例谈基于科学探究素养的实验装置改进探究

刘敏 房杰

文件编号：1003-7586（2018）11-0033-03

摘要 对“测定某种食物中的能量”实验的实验装置的进行改进，特别是从保温、安全操作方面进行探究设计，从而引导学生用相对简单易操作的材料和装置来开展实验，以期达到更佳的实验效果和提高学生的科学探究素养。

关键词 科学探究 实验装置 实验改进 食物能量

中图分类号 G633.91

文献标志码 B

生物新课程标准提出提高学生的学科核心素养，包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任四个方面。科学探究是指能够发现现實世界中的生物学问题，针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施以及结果的交流与讨论的能力。“测定某种食物中的能量”是北师大版七年级下册的一个探究性实验。该实验能锻炼学生的多方面实验技能，如天平、量筒、温度计、酒精灯等实验器具的正确使用和数值读取，同时加深对科学探究一般过程的认识，进一步提高制定并实施探究计划、处理数据和分析探究结果的能力，促进学生思维品质的训练和科学探究方法的掌握，有利于创新思维的形成和科学素养的提高。笔者通过对该实验进行实验装置的改进探究，以期达到更好的实验效果和提高学生的科学探究素养。

1实验思路的设计

食物中含有大量的有机物，有机物储存有大量的能量，能提供人体生命活动的需要，同时，人体在利用能量的过程中，能量从一种形式转化为另一种形式。因此食物燃烧时，有机物内储存的化学能会转化为热能释放出来，从而被水吸收。水在吸收这些热量后，水温会升高。通过测量水升高的温度，可以推算出被燃烧的食物中含有多少能量。而每1g蛋白质或1g碳水化合物在身体内可产生4kcal能量，每1kcal相当于4.184kJ。在常态下1mL水每升高10℃需要吸收4.2J的能量。因此可以通过测量燃烧食物引起水温升高来间接测出食物的能量。公式为：1g食物含有的能量（焦耳）=水的容积×温差×4.2÷食物的质量。

2实验材料的选择

有很多教材中都是选取花生和核桃。花生和核桃同属油料作物，含有能量差异不大，稍不小心就会使实验结果相反，有悖科学真理，因此笔者选择成本较低的花生做该实验。花生的种皮不易燃烧，所以实验中把花生的种皮剥掉，以达到花生快速燃烧，并且避免更多热量损耗的目的。由于改进装置前一般取1粒种子充分燃烧后，水温一般会在80～90℃，而在改进装置后燃烧1粒种子，水很快沸腾，而且温度继续上升。此时，已经不能使用常规温度计测量，为了降低水温的升高，在改进装置后，选用花生的一片子叶作为实验材料。本实验中用的是放置一年左右的饱满而干燥的花生，原因是放置这种花生的水分较低。

通常使用解剖针扎入花生用打火机引燃，再去加热试管中的水。在花生燃烧过程中，花生常常有脱落现象，会影响测量结果，原因主要是解剖针没有垂直扎入2片子叶中，所以需要用解剖针垂直扎入子叶。

3实验装置的总体设计

用纸质材料容易被点燃，而玻璃材料不易剪裁，所以选择易拉罐。铝质易拉罐易剪裁处理，不会伤手，其拉环口恰好能将普通试管放入。空罐倒置后，将其底部突出部分以内全部剪去，周围尽量不留明显突起，然后在罐体1/3处剪出一个三角形空缺，当做炉门使用。

实验中花生的燃烧物容易掉落桌面，同时也会损坏实验台。可将易拉罐从中部剪开，取其下部作底。

锥形瓶不能直接加热，采用试管可避免锥形瓶直接炸裂，发生意外，还可以减少能量损耗。一般情况下，一粒种子燃烧一分钟就能将10mL水煮沸。若容积过大，不仅温度变化不明显，而且需要使用较大口径的试管，从而还需要对易拉罐拉环口进一步裁剪，所以量取容积为15mL的水。

温度计不能直接接触试管瓶底，更不能待燃烧完全后再测水温，用橡胶塞打孔后将温度计固定在水层中部，同时试管瓶口部加橡胶塞也可以减少热量散失。

花生种子在燃烧时，会向不同方向射出火苗，也会有小小的脂肪颗粒燃烧着向周围喷射。显然，这样的火苗释放的热量很难被测量记录。将使用解剖针扎入的花生用打火机引燃时，若转动着使花生全部开始燃烧，燃烧速度很快，其热量损耗的也就较多。若只是集中外焰点燃花生的一端，使其燃烧的较小火焰加热试管底部，待燃烧一半左右时，再转动解剖针，让另一端花生开始慢慢燃烧。这样处理的结果是花生燃烧时间较长，其热量损耗就会相应的减少。

花生火焰熄灭，就开始读取温度计的水温数值误差比较大。因此要稍等几秒钟，待温度计内水银的膨胀细线末端不再上升（一般能升高5℃左右），再及时记录数据。并且第二次实验前应等温度计降下来（或换用新的温度计，以节省实验时间）。

4设计数据记录表格

学生自己设计实验记录表（表1），并在探究过程中实时记录。

5实验装置的探究过程

直接用试管加热，用铁架台固定试管，用橡胶塞打孔后将温度计固定在水层中部。取一粒点燃花生种子，用解剖针垂直扎入2片子叶中，直接加热试管。重复至少三次测量，取平均值，记作A组。

选用铝质易拉罐，其拉环口恰好能将普通试管放入。空罐倒置后，将其底部突出部分以内全部剪去，周围尽量不留明显突起，然后在罐体1/3处剪出一个三角形空缺，当做炉门使用;易拉罐从中部剪开，取下部作底;试管用试管夹夹住。取一粒点燃花生种子，用解剖针垂直扎入2片子叶中，直接加热试管。重复至少三次测量取平均值，记作B组。

用多层锡纸包裹在铝质易拉罐内层，底部也剪个三角形，取一粒点燃花生种子，用解剖针垂直扎入2片子叶中，直接加热试管。重复至少三次平行实验取平均值，记作C组。

用两个易拉罐做成简易装置。将一个直径较小的易拉罐罐口的部位彻底去掉，然后倒过来，罐底在上方，用剪刀在罐体三分之一处剪出一个三角形空缺。将另一个易拉罐底部突出部分以内全部剪去，周围尽量不留明显突起，然后将两个易拉罐套在一起，中间填充泡沫（包装材料中可找到，也是简单易寻找的）连接处用胶带在外面巩固好。取一片点燃花生子叶，用解剖针垂直扎入其中，重复至少三次测量取平均值，记作D组。

6实验结果及分析

6.1实验结果

将各组数据统计后，绘制成柱状图。

6.2实验结果分析

A组中，整粒种子燃烧时，集中燃烧而散发到周围空间的热量较多，直接加热试管的热量相对就少了，所以A组误差比较大。B组在罐内燃烧时，由于易拉罐的局部空间限制，热量散失相对较少，测量得到数值就较高些。C组中，用锡纸材料，一方面隔热效果好，减少热量散失;另一方面，近年来流行锡纸花甲，所以材料也很好找。不过，笔者所使用的锡纸的厚度更大，从实验数据可以看出效果更好。D组最大限度的减少误差，虽然想过用泡沫剂，不过学生不易找材料就放弃了。

本实验是一个探究性实验，重点应放在提出问题、作出假设以及根据提出的问题和作出的假设设计实验步骤。通过测量食物燃烧放出热能的多少来测定食物中的能量是一种粗略的方法，存在着较大的实验误差，因此对引起实验误差原因的分析应该是本实验的一个重要内容。引起实验误差的原因大致包括：一部分热能转化为光能、热传递引起的能量散失、燃烧不充分、实验材料的选取、实验装置的设计、加热不均匀、读数不准确（天平精确度不高）等。实际上花生的能量值是12.47kJ/g。笔者通过多次实验，发现最后一种实验装置能量相对耗损最少，误差最小。使用改进后的实验装置进行探究，简单易行，不仅使实验更加接近真实值，还培养了学生的生物学学科核心素养，培养了学生对生物学的学习兴趣，提高了学生对生物学学习的积极性。