劉敏 房杰

文件編號(hào)：1003-7586（2018）11-0033-03

摘要 對“測定某種食物中的能量”實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)行改進(jìn)，特別是從保溫、安全操作方面進(jìn)行探究設(shè)計(jì)，從而引導(dǎo)學(xué)生用相對簡單易操作的材料和裝置來開展實(shí)驗(yàn)，以期達(dá)到更佳的實(shí)驗(yàn)效果和提高學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 科學(xué)探究 實(shí)驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)改進(jìn) 食物能量

中圖分類號(hào) G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

生物新課程標(biāo)準(zhǔn)提出提高學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任四個(gè)方面?？茖W(xué)探究是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的生物學(xué)問題，針對特定的生物學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)行觀察、提問、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施以及結(jié)果的交流與討論的能力?！皽y定某種食物中的能量”是北師大版七年級下冊的一個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)?zāi)苠憻拰W(xué)生的多方面實(shí)驗(yàn)技能，如天平、量筒、溫度計(jì)、酒精燈等實(shí)驗(yàn)器具的正確使用和數(shù)值讀取，同時(shí)加深對科學(xué)探究一般過程的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步提高制定并實(shí)施探究計(jì)劃、處理數(shù)據(jù)和分析探究結(jié)果的能力，促進(jìn)學(xué)生思維品質(zhì)的訓(xùn)練和科學(xué)探究方法的掌握，有利于創(chuàng)新思維的形成和科學(xué)素養(yǎng)的提高。筆者通過對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)探究，以期達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)效果和提高學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。

1實(shí)驗(yàn)思路的設(shè)計(jì)

食物中含有大量的有機(jī)物，有機(jī)物儲(chǔ)存有大量的能量，能提供人體生命活動(dòng)的需要，同時(shí)，人體在利用能量的過程中，能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。因此食物燃燒時(shí)，有機(jī)物內(nèi)儲(chǔ)存的化學(xué)能會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能釋放出來，從而被水吸收。水在吸收這些熱量后，水溫會(huì)升高。通過測量水升高的溫度，可以推算出被燃燒的食物中含有多少能量。而每1g蛋白質(zhì)或1g碳水化合物在身體內(nèi)可產(chǎn)生4kcal能量，每1kcal相當(dāng)于4.184kJ。在常態(tài)下1mL水每升高10℃需要吸收4.2J的能量。因此可以通過測量燃燒食物引起水溫升高來間接測出食物的能量。公式為：1g食物含有的能量（焦耳）=水的容積×溫差×4.2÷食物的質(zhì)量。

2實(shí)驗(yàn)材料的選擇

有很多教材中都是選取花生和核桃?；ㄉ秃颂彝瑢儆土献魑铮心芰坎町惒淮?，稍不小心就會(huì)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果相反，有悖科學(xué)真理，因此筆者選擇成本較低的花生做該實(shí)驗(yàn)?；ㄉ姆N皮不易燃燒，所以實(shí)驗(yàn)中把花生的種皮剝掉，以達(dá)到花生快速燃燒，并且避免更多熱量損耗的目的。由于改進(jìn)裝置前一般取1粒種子充分燃燒后，水溫一般會(huì)在80～90℃，而在改進(jìn)裝置后燃燒1粒種子，水很快沸騰，而且溫度繼續(xù)上升。此時(shí)，已經(jīng)不能使用常規(guī)溫度計(jì)測量，為了降低水溫的升高，在改進(jìn)裝置后，選用花生的一片子葉作為實(shí)驗(yàn)材料。本實(shí)驗(yàn)中用的是放置一年左右的飽滿而干燥的花生，原因是放置這種花生的水分較低。

通常使用解剖針扎入花生用打火機(jī)引燃，再去加熱試管中的水。在花生燃燒過程中，花生常常有脫落現(xiàn)象，會(huì)影響測量結(jié)果，原因主要是解剖針沒有垂直扎入2片子葉中，所以需要用解剖針垂直扎入子葉。

3實(shí)驗(yàn)裝置的總體設(shè)計(jì)

用紙質(zhì)材料容易被點(diǎn)燃，而玻璃材料不易剪裁，所以選擇易拉罐。鋁質(zhì)易拉罐易剪裁處理，不會(huì)傷手，其拉環(huán)口恰好能將普通試管放入。空罐倒置后，將其底部突出部分以內(nèi)全部剪去，周圍盡量不留明顯突起，然后在罐體1/3處剪出一個(gè)三角形空缺，當(dāng)做爐門使用。

實(shí)驗(yàn)中花生的燃燒物容易掉落桌面，同時(shí)也會(huì)損壞實(shí)驗(yàn)臺(tái)?？蓪⒁桌迯闹胁考糸_，取其下部作底。

錐形瓶不能直接加熱，采用試管可避免錐形瓶直接炸裂，發(fā)生意外，還可以減少能量損耗。一般情況下，一粒種子燃燒一分鐘就能將10mL水煮沸。若容積過大，不僅溫度變化不明顯，而且需要使用較大口徑的試管，從而還需要對易拉罐拉環(huán)口進(jìn)一步裁剪，所以量取容積為15mL的水。

溫度計(jì)不能直接接觸試管瓶底，更不能待燃燒完全后再測水溫，用橡膠塞打孔后將溫度計(jì)固定在水層中部，同時(shí)試管瓶口部加橡膠塞也可以減少熱量散失。

花生種子在燃燒時(shí)，會(huì)向不同方向射出火苗，也會(huì)有小小的脂肪顆粒燃燒著向周圍噴射。顯然，這樣的火苗釋放的熱量很難被測量記錄。將使用解剖針扎入的花生用打火機(jī)引燃時(shí)，若轉(zhuǎn)動(dòng)著使花生全部開始燃燒，燃燒速度很快，其熱量損耗的也就較多。若只是集中外焰點(diǎn)燃花生的一端，使其燃燒的較小火焰加熱試管底部，待燃燒一半左右時(shí)，再轉(zhuǎn)動(dòng)解剖針，讓另一端花生開始慢慢燃燒。這樣處理的結(jié)果是花生燃燒時(shí)間較長，其熱量損耗就會(huì)相應(yīng)的減少。

花生火焰熄滅，就開始讀取溫度計(jì)的水溫?cái)?shù)值誤差比較大。因此要稍等幾秒鐘，待溫度計(jì)內(nèi)水銀的膨脹細(xì)線末端不再上升（一般能升高5℃左右），再及時(shí)記錄數(shù)據(jù)。并且第二次實(shí)驗(yàn)前應(yīng)等溫度計(jì)降下來（或換用新的溫度計(jì)，以節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間）。

4設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)記錄表格

學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)記錄表（表1），并在探究過程中實(shí)時(shí)記錄。

5實(shí)驗(yàn)裝置的探究過程

直接用試管加熱，用鐵架臺(tái)固定試管，用橡膠塞打孔后將溫度計(jì)固定在水層中部。取一粒點(diǎn)燃花生種子，用解剖針垂直扎入2片子葉中，直接加熱試管。重復(fù)至少三次測量，取平均值，記作A組。

選用鋁質(zhì)易拉罐，其拉環(huán)口恰好能將普通試管放入。空罐倒置后，將其底部突出部分以內(nèi)全部剪去，周圍盡量不留明顯突起，然后在罐體1/3處剪出一個(gè)三角形空缺，當(dāng)做爐門使用;易拉罐從中部剪開，取下部作底;試管用試管夾夾住。取一粒點(diǎn)燃花生種子，用解剖針垂直扎入2片子葉中，直接加熱試管。重復(fù)至少三次測量取平均值，記作B組。

用多層錫紙包裹在鋁質(zhì)易拉罐內(nèi)層，底部也剪個(gè)三角形，取一粒點(diǎn)燃花生種子，用解剖針垂直扎入2片子葉中，直接加熱試管。重復(fù)至少三次平行實(shí)驗(yàn)取平均值，記作C組。

用兩個(gè)易拉罐做成簡易裝置。將一個(gè)直徑較小的易拉罐罐口的部位徹底去掉，然后倒過來，罐底在上方，用剪刀在罐體三分之一處剪出一個(gè)三角形空缺。將另一個(gè)易拉罐底部突出部分以內(nèi)全部剪去，周圍盡量不留明顯突起，然后將兩個(gè)易拉罐套在一起，中間填充泡沫（包裝材料中可找到，也是簡單易尋找的）連接處用膠帶在外面鞏固好。取一片點(diǎn)燃花生子葉，用解剖針垂直扎入其中，重復(fù)至少三次測量取平均值，記作D組。

6實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

6.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將各組數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)后，繪制成柱狀圖。

6.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

A組中，整粒種子燃燒時(shí)，集中燃燒而散發(fā)到周圍空間的熱量較多，直接加熱試管的熱量相對就少了，所以A組誤差比較大。B組在罐內(nèi)燃燒時(shí)，由于易拉罐的局部空間限制，熱量散失相對較少，測量得到數(shù)值就較高些。C組中，用錫紙材料，一方面隔熱效果好，減少熱量散失;另一方面，近年來流行錫紙花甲，所以材料也很好找。不過，筆者所使用的錫紙的厚度更大，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出效果更好。D組最大限度的減少誤差，雖然想過用泡沫劑，不過學(xué)生不易找材料就放棄了。

本實(shí)驗(yàn)是一個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)應(yīng)放在提出問題、作出假設(shè)以及根據(jù)提出的問題和作出的假設(shè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟。通過測量食物燃燒放出熱能的多少來測定食物中的能量是一種粗略的方法，存在著較大的實(shí)驗(yàn)誤差，因此對引起實(shí)驗(yàn)誤差原因的分析應(yīng)該是本實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要內(nèi)容。引起實(shí)驗(yàn)誤差的原因大致包括：一部分熱能轉(zhuǎn)化為光能、熱傳遞引起的能量散失、燃燒不充分、實(shí)驗(yàn)材料的選取、實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)、加熱不均勻、讀數(shù)不準(zhǔn)確（天平精確度不高）等。實(shí)際上花生的能量值是12.47kJ/g。筆者通過多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)最后一種實(shí)驗(yàn)裝置能量相對耗損最少，誤差最小。使用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行探究，簡單易行，不僅使實(shí)驗(yàn)更加接近真實(shí)值，還培養(yǎng)了學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)了學(xué)生對生物學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生對生物學(xué)學(xué)習(xí)的積極性。