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摘 要 在“做中学”理念的引领下，通过对“呼吸作用”这一重要概念的理性分析，运用数字化设备拓展和创新教材实验，在实证的基础上帮助学生形成重要概念。
关键词 实验教学 数字化设备 实验创新 呼吸作用
中图分类号 G633.91 文献标志码 B
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，教师需要向學生提供丰富的、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：
① 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：
①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。
② 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验验证，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，教材都是定性实验，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、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
4.1 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——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：
① 连接实验装置（图1）。将吹嘴与气流头组装好，将氧气传感器接入数据采集器，然后与计算机连接。 ② 设置实验参数。打开实验系统软件，进入实验平台，添加“氧气—时间”坐标关系，实验时间设置“20 s”，采集间隔“500 ms”。
③ 开始实验。点击开始按钮，同时向吹嘴用力呼一口气。
④ 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氣”的结论。
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“10 min”，采集间隔为“1 min”，进行实验。根据图表数据和图像曲线（图4，仅呈现实验组图像数据），学生能得出相应结论。
（说明：用植物做实验材料时，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100 mL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）。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——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，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
4.4.1 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）。
4.4.2 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）。
4.4.3 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”的角度深入认识呼吸作用的本质，同时在分析数据过程中提高理性思维能力。
5.3 充分设计实验，建构科学概念
科学知识的形成过程，也是科学论证的过程，即通过获取、使用证据，推理得出结论。通过设计多种类型、多种形式的实验，能让学生多角度、多途径获取丰富的事实，有利于引导学生以科学事实为证据，以逻辑思维为工具，理解科学的本质，建构科学的概念。
关键词 实验教学 数字化设备 实验创新 呼吸作用
中图分类号 G633.91 文献标志码 B
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，教师需要向學生提供丰富的、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：
① 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：
①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。
② 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验验证，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，教材都是定性实验，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、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
4.1 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——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：
① 连接实验装置（图1）。将吹嘴与气流头组装好，将氧气传感器接入数据采集器，然后与计算机连接。 ② 设置实验参数。打开实验系统软件，进入实验平台，添加“氧气—时间”坐标关系，实验时间设置“20 s”，采集间隔“500 ms”。
③ 开始实验。点击开始按钮，同时向吹嘴用力呼一口气。
④ 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氣”的结论。
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“10 min”，采集间隔为“1 min”，进行实验。根据图表数据和图像曲线（图4，仅呈现实验组图像数据），学生能得出相应结论。
（说明：用植物做实验材料时，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100 mL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）。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——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，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
4.4.1 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）。
4.4.2 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）。
4.4.3 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”的角度深入认识呼吸作用的本质，同时在分析数据过程中提高理性思维能力。
5.3 充分设计实验，建构科学概念
科学知识的形成过程，也是科学论证的过程，即通过获取、使用证据，推理得出结论。通过设计多种类型、多种形式的实验，能让学生多角度、多途径获取丰富的事实，有利于引导学生以科学事实为证据，以逻辑思维为工具，理解科学的本质，建构科学的概念。