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(guó)語(yǔ)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(gè)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(guò)分解糖類(lèi)等獲得能量，同時(shí)生成二氧化碳和水”這一重要概念。七年級(jí)生物教材上冊(cè)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(chǔ)存在有機(jī)物中的能量釋放出來(lái)，供給生命活動(dòng)的需要，這個(gè)過(guò)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(shí)培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科思維。筆者及團(tuán)隊(duì)用傳感器等數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝備，滲透物理、化學(xué)和計(jì)算機(jī)等學(xué)科知識(shí)，開(kāi)展了以測(cè)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)

教師在組織教學(xué)前，要幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)傳感器等數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，教會(huì)學(xué)生使用計(jì)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(duì)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(shí)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(jì)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(guò)數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)線與計(jì)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(shí)驗(yàn)，激趣設(shè)疑

課堂上教師進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，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(hào)，通過(guò)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(jiàn)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(guò)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(guò)程中的某一溫度數(shù)值及其隨時(shí)間的變化曲線圖

學(xué)生很少經(jīng)歷這樣的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)場(chǎng)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(yàn)，拓展了他們的知識(shí)面，激發(fā)了他們探究科學(xué)的興趣。學(xué)生對(duì)于定量的數(shù)值、溫度變化的曲線圖開(kāi)始積極動(dòng)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(shuō)明什么？經(jīng)過(guò)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(guò)程中分解有機(jī)物并釋放熱量導(dǎo)致的，說(shuō)明“萌發(fā)的種子會(huì)產(chǎn)生能量”。

3 合作探究，分析思考

圍繞“如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明死種子沒(méi)有呼吸作用”“種子呼吸時(shí)周?chē)h(huán)境氣體如何變化”，學(xué)生分小組合作，動(dòng)手動(dòng)腦，開(kāi)展了分組探究實(shí)驗(yàn)。關(guān)于“如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明死種子沒(méi)有呼吸作用”，學(xué)生提出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路：用傳感器等數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，測(cè)煮熟并已冷卻的大豆種子是否有熱量產(chǎn)生、周?chē)鯕鉂舛仁欠裣陆?，如果既不產(chǎn)生熱量，氧氣濃度也不下降，說(shuō)明既不吸收氧氣也不釋放熱量，則可推斷死種子無(wú)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(shí)驗(yàn)材料，測(cè)定溫度、二氧化碳和氧氣數(shù)值及三者隨時(shí)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(shí)間的變化曲線圖

圖3 煮熟并已冷卻的大豆種子的周?chē)鯕鉂舛燃捌潆S時(shí)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(wú)波動(dòng)，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?chē)鯕鉂舛葲](méi)有變化，說(shuō)明沒(méi)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(méi)有產(chǎn)生并釋放熱量，也沒(méi)有吸入氧氣，故死種子應(yīng)無(wú)代謝，即無(wú)呼吸作用。圖4表明萌發(fā)的種子周?chē)鯕夂吭跍p少，即活種子萌發(fā)時(shí)吸收氧氣。

圖4 大豆種子萌發(fā)過(guò)程中的某一二氧化碳、氧氣濃度數(shù)值及兩者隨時(shí)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?chē)趸己吭谏?，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(wèn)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?jī)?nèi)壁上有水汽，而煮熟的大豆種子裝置內(nèi)壁沒(méi)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(shuō)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?jī)?nèi)壁上的水汽會(huì)不會(huì)是裝置中液態(tài)水蒸發(fā)而來(lái)的呢？如果是液態(tài)水蒸發(fā)而來(lái)就不能說(shuō)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(shì)啟發(fā)，既然這樣咱們?cè)撊绾闻袛嗤评韮?nèi)壁上的水汽來(lái)自種子而不是來(lái)自液態(tài)水呢？ 有學(xué)生想到設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)照實(shí)驗(yàn)裝置，即取兩個(gè)相同裝置，一個(gè)加萌發(fā)種子和適量水，另一個(gè)只加等量水，在適宜溫度下，觀察兩個(gè)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(wú)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(wèn)、提出問(wèn)題，然后去分析解決問(wèn)題。學(xué)生通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)并提出問(wèn)題，懷疑是水的蒸發(fā)引起的，接著又設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(lèi)似萌發(fā)的種子呼吸時(shí)有機(jī)物的變化呢？科技活動(dòng)小組成員展示他們課前以新鮮的菠菜、菊花等作為實(shí)驗(yàn)材料開(kāi)展的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，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(shì)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(guò)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(chǔ)存在有機(jī)物中的能量釋放出來(lái)，供給生命活動(dòng)需要的過(guò)程叫做呼吸作用。同時(shí)說(shuō)明呼吸作用主要是在線粒體進(jìn)行的，其實(shí)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(shū)寫(xiě)反應(yīng)式：有機(jī)物(儲(chǔ)存著能量)+氧氣 → 二氧化碳+水+能量。用箭頭而不用等號(hào)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(shuō)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(cè)產(chǎn)物是二氧化碳。這些都是教師有意識(shí)將學(xué)生們帶入化學(xué)情境，對(duì)學(xué)生進(jìn)行跨學(xué)科思維的滲透，加深學(xué)生對(duì)概念的理解，幫助學(xué)生形成物質(zhì)和能量觀。

6 設(shè)計(jì)跨學(xué)科作業(yè)，聚焦核心素養(yǎng)

“雙減”政策下提倡布置實(shí)踐類(lèi)作業(yè)和跨學(xué)科類(lèi)作業(yè)。故設(shè)計(jì)的作業(yè)任務(wù)如下：

(1)請(qǐng)同學(xué)們觀察并了解身邊的傳感器，并舉例說(shuō)出日常生活中你遇見(jiàn)的各類(lèi)傳感器，說(shuō)說(shuō)它們發(fā)生的信息轉(zhuǎn)換(滲透物理學(xué)科知識(shí))。

(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(shí))：

有機(jī)物(儲(chǔ)存著能量)+ 氧氣 →( )+( )+( )。

(3)歡迎同學(xué)們課后走進(jìn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，嘗試測(cè)一測(cè)我市“市花”桂花、“市樹(shù)”樟樹(shù)的葉片的呼吸作用(滲透計(jì)算機(jī)科學(xué)、生物學(xué)和物理知識(shí))。

以上三題的設(shè)計(jì)，一方面體現(xiàn)學(xué)科知識(shí)的融合，另一方面，通過(guò)跨學(xué)科類(lèi)實(shí)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(duì)象是義務(wù)教育階段的學(xué)生，對(duì)于所涉及的其他學(xué)科知識(shí)，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(shí)。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中難免出現(xiàn)這樣或那樣的問(wèn)題。例如，由于傳感器過(guò)于靈敏，在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，要有所取舍，如剛接上二氧化碳傳感器時(shí)，二氧化碳的數(shù)值會(huì)非常高，超過(guò)萬(wàn)計(jì)，需要等數(shù)值略平穩(wěn)，到千計(jì)時(shí)開(kāi)始記錄數(shù)值。再如，有學(xué)生提出疑問(wèn)：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(shí)這是過(guò)濾瓶中的空氣，這也需要學(xué)生動(dòng)腦分析。還有接頭的密封性問(wèn)題也會(huì)干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果，需要師生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中予以關(guān)注。但數(shù)字化實(shí)驗(yàn)帶給學(xué)生的沖擊確實(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于存在的困難，在實(shí)驗(yàn)由定性到定量的呈現(xiàn)過(guò)程中，學(xué)生感知物理學(xué)科、計(jì)算機(jī)學(xué)科帶來(lái)的沖擊，所以教師不能用不適宜、不精準(zhǔn)、困難多等來(lái)否定數(shù)字化實(shí)驗(yàn)、拒絕開(kāi)展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

即將出臺(tái)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(hào)釋放出新一輪義務(wù)教育階段課改對(duì)跨學(xué)科教學(xué)內(nèi)容開(kāi)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)。