中的近似与常数。讲解4.2焦耳/（克·℃）是水的比热容，是一个测量基础上的常数，简化了我们的计算。任务四：开展科学研讨会——分析数据得出结论教师活动：邀请23个小组将他们的“每克食物能量”数据填写到黑板的数据汇总区。引导学生观察：“看看全班的数据，有什么规律？是不是花生普遍最高，黄瓜最低？”然后抛出深层问题：“为什么会有这样的差异？这背后和食物的成分有什么关系？”引导学生联系生活经验和预习知识：“想想，花生里含什么多？（脂肪）脂肪和糖类、蛋白质相比，在‘储能’上有什么特点？”最后，展示标准食物能量表进行对照：“看，我们的测量值虽然和理论值有差距，但排序是一致的！这说明我们的方法在原理上是可行的。那么，差距从哪来？大家刚才实验时，观察到哪些能量‘跑掉’了？”学生活动：观察全班数据趋势，得出定性结论：不同食物单位质量能量不同，花生（高脂肪）>饼干（高碳水化合物）>黄瓜（高水分、低有机质）。结合知识讨论差异原因。积极参与误差分析，提出诸如“燃烧不充分”、“热量散失到空气”、“加热了铝罐”等见解。即时评价标准：1.能否从数据中归纳出普遍规律（能量排序）。2.能否将能量差异与食物主要成分（脂肪含量）建立关联。3.能否基于实验观察，提出合理的误差来源。形成知识、思维、方法清单：★核心结论：食物能量差异源于成分。脂肪是高效的储能物质。这是对生活经验的科学升华。★科学探究的完整性：从数据到结论。强调结论必须基于自己获得的数据，并尝试进行科学解释。▲误差分析的思维方法。认识到所有测量都有误差，分析误差是科学探究的重要组成部分，能让我们更深刻地理解原理和方法的局限性。任务五：回归生命观念——从燃烧到生命活动教师活动：进行思维升华：“我们的实验很精彩，但大家有没有发现一个‘矛盾’？我们在体外用‘燃烧’这种剧烈、快速的方式释放了能量。而我们人体内，能量是在37℃左右的温和环境下，慢慢释放出来的。这两者有什么联系和区别呢？”引导学生思考两者的共同本质：都是有机物（葡萄糖、脂肪等）与氧气发生氧化反应，释放能量。不同点在于人体内是通过一系列酶催化的生物氧化，缓慢、可控、高效。最后总结：“所以，这个燃烧实验，其实是我们人体细胞内复杂呼吸作用的一个简化模型和生动比喻。它让我们‘看见’了储存在食物中的能量。”学生活动：聆听并思考教师的类比，理解体外燃烧与体内呼吸作用在“氧化供能”本质上的统一性，以及在反应条件、速率上的差异性。完成概念链接：食物→（消化吸收）→营养物质→（氧气参与、细胞呼吸）→释放能量供生命活动。即时评价标准：1.能否理解燃烧实验作为呼吸作用简化模型的类比意义。2.能否说出体内外能量释放的共同点和主要区别。形成知识、思维、方法清单：★生命观念的核心：物质与能量观。将食物（物质）、氧化反应（化学变化）、能量释放（物理变化）、生命活动（生物学过程）统一起来。★模型与建模思想。明确本实验是构建了一个理解复杂生命过程的物理化学模型。▲跨学科理解的深度。真正打通物理的能量转化、化学的氧化反应、生物的生命需求之间的壁垒。第三、当堂巩固训练  教师下发分层巩固练习单。  基础层：直接应用知识。1.填空：我们通过测量食物燃烧时________的升高来间接推算其能量，这是因为食物中的________能转化成了________能。2.判断：等质量的脂肪和糖类，完全氧化释放的能量一样多。（）  综合层：情境化应用。阅读一份薯片包装袋上的营养成分表（标注能量每100克为2000千焦）。提出问题：1.我们的实验测得某薯片能量约为15000焦耳/克，试换算并对比，解释可能差异。2.如果一个人每天能量需求约为8000千焦，他吃了一包100克的薯片，这大约满足了他全天需求的几分之几？  挑战层：开放探究。设计思考：如果让你改进本次实验装置以减少热量散失，提高测量准确性，你会从哪些方面着手？（画出简易设计图或文字描述）  反馈机制：基础题通过全班齐答或手势表决快速反馈；综合题由小组讨论后，请不同层次学生分享思路，教师点评关键换算步骤和对比角度；挑战题作为头脑风暴，请有想法的学生简要陈述，教师予以鼓励并归纳改进方向（如加保温层、使用热量更集中的容器等）。第四、课堂小结  引导学生进行结构化总结：“请同学们用一分钟时间，在任务单背面画一个简单的概念图，核心是‘测量食物中的能量’，把今天涉及的关键词（如：燃烧、水温、转化、计算、成分、模型等）连起来。”随后邀请两位学生展示并解说自己的概念图。教师在此基础上进行提炼：“今天我们完成了一次精彩的跨学科探险。我们从生物学问题出发，借用了物理测量的方法和化学反应的原理，最终又回到了对生命现象更深的理解——这就是‘物质与能量观’。记住这个有趣的公式和模型，它就是我们解开能量奥秘的一把钥匙。”最后布置分层作业：“必做作业：完善实验报告，重点分析自己小组的误差。选做作业（二选一）：1.查阅资料，了解‘炸弹calorimeter’（弹式量热计）的原理，对比我们的简易装置。2.为你家的一日三餐设计一份简单的能量估算表。”六、作业设计  基础性作业：完成《实验报告册》本节内容。要求：清晰陈述实验目的、原理，完整记录本组数据及计算过程，得出实验结论（不同食物能量差异），并至少列出两条实验误差来源。  拓展性作业：情境应用与健康分析。假设你是一名营养顾问，请根据今天学习的知识，分析以下案例：小明是一名初中生，下午常感困倦，他习惯喝一罐含糖可乐（查阅其营养成分表能量约为600千焦/罐）来提神。请你从能量供应角度，评价这种做法的短期和长期影响，并提出更健康的替代建议（如选择哪种类型的食物？）。  探究性/创造性作业：“设计我的能量测定2.0版”。要求：基于课堂讨论的误差分析，设计一个理论上更精确的测量食物能量的简易装置方案。可以用图文结合的方式呈现，说明设计思路（如何减少热量散失、如何确保燃烧更充分等），并简要描述操作步骤。鼓励利用生活中的材料进行创意设计。七、本节知识清单及拓展  ★1.实验核心原理——能量转化与间接测量。食物中储存的化学能，可通过燃烧（氧化）转化为热能和光能。通过测量燃烧加热的水所吸收的热量（表现为水温升高），可以间接推算出食物释放的能量大小。这是物理学“能量守恒与转化”定律在生物学中的具体应用。  ★2.关键计算公式：Q=4.2×m×Δt。其中，Q代表水吸收的热量（单位：焦耳），4.2是水的比热容常数【焦耳/(克·℃)】，m是水的质量（克，近似等于体积毫升数），Δt是水温上升的度数（℃）。这个公式是定量计算的桥梁。  ★3.公平比较的指标——单位质量能量。为比较不同食物蕴含能量的能力，需计算“每克食物释放的能量（焦耳/克）”。计算公式为：单位质量能量=Q/燃烧掉的样品质量。这避免了因样品质量不同带来的比较偏差。  ★4.核心结论：食物能量差异的根源。实验表明，等质量的不同食物，释放的能量差异显著。这主要取决于其有机物的种类和含量。通常，脂肪的单位质量储能最高，其次为蛋白质和糖类（碳水化合物），水分和矿物质不提供能量。  ▲5.重要的科学思维——模型建构。本实验构建了一个“燃烧模型”，用以模拟和理解人体细胞内复杂的“呼吸作用”。两者本质都是有机物氧化分解释放能量，但模型简化了条件，使其变得直观、可测量。  ★6.实验主要误差来源分析。这是理解科学探究严谨性的关键点。主要包括：a.热量散失：热量传递到空气、加热容器（铝罐）等；b.燃烧不完全：食物未完全燃烧成灰烬；c.测量误差：温度计读数、天平称量的偏差。认识到误差存在是科学的常态。  ▲7.体内外能量释放的异同。相同点：本质均为有机物与氧气发生氧化反应，释放能量。不同点：体外燃烧是剧烈、快速、不可控的化学氧化；体内呼吸作用是在酶催化下，温和、缓慢、分步、可控的生物氧化，能量以ATP形式逐步释放利用。  ★8.联系生活的健康启示。高能量食物（如坚果、油炸食品）应适量摄入；选择食物时需考虑其能量密度与营养素均衡。阅读食品“营养成分表”中的能量值（常以千焦kJ标示）是管理膳食能量的实用技能。八、教学反思  （一）目标达成度分析与证据  本节课预设的核心知识、能力与素养目标基本达成，证据体现在：首先，所有小组均成功完成了测量实验并计算出数据，在成果汇报时能用“化学能转化为热能”解释原理，说明对核心原理实现了理解性掌握。其次，在数据处理环节，绝大多数学生能运用公式完成计算，尽管速度有差异，但通过任务单脚手架，关键技能得以落实。最后，在讨论环节，学生能主动将花生能量高与其“含油”相联系，并踊跃提出“火苗飘忽导致加热不均”、“有烟产生说明燃烧不完全”等误差分析，展现了基于证据的推理和初步的批判性思维，生命观念与科学探究素养的培育有了可见的载体。  （二）教学环节有效性评估  1.导入与任务一成功创设了认知冲突，将抽象的能量概念转化为可探究的测量问题，激发兴趣效果显著。“我们自己能测吗？”这一问题有效驱动了后续学习。2.任务二（实验操作）是课堂高潮，学生参与度极高。但反思发现，对操作规范的强调仍需加强。尽管有演示和强调，仍有部分小组在测量水温时读数过快，未待温度升至最高点便记录，导致数据系统性偏小。这提醒我，下次可增加一个“模拟读数”的微训练。3.任务三（数据计算）是预设难点，分层任务单的设计起到了关键支撑作用。巡视时，我听到有学生恍然大悟：“哦，原来要先算这个Δt！”这表明脚手架搭在了学生思维的“最近发展区”。4.任务四与五（分析与升华）将课堂推向深度。通过对比全班数据发现规律，学生获得了“小科学家”的成就感。从燃烧到呼吸作用的类比，部分学生眼神中流露出“原来如此”的贯通感，这是跨学科教学价值的体现。  （三）学生表现的差异化剖析  课堂中，学生的表现呈现典型分层：约三成的“领先组”不仅操作