用傳感器測定種子呼吸作用的跨學(xué)科教學(xué)探索

安徽省馬鞍山市教育科學(xué)研究院(243000) 禹 萍

安徽省馬鞍山市二中外國語分校(243000) 孟繁健 楊 冰

呼吸作用是初中生物學(xué)教學(xué)中的一個非常重要的概念。義務(wù)教育階段要求教師在教學(xué)中幫助學(xué)生建構(gòu)“在生物體內(nèi)，細(xì)胞能通過分解糖類等獲得能量，同時生成二氧化碳和水”這一重要概念。七年級生物教材上冊第3單元第5章第2節(jié)“綠色植物的呼吸作用”中指出：細(xì)胞利用氧，將有機(jī)物分解成二氧化碳和水，并且將儲存在有機(jī)物中的能量釋放出來，供給生命活動的需要，這個過程叫做呼吸作用。

為更好地幫助學(xué)生建構(gòu)呼吸作用的概念，同時培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科思維。筆者及團(tuán)隊用傳感器等數(shù)字化實驗裝備，滲透物理、化學(xué)和計算機(jī)等學(xué)科知識，開展了以測定種子呼吸作用為主題的跨學(xué)科教學(xué)。具體如下：

1 了解傳感器，熟練操作計算機(jī)系統(tǒng)

教師在組織教學(xué)前，要幫助學(xué)生認(rèn)識傳感器等數(shù)字化實驗設(shè)備，教會學(xué)生使用計算機(jī)系統(tǒng)里安裝的朗威6.9軟件。

傳感器可以將力、溫度、光、聲等非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電學(xué)量輸出[3]。如樓道聲控-光控?zé)魞?nèi)就裝有聲音及光傳感器，將聲音的變化和光線的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)化為電流，使燈在適宜的時候亮。

教師要指導(dǎo)學(xué)生熟練連接傳感器等數(shù)字化設(shè)備，并操作計算機(jī)系統(tǒng)。將相關(guān)傳感器(如溫度傳感器、二氧化碳傳感器、氧氣傳感器)，一端與裝有不同狀態(tài)的種子的容器連接，另一端通過數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)線與計算機(jī)相連，點(diǎn)擊并操作朗威6.9軟件呈現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)和曲線。

2 演示實驗，激趣設(shè)疑

課堂上教師進(jìn)行演示實驗，將溫度傳感器的探頭伸進(jìn)裝有萌發(fā)種子的暖水瓶中，接收溫度信號，通過數(shù)據(jù)采集，朗威6.9軟件上呈現(xiàn)溫度數(shù)值及其變化曲線(見圖1)。結(jié)果顯示：當(dāng)前溫度32.6 ℃，高于外界環(huán)境溫度；萌發(fā)過程中溫度變化曲線呈現(xiàn)緩慢上升狀態(tài)。

圖1 大豆種子萌發(fā)過程中的某一溫度數(shù)值及其隨時間的變化曲線圖

學(xué)生很少經(jīng)歷這樣的數(shù)字化實驗場景，溫度信息轉(zhuǎn)化成電信息又在電腦上呈現(xiàn)為相應(yīng)的數(shù)值和曲線，這種感受和體驗，拓展了他們的知識面，激發(fā)了他們探究科學(xué)的興趣。學(xué)生對于定量的數(shù)值、溫度變化的曲線圖開始積極動腦思考，踴躍發(fā)言，表達(dá)自己的觀點(diǎn)。教師引導(dǎo)學(xué)生思考：溫度升高的原因究竟是什么？這種現(xiàn)象能說明什么？經(jīng)過分析討論，大家一致認(rèn)為：溫度的升高是由于種子萌發(fā)過程中分解有機(jī)物并釋放熱量導(dǎo)致的，說明“萌發(fā)的種子會產(chǎn)生能量”。

3 合作探究，分析思考

圍繞“如何設(shè)計實驗證明死種子沒有呼吸作用”“種子呼吸時周圍環(huán)境氣體如何變化”，學(xué)生分小組合作，動手動腦，開展了分組探究實驗。關(guān)于“如何設(shè)計實驗證明死種子沒有呼吸作用”，學(xué)生提出實驗設(shè)計思路：用傳感器等數(shù)字化實驗設(shè)備，測煮熟并已冷卻的大豆種子是否有熱量產(chǎn)生、周圍氧氣濃度是否下降，如果既不產(chǎn)生熱量，氧氣濃度也不下降，說明既不吸收氧氣也不釋放熱量，則可推斷死種子無呼吸作用。

學(xué)生以煮熟并冷卻的大豆種子和萌發(fā)的大豆種子為實驗材料，測定溫度、二氧化碳和氧氣數(shù)值及三者隨時間的變化情況，獲得如圖2～4所示的數(shù)值和曲線。

圖2 煮熟并已冷卻的大豆種子的溫度數(shù)值及其隨時間的變化曲線圖

圖3 煮熟并已冷卻的大豆種子的周圍氧氣濃度及其隨時間的變化曲線圖

引導(dǎo)學(xué)生分析：圖2表明死種子溫度數(shù)值無波動，始終與外界環(huán)境溫度(初始溫度18.1 ℃)相同；圖3表明死種子周圍氧氣濃度沒有變化，說明沒有吸入氧氣；再結(jié)合圖1的數(shù)據(jù)判斷推理可以得出：死種子沒有產(chǎn)生并釋放熱量，也沒有吸入氧氣，故死種子應(yīng)無代謝，即無呼吸作用。圖4表明萌發(fā)的種子周圍氧氣含量在減少，即活種子萌發(fā)時吸收氧氣。

圖4 大豆種子萌發(fā)過程中的某一二氧化碳、氧氣濃度數(shù)值及兩者隨時間的變化曲線圖

引導(dǎo)學(xué)生分析圖4曲線可知：萌發(fā)的大豆種子周圍二氧化碳含量在升高，氧氣含量在減小。得出結(jié)論：萌發(fā)的種子呼吸作用吸入氧氣，呼出二氧化碳。

4 發(fā)現(xiàn)問題，判斷推理

有細(xì)心的學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)，裝有萌發(fā)大豆種子的抽濾瓶內(nèi)壁上有水汽，而煮熟的大豆種子裝置內(nèi)壁沒有水汽，于是得出結(jié)論：萌發(fā)的種子產(chǎn)生了水，也就是說種子的呼吸作用有水產(chǎn)生。又有學(xué)生質(zhì)疑：“萌發(fā)大豆種子的抽濾瓶內(nèi)壁上的水汽會不會是裝置中液態(tài)水蒸發(fā)而來的呢？如果是液態(tài)水蒸發(fā)而來就不能說明呼吸作用產(chǎn)生水。” 教師立即肯定他們的思考和質(zhì)疑，接著順勢啟發(fā)，既然這樣咱們該如何判斷推理內(nèi)壁上的水汽來自種子而不是來自液態(tài)水呢？ 有學(xué)生想到設(shè)計一個對照實驗裝置，即取兩個相同裝置，一個加萌發(fā)種子和適量水，另一個只加等量水，在適宜溫度下，觀察兩個裝置玻璃內(nèi)壁的水汽狀況。結(jié)果萌發(fā)的種子裝置內(nèi)壁有水汽，而另一裝置內(nèi)壁無水汽。

教師要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、批判性思維，僅釋疑解惑是不夠的，必須要讓學(xué)生產(chǎn)生疑問、提出問題，然后去分析解決問題。學(xué)生通過觀察發(fā)現(xiàn)并提出問題，懷疑是水的蒸發(fā)引起的，接著又設(shè)計實驗進(jìn)行判斷推理釋疑，符合核心素養(yǎng)培養(yǎng)的要求。

5 歸納概括，得出結(jié)論

綠色植物的其他器官是否也有類似萌發(fā)的種子呼吸時有機(jī)物的變化呢？科技活動小組成員展示他們課前以新鮮的菠菜、菊花等作為實驗材料開展的數(shù)字化實驗，采集到的數(shù)據(jù)顯示：溫度升高、氧氣減少、二氧化碳增加，同樣觀察到有水的生成。教師順勢指出，科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)：有機(jī)物的這種變化不僅發(fā)生在種子萌發(fā)過程中，而且發(fā)生在所有植物細(xì)胞的內(nèi)部。由此，引導(dǎo)學(xué)生歸納概括出呼吸作用的概念，即細(xì)胞利用氧，將有機(jī)物分解成二氧化碳和水，并且將儲存在有機(jī)物中的能量釋放出來，供給生命活動需要的過程叫做呼吸作用。同時說明呼吸作用主要是在線粒體進(jìn)行的，其實質(zhì)就是分解有機(jī)物，釋放能量。并帶著學(xué)生總結(jié)并書寫反應(yīng)式：有機(jī)物(儲存著能量)+氧氣 → 二氧化碳+水+能量。用箭頭而不用等號表明呼吸作用是一系列的化學(xué)反應(yīng)，箭頭左邊代表反應(yīng)物，箭頭右邊代表生成物。教師可演示“將燃燒的蠟燭放進(jìn)裝有萌發(fā)種子的錐形瓶”，觀察到火焰立刻熄滅，說明分解有機(jī)物需要氧氣。教師還可演示用“排氣法”將產(chǎn)生的氣體導(dǎo)入澄清的石灰水，檢測產(chǎn)物是二氧化碳。這些都是教師有意識將學(xué)生們帶入化學(xué)情境，對學(xué)生進(jìn)行跨學(xué)科思維的滲透，加深學(xué)生對概念的理解，幫助學(xué)生形成物質(zhì)和能量觀。

6 設(shè)計跨學(xué)科作業(yè)，聚焦核心素養(yǎng)

“雙減”政策下提倡布置實踐類作業(yè)和跨學(xué)科類作業(yè)。故設(shè)計的作業(yè)任務(wù)如下：

(1)請同學(xué)們觀察并了解身邊的傳感器，并舉例說出日常生活中你遇見的各類傳感器，說說它們發(fā)生的信息轉(zhuǎn)換(滲透物理學(xué)科知識)。

(2)完成下列種子的呼吸作用反應(yīng)式(滲透生物學(xué)、化學(xué)知識)：

有機(jī)物(儲存著能量)+ 氧氣 →( )+( )+( )。

(3)歡迎同學(xué)們課后走進(jìn)數(shù)字化實驗室，嘗試測一測我市“市花”桂花、“市樹”樟樹的葉片的呼吸作用(滲透計算機(jī)科學(xué)、生物學(xué)和物理知識)。

以上三題的設(shè)計，一方面體現(xiàn)學(xué)科知識的融合，另一方面，通過跨學(xué)科類實踐作業(yè)，培養(yǎng)學(xué)生高階思維。

7 教學(xué)反思

考慮到教學(xué)對象是義務(wù)教育階段的學(xué)生，對于所涉及的其他學(xué)科知識，不一定要詳細(xì)講解，如傳感器及其工作原理在高中物理學(xué)新教材必修內(nèi)容中有介紹，作為初中生物學(xué)教師可展示一些圖片，幫助學(xué)生了解傳感器蘊(yùn)含的物理學(xué)科知識。

數(shù)字化實驗過程中難免出現(xiàn)這樣或那樣的問題。例如，由于傳感器過于靈敏，在讀取數(shù)據(jù)時，要有所取舍，如剛接上二氧化碳傳感器時，二氧化碳的數(shù)值會非常高，超過萬計，需要等數(shù)值略平穩(wěn)，到千計時開始記錄數(shù)值。再如，有學(xué)生提出疑問：圖3中煮熟的大豆種子不呼吸了，為何還有氧氣的數(shù)據(jù)？其實這是過濾瓶中的空氣，這也需要學(xué)生動腦分析。還有接頭的密封性問題也會干擾實驗結(jié)果，需要師生在實驗過程中予以關(guān)注。但數(shù)字化實驗帶給學(xué)生的沖擊確實遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于存在的困難，在實驗由定性到定量的呈現(xiàn)過程中，學(xué)生感知物理學(xué)科、計算機(jī)學(xué)科帶來的沖擊，所以教師不能用不適宜、不精準(zhǔn)、困難多等來否定數(shù)字化實驗、拒絕開展數(shù)字化實驗教學(xué)。

即將出臺的義務(wù)教育階段新課標(biāo)倡導(dǎo)跨學(xué)科教學(xué)，隨之的新教材中也將呈現(xiàn)不少于10%的跨學(xué)科教學(xué)內(nèi)容。這些信號釋放出新一輪義務(wù)教育階段課改對跨學(xué)科教學(xué)內(nèi)容開發(fā)的關(guān)注，由此我們課題組有了決心和信心，積極思考并挖掘跨學(xué)科教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)學(xué)生跨學(xué)科思維的培養(yǎng)。