用传感器测定种子呼吸作用的跨学科教学探索

安徽省马鞍山市教育科学研究院(243000) 禹 萍

安徽省马鞍山市二中外国语分校(243000) 孟繁健 杨 冰

呼吸作用是初中生物学教学中的一个非常重要的概念。义务教育阶段要求教师在教学中帮助学生建构“在生物体内，细胞能通过分解糖类等获得能量，同时生成二氧化碳和水”这一重要概念。七年级生物教材上册第3单元第5章第2节“绿色植物的呼吸作用”中指出：细胞利用氧，将有机物分解成二氧化碳和水，并且将储存在有机物中的能量释放出来，供给生命活动的需要，这个过程叫做呼吸作用。

为更好地帮助学生建构呼吸作用的概念，同时培养学生的跨学科思维。笔者及团队用传感器等数字化实验装备，渗透物理、化学和计算机等学科知识，开展了以测定种子呼吸作用为主题的跨学科教学。具体如下：

1 了解传感器，熟练操作计算机系统

教师在组织教学前，要帮助学生认识传感器等数字化实验设备，教会学生使用计算机系统里安装的朗威6.9软件。

传感器可以将力、温度、光、声等非电学量转换为与之有确定对应关系的电学量输出[3]。如楼道声控-光控灯内就装有声音及光传感器，将声音的变化和光线的强弱转化为电流，使灯在适宜的时候亮。

教师要指导学生熟练连接传感器等数字化设备，并操作计算机系统。将相关传感器(如温度传感器、二氧化碳传感器、氧气传感器)，一端与装有不同状态的种子的容器连接，另一端通过数据采集器、数据线与计算机相连，点击并操作朗威6.9软件呈现相应数据和曲线。

2 演示实验，激趣设疑

课堂上教师进行演示实验，将温度传感器的探头伸进装有萌发种子的暖水瓶中，接收温度信号，通过数据采集，朗威6.9软件上呈现温度数值及其变化曲线(见图1)。结果显示：当前温度32.6 ℃，高于外界环境温度；萌发过程中温度变化曲线呈现缓慢上升状态。

图1 大豆种子萌发过程中的某一温度数值及其随时间的变化曲线图

学生很少经历这样的数字化实验场景，温度信息转化成电信息又在电脑上呈现为相应的数值和曲线，这种感受和体验，拓展了他们的知识面，激发了他们探究科学的兴趣。学生对于定量的数值、温度变化的曲线图开始积极动脑思考，踊跃发言，表达自己的观点。教师引导学生思考：温度升高的原因究竟是什么？这种现象能说明什么？经过分析讨论，大家一致认为：温度的升高是由于种子萌发过程中分解有机物并释放热量导致的，说明“萌发的种子会产生能量”。

3 合作探究，分析思考

围绕“如何设计实验证明死种子没有呼吸作用”“种子呼吸时周围环境气体如何变化”，学生分小组合作，动手动脑，开展了分组探究实验。关于“如何设计实验证明死种子没有呼吸作用”，学生提出实验设计思路：用传感器等数字化实验设备，测煮熟并已冷却的大豆种子是否有热量产生、周围氧气浓度是否下降，如果既不产生热量，氧气浓度也不下降，说明既不吸收氧气也不释放热量，则可推断死种子无呼吸作用。

学生以煮熟并冷却的大豆种子和萌发的大豆种子为实验材料，测定温度、二氧化碳和氧气数值及三者随时间的变化情况，获得如图2～4所示的数值和曲线。

图2 煮熟并已冷却的大豆种子的温度数值及其随时间的变化曲线图

图3 煮熟并已冷却的大豆种子的周围氧气浓度及其随时间的变化曲线图

引导学生分析：图2表明死种子温度数值无波动，始终与外界环境温度(初始温度18.1 ℃)相同；图3表明死种子周围氧气浓度没有变化，说明没有吸入氧气；再结合图1的数据判断推理可以得出：死种子没有产生并释放热量，也没有吸入氧气，故死种子应无代谢，即无呼吸作用。图4表明萌发的种子周围氧气含量在减少，即活种子萌发时吸收氧气。

图4 大豆种子萌发过程中的某一二氧化碳、氧气浓度数值及两者随时间的变化曲线图

引导学生分析图4曲线可知：萌发的大豆种子周围二氧化碳含量在升高，氧气含量在减小。得出结论：萌发的种子呼吸作用吸入氧气，呼出二氧化碳。

4 发现问题，判断推理

有细心的学生观察发现，装有萌发大豆种子的抽滤瓶内壁上有水汽，而煮熟的大豆种子装置内壁没有水汽，于是得出结论：萌发的种子产生了水，也就是说种子的呼吸作用有水产生。又有学生质疑：“萌发大豆种子的抽滤瓶内壁上的水汽会不会是装置中液态水蒸发而来的呢？如果是液态水蒸发而来就不能说明呼吸作用产生水。” 教师立即肯定他们的思考和质疑，接着顺势启发，既然这样咱们该如何判断推理内壁上的水汽来自种子而不是来自液态水呢？ 有学生想到设计一个对照实验装置，即取两个相同装置，一个加萌发种子和适量水，另一个只加等量水，在适宜温度下，观察两个装置玻璃内壁的水汽状况。结果萌发的种子装置内壁有水汽，而另一装置内壁无水汽。

教师要培养学生的创新精神、批判性思维，仅释疑解惑是不够的，必须要让学生产生疑问、提出问题，然后去分析解决问题。学生通过观察发现并提出问题，怀疑是水的蒸发引起的，接着又设计实验进行判断推理释疑，符合核心素养培养的要求。

5 归纳概括，得出结论

绿色植物的其他器官是否也有类似萌发的种子呼吸时有机物的变化呢？科技活动小组成员展示他们课前以新鲜的菠菜、菊花等作为实验材料开展的数字化实验，采集到的数据显示：温度升高、氧气减少、二氧化碳增加，同样观察到有水的生成。教师顺势指出，科学研究发现：有机物的这种变化不仅发生在种子萌发过程中，而且发生在所有植物细胞的内部。由此，引导学生归纳概括出呼吸作用的概念，即细胞利用氧，将有机物分解成二氧化碳和水，并且将储存在有机物中的能量释放出来，供给生命活动需要的过程叫做呼吸作用。同时说明呼吸作用主要是在线粒体进行的，其实质就是分解有机物，释放能量。并带着学生总结并书写反应式：有机物(储存着能量)+氧气 → 二氧化碳+水+能量。用箭头而不用等号表明呼吸作用是一系列的化学反应，箭头左边代表反应物，箭头右边代表生成物。教师可演示“将燃烧的蜡烛放进装有萌发种子的锥形瓶”，观察到火焰立刻熄灭，说明分解有机物需要氧气。教师还可演示用“排气法”将产生的气体导入澄清的石灰水，检测产物是二氧化碳。这些都是教师有意识将学生们带入化学情境，对学生进行跨学科思维的渗透，加深学生对概念的理解，帮助学生形成物质和能量观。

6 设计跨学科作业，聚焦核心素养

“双减”政策下提倡布置实践类作业和跨学科类作业。故设计的作业任务如下：

(1)请同学们观察并了解身边的传感器，并举例说出日常生活中你遇见的各类传感器，说说它们发生的信息转换(渗透物理学科知识)。

(2)完成下列种子的呼吸作用反应式(渗透生物学、化学知识)：

有机物(储存着能量)+ 氧气 →( )+( )+( )。

(3)欢迎同学们课后走进数字化实验室，尝试测一测我市“市花”桂花、“市树”樟树的叶片的呼吸作用(渗透计算机科学、生物学和物理知识)。

以上三题的设计，一方面体现学科知识的融合，另一方面，通过跨学科类实践作业，培养学生高阶思维。

7 教学反思

考虑到教学对象是义务教育阶段的学生，对于所涉及的其他学科知识，不一定要详细讲解，如传感器及其工作原理在高中物理学新教材必修内容中有介绍，作为初中生物学教师可展示一些图片，帮助学生了解传感器蕴含的物理学科知识。

数字化实验过程中难免出现这样或那样的问题。例如，由于传感器过于灵敏，在读取数据时，要有所取舍，如刚接上二氧化碳传感器时，二氧化碳的数值会非常高，超过万计，需要等数值略平稳，到千计时开始记录数值。再如，有学生提出疑问：图3中煮熟的大豆种子不呼吸了，为何还有氧气的数据？其实这是过滤瓶中的空气，这也需要学生动脑分析。还有接头的密封性问题也会干扰实验结果，需要师生在实验过程中予以关注。但数字化实验带给学生的冲击确实远远大于存在的困难，在实验由定性到定量的呈现过程中，学生感知物理学科、计算机学科带来的冲击，所以教师不能用不适宜、不精准、困难多等来否定数字化实验、拒绝开展数字化实验教学。

即将出台的义务教育阶段新课标倡导跨学科教学，随之的新教材中也将呈现不少于10%的跨学科教学内容。这些信号释放出新一轮义务教育阶段课改对跨学科教学内容开发的关注，由此我们课题组有了决心和信心，积极思考并挖掘跨学科教学内容，促进学生跨学科思维的培养。