初中生物学六个版本教材中“呼吸作用”实验的比较与改进

华南师范大学生命科学学院(510631) 李 霞 吴继衡 黄胜琴

1 六个版本教材实验的设置

呼吸作用的学习，可以帮助学生了解其与光合作用的区别和联系，知道绿色植物是维持生物圈中碳—氧平衡的途径，对提高学生的生命观念和社会责任等生物学学科核心素养具有重要的作用。因此，在人教版、苏教版、河北版、济南版、北师大版和浙教版中都设置了与“呼吸作用”有关的实验，让学生在实验中探究植物呼吸作用现象的同时，掌握呼吸作用的概念和实质，但设置的具体实验又有所差异。由表1可知，浙教版设置的实验数量最少，只设置了“植物通过呼吸作用放出二氧化碳”这一实验，其他两个实验均未设置，仅在课本中以简单的文字描述，苏教版设置了两个实验，而人教版、河北版、济南版和北师大版与“呼吸作用”有关的三个实验均有设置，相对完善。

表1 六个版本教材中呼吸作用实验的设置

2 六个版本教材实验设计的比较

2.1 植物通过呼吸作用释放热量

除了苏教版和浙教版，其他四个版本的教材均设置了这一实验，其实验流程均是把实验材料放入保温瓶中，插上温度计，密封一段时间后直接观察温度计示数的变化。通过此实验现象的观察，更有利于学生对呼吸作用产生热量的了解。

2.2 植物通过呼吸作用放出二氧化碳

六个版本的教材均设置了这一实验，通过实验帮助学生直观了解呼吸作用会产生二氧化碳。在实验选材上，人教版、北师大版、济南版、苏教版和河北版都只选用一种实验材料，实验对象比较单一，可能会导致学生产生错误的前科学概念——呼吸作用只有种子才能进行。而浙教版同时使用种子和蔬菜作为实验材料，在正文中还有相应的问题引导，帮助学生了解植物的根、茎、叶、花、果实和种子都能进行呼吸作用，为正确构建呼吸作用的概念奠定基础。

在实验设计上，人教版、北师大版和济南版均将种子置于玻璃瓶中，放置一段时间后采用加水排气法，将玻璃瓶中的气体排入装有澄清石灰水的试管中，观察石灰水的变化。该实验目的明确，但在设计上存在一定的不足，二氧化碳可溶于水，在加水过程中会有部分二氧化碳溶解在水中。另外，人教版只有一组实验组，缺乏对照，实验结果的说服力不强，而且与北师大版均使用棉花塞住漏斗，装置气密性不强，容易造成二氧化碳溢出。而济南版将漏斗改成分液漏斗，可以弥补该点不足，加强装置的气密性。

苏教版将蔬菜置于黑色塑料袋并扎紧袋口，如果塑料袋漏气或者袋口扎不牢，会直接影响实验的效果，而且容易使学生产生“植物只有在黑暗环境下才能进行呼吸作用”的错误前科学概念。浙教版中蔬菜的处理与苏教版相同，但是又增加了种子这一实验，将种子与石灰石置于同一试管中，两者相互隔开，这样不仅可以避免石灰石对种子呼吸作用造成的影响，还能简化实验装置，提高实验效果。同时，种子这一实验是在有光条件下进行的，与蔬菜的黑暗条件结合，可以帮助学生理解呼吸作用在有光和无光的条件下均能进行，避免学生产生错误的认知。而河北版直接打开广口瓶注入澄清石灰水，该操作可能会导致二氧化碳溢出，造成实验效果不明显。

对于本实验的创新建议主要有三点：①改进实验装置，在确保实验器材不繁琐的情况下，加强装置的整体气密性；②在条件允许的情况下，同时采用植物的根、茎、叶、花、果实和种子进行实验，同时在必要时套上黑色袋子排除光合作用的影响，验证植物体的各个部位在有光和无光的条件下均能进行呼吸作用；③实验时尽量选择呼吸作用效率高的实验材料，如浸泡过的大豆种子、绿豆种子、花生种子等。

2.3 植物通过呼吸作用消耗氧气

除了浙教版，其他五个版本的教材均设置了这一实验，实验流程均是把燃烧的蜡烛放入实验装置中，观察蜡烛的燃烧情况。但是，该实验容易引发质疑，究竟是呼吸作用产生的二氧化碳使蜡烛熄灭了，还是呼吸作用消耗氧气，氧气不足，蜡烛才熄灭，该实验无法解释清楚，因此排除装置中二氧化碳对实验结果的影响是该实验创新的方向。

由以上的分析可知，在六个版本的生物学教材中，与“呼吸作用”有关的实验仍存在不足，急需改进。大部分版本均通过三组实验来验证植物在呼吸时释放能量、产生二氧化碳和消耗氧气，器材琐碎，不利于帮助学生构建完整的生物学概念。只有济南版用同一套实验装置同时完成“呼吸作用”这一综合实验，但是在检验呼吸作用消耗氧气时，仍然没有办法排除二氧化碳对实验的影响，而且该实验是先检验氧气，再检验二氧化碳，在前者检验时会造成气体逃逸，导致后者检验时效果不明显。为了解决这一问题，接下来将重新设计实验装置，对“呼吸作用”这一综合实验进行改进。

3 “呼吸作用”综合实验的改进

3.1 实验装置

本实验采用自制实验装置，装置稳固，气密性良好。c瓶为保温瓶，能有效避免热量的散失，便于观察到温度计的示数变化。针筒可以多次推动，将c瓶中的气体赶到d瓶和e瓶中。d瓶中装有BTB溶液，BTB灵敏度较高，可重复使用，通过观察BTB溶液颜色的变化就可以判断呼吸作用有无二氧化碳的产生。e瓶中装有NaOH溶液，可以有效除去气体中的二氧化碳，避免对氧气的检验造成影响。综上所述，本套装置直观简易，操作简单，重复性强，还能有效克服教材实验中存在的不足，将三个实验集于同一装置同时完成，省时省力。

3.2 实验步骤

(1)连接装置：按图1所示连接实验装置，阀门K1、K2和K3处于关闭状态。

图1 实验装置实物图

(2)处理材料：称取新鲜的浸泡过的绿豆置于c瓶中，作为实验组，称取等量的煮熟的绿豆置于另外一套相同的装置中，作为对照组，把实验组和对照组的装置同时放到温暖的地方，分别记录下此时温度计的示数。

(3)观察记录：12 h之后，重新记录温度计的示数，打开阀门K1、K2、K3，多次推动针筒，确保c瓶中种子呼吸作用之后的气体充盈在d瓶和e瓶中，同时将e瓶中的空气排出，避免e瓶中的氧气对实验结果造成影响。接着关闭全部阀门，观察d瓶中BTB溶液颜色变化情况，静置一段时间等待e瓶中的氢氧化钠溶液充分吸收二氧化碳后，打开e瓶，把燃烧的木条放置于e瓶内，观察木条的燃烧情况。

3.3 实验结果

由表2中实验组和对照组的实验结果可知，植物通过呼吸作用会释放出热量，放出二氧化碳和产生水，同时消耗氧气。

表2 实验结果

3.4 改进实验的优点

目前，初中生物学课时较少，无法保证实验全部开出，因此可以通过整合优化实验，达成多级探究目标来解决这一矛盾。呼吸作用是植物重要的生理活动之一，通过对该实验的探究有助于帮助学生理解呼吸作用的实质，激发学生的学习兴趣，提高科学探究能力。

3.4.1 实验设置的优化

在实验设置方面，采用自制的实验装置，一次性完成与呼吸作用有关的三个实验，省时省力，操作性强，可以为构建“呼吸作用”的完整概念，理解呼吸作用的实质奠定基础。在实验中，BTB溶液对二氧化碳敏感，通过由蓝变绿再变黄的颜色变化，可以明显检验呼吸作用产生的二氧化碳。用燃烧的木条检测氧气时，先使用NaOH溶液吸收装置中的二氧化碳，可以有效避免其对氧气检验的影响。另外，本实验增设了煮熟的绿豆种子这一对照实验，可以排除外界环境等无关因素的影响，使实验更加严谨，增强实验的说服力。

3.4.2 实验选材的优化

在实验选材方面，本实验选择了日常生活中常见的绿豆，绿豆容易获取，价格便宜。目前的研究中，已有研究者利用手持技术定量检测呼吸作用消耗的氧气量和产生的二氧化碳量，但对实验设备的要求较高，学生使用较难。而绿豆种子的呼吸效率高，在实验中可以明显观察到温度计示数上升、瓶壁上有水珠、BTB溶液由蓝变绿再变黄、燃烧的木条熄灭等实验现象，而且实验处理6～8 h就可以观察到明显的实验效果。

3.4.3 实验可实现扩展

在具体的实验教学中，教师还可以提供胡萝卜、马铃薯、菠菜、花椰菜、西红柿等实验材料，并提醒学生，如果实验材料中有绿色叶片时要用黑色塑料袋套住保温瓶，然后让学生选择实验材料，自行设计实验进行探究，提高学生的科学探究能力和创造力，培养学生的发散思维和理性思维，避免学生产生错误的前科学概念，帮助学生形成对呼吸作用概念的正确理解。