初中生物學(xué)六個(gè)版本教材中“呼吸作用”實(shí)驗(yàn)的比較與改進(jìn)

華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院(510631) 李 霞 吳繼衡 黃勝琴

1 六個(gè)版本教材實(shí)驗(yàn)的設(shè)置

呼吸作用的學(xué)習(xí)，可以幫助學(xué)生了解其與光合作用的區(qū)別和聯(lián)系，知道綠色植物是維持生物圈中碳—氧平衡的途徑，對(duì)提高學(xué)生的生命觀念和社會(huì)責(zé)任等生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)具有重要的作用。因此，在人教版、蘇教版、河北版、濟(jì)南版、北師大版和浙教版中都設(shè)置了與“呼吸作用”有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中探究植物呼吸作用現(xiàn)象的同時(shí)，掌握呼吸作用的概念和實(shí)質(zhì)，但設(shè)置的具體實(shí)驗(yàn)又有所差異。由表1可知，浙教版設(shè)置的實(shí)驗(yàn)數(shù)量最少，只設(shè)置了“植物通過呼吸作用放出二氧化碳”這一實(shí)驗(yàn)，其他兩個(gè)實(shí)驗(yàn)均未設(shè)置，僅在課本中以簡單的文字描述，蘇教版設(shè)置了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，而人教版、河北版、濟(jì)南版和北師大版與“呼吸作用”有關(guān)的三個(gè)實(shí)驗(yàn)均有設(shè)置，相對(duì)完善。

表1 六個(gè)版本教材中呼吸作用實(shí)驗(yàn)的設(shè)置

2 六個(gè)版本教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的比較

2.1 植物通過呼吸作用釋放熱量

除了蘇教版和浙教版，其他四個(gè)版本的教材均設(shè)置了這一實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)流程均是把實(shí)驗(yàn)材料放入保溫瓶中，插上溫度計(jì)，密封一段時(shí)間后直接觀察溫度計(jì)示數(shù)的變化。通過此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，更有利于學(xué)生對(duì)呼吸作用產(chǎn)生熱量的了解。

2.2 植物通過呼吸作用放出二氧化碳

六個(gè)版本的教材均設(shè)置了這一實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生直觀了解呼吸作用會(huì)產(chǎn)生二氧化碳。在實(shí)驗(yàn)選材上，人教版、北師大版、濟(jì)南版、蘇教版和河北版都只選用一種實(shí)驗(yàn)材料，實(shí)驗(yàn)對(duì)象比較單一，可能會(huì)導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生錯(cuò)誤的前科學(xué)概念——呼吸作用只有種子才能進(jìn)行。而浙教版同時(shí)使用種子和蔬菜作為實(shí)驗(yàn)材料，在正文中還有相應(yīng)的問題引導(dǎo)，幫助學(xué)生了解植物的根、莖、葉、花、果實(shí)和種子都能進(jìn)行呼吸作用，為正確構(gòu)建呼吸作用的概念奠定基礎(chǔ)。

在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上，人教版、北師大版和濟(jì)南版均將種子置于玻璃瓶中，放置一段時(shí)間后采用加水排氣法，將玻璃瓶中的氣體排入裝有澄清石灰水的試管中，觀察石灰水的變化。該實(shí)驗(yàn)?zāi)康拿鞔_，但在設(shè)計(jì)上存在一定的不足，二氧化碳可溶于水，在加水過程中會(huì)有部分二氧化碳溶解在水中。另外，人教版只有一組實(shí)驗(yàn)組，缺乏對(duì)照，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的說服力不強(qiáng)，而且與北師大版均使用棉花塞住漏斗，裝置氣密性不強(qiáng)，容易造成二氧化碳溢出。而濟(jì)南版將漏斗改成分液漏斗，可以彌補(bǔ)該點(diǎn)不足，加強(qiáng)裝置的氣密性。

蘇教版將蔬菜置于黑色塑料袋并扎緊袋口，如果塑料袋漏氣或者袋口扎不牢，會(huì)直接影響實(shí)驗(yàn)的效果，而且容易使學(xué)生產(chǎn)生“植物只有在黑暗環(huán)境下才能進(jìn)行呼吸作用”的錯(cuò)誤前科學(xué)概念。浙教版中蔬菜的處理與蘇教版相同，但是又增加了種子這一實(shí)驗(yàn)，將種子與石灰石置于同一試管中，兩者相互隔開，這樣不僅可以避免石灰石對(duì)種子呼吸作用造成的影響，還能簡化實(shí)驗(yàn)裝置，提高實(shí)驗(yàn)效果。同時(shí)，種子這一實(shí)驗(yàn)是在有光條件下進(jìn)行的，與蔬菜的黑暗條件結(jié)合，可以幫助學(xué)生理解呼吸作用在有光和無光的條件下均能進(jìn)行，避免學(xué)生產(chǎn)生錯(cuò)誤的認(rèn)知。而河北版直接打開廣口瓶注入澄清石灰水，該操作可能會(huì)導(dǎo)致二氧化碳溢出，造成實(shí)驗(yàn)效果不明顯。

對(duì)于本實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新建議主要有三點(diǎn)：①改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，在確保實(shí)驗(yàn)器材不繁瑣的情況下，加強(qiáng)裝置的整體氣密性；②在條件允許的情況下，同時(shí)采用植物的根、莖、葉、花、果實(shí)和種子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同時(shí)在必要時(shí)套上黑色袋子排除光合作用的影響，驗(yàn)證植物體的各個(gè)部位在有光和無光的條件下均能進(jìn)行呼吸作用；③實(shí)驗(yàn)時(shí)盡量選擇呼吸作用效率高的實(shí)驗(yàn)材料，如浸泡過的大豆種子、綠豆種子、花生種子等。

2.3 植物通過呼吸作用消耗氧氣

除了浙教版，其他五個(gè)版本的教材均設(shè)置了這一實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)流程均是把燃燒的蠟燭放入實(shí)驗(yàn)裝置中，觀察蠟燭的燃燒情況。但是，該實(shí)驗(yàn)容易引發(fā)質(zhì)疑，究竟是呼吸作用產(chǎn)生的二氧化碳使蠟燭熄滅了，還是呼吸作用消耗氧氣，氧氣不足，蠟燭才熄滅，該實(shí)驗(yàn)無法解釋清楚，因此排除裝置中二氧化碳對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響是該實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的方向。

由以上的分析可知，在六個(gè)版本的生物學(xué)教材中，與“呼吸作用”有關(guān)的實(shí)驗(yàn)仍存在不足，急需改進(jìn)。大部分版本均通過三組實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證植物在呼吸時(shí)釋放能量、產(chǎn)生二氧化碳和消耗氧氣，器材瑣碎，不利于幫助學(xué)生構(gòu)建完整的生物學(xué)概念。只有濟(jì)南版用同一套實(shí)驗(yàn)裝置同時(shí)完成“呼吸作用”這一綜合實(shí)驗(yàn)，但是在檢驗(yàn)呼吸作用消耗氧氣時(shí)，仍然沒有辦法排除二氧化碳對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，而且該實(shí)驗(yàn)是先檢驗(yàn)氧氣，再檢驗(yàn)二氧化碳，在前者檢驗(yàn)時(shí)會(huì)造成氣體逃逸，導(dǎo)致后者檢驗(yàn)時(shí)效果不明顯。為了解決這一問題，接下來將重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)“呼吸作用”這一綜合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。

3 “呼吸作用”綜合實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用自制實(shí)驗(yàn)裝置，裝置穩(wěn)固，氣密性良好。c瓶為保溫瓶，能有效避免熱量的散失，便于觀察到溫度計(jì)的示數(shù)變化。針筒可以多次推動(dòng)，將c瓶中的氣體趕到d瓶和e瓶中。d瓶中裝有BTB溶液，BTB靈敏度較高，可重復(fù)使用，通過觀察BTB溶液顏色的變化就可以判斷呼吸作用有無二氧化碳的產(chǎn)生。e瓶中裝有NaOH溶液，可以有效除去氣體中的二氧化碳，避免對(duì)氧氣的檢驗(yàn)造成影響。綜上所述，本套裝置直觀簡易，操作簡單，重復(fù)性強(qiáng)，還能有效克服教材實(shí)驗(yàn)中存在的不足，將三個(gè)實(shí)驗(yàn)集于同一裝置同時(shí)完成，省時(shí)省力。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)連接裝置：按圖1所示連接實(shí)驗(yàn)裝置，閥門K1、K2和K3處于關(guān)閉狀態(tài)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

(2)處理材料：稱取新鮮的浸泡過的綠豆置于c瓶中，作為實(shí)驗(yàn)組，稱取等量的煮熟的綠豆置于另外一套相同的裝置中，作為對(duì)照組，把實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的裝置同時(shí)放到溫暖的地方，分別記錄下此時(shí)溫度計(jì)的示數(shù)。

(3)觀察記錄：12 h之后，重新記錄溫度計(jì)的示數(shù)，打開閥門K1、K2、K3，多次推動(dòng)針筒，確保c瓶中種子呼吸作用之后的氣體充盈在d瓶和e瓶中，同時(shí)將e瓶中的空氣排出，避免e瓶中的氧氣對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響。接著關(guān)閉全部閥門，觀察d瓶中BTB溶液顏色變化情況，靜置一段時(shí)間等待e瓶中的氫氧化鈉溶液充分吸收二氧化碳后，打開e瓶，把燃燒的木條放置于e瓶內(nèi)，觀察木條的燃燒情況。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2中實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，植物通過呼吸作用會(huì)釋放出熱量，放出二氧化碳和產(chǎn)生水，同時(shí)消耗氧氣。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.4 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

目前，初中生物學(xué)課時(shí)較少，無法保證實(shí)驗(yàn)全部開出，因此可以通過整合優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，達(dá)成多級(jí)探究目標(biāo)來解決這一矛盾。呼吸作用是植物重要的生理活動(dòng)之一，通過對(duì)該實(shí)驗(yàn)的探究有助于幫助學(xué)生理解呼吸作用的實(shí)質(zhì)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高科學(xué)探究能力。

3.4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置的優(yōu)化

在實(shí)驗(yàn)設(shè)置方面，采用自制的實(shí)驗(yàn)裝置，一次性完成與呼吸作用有關(guān)的三個(gè)實(shí)驗(yàn)，省時(shí)省力，操作性強(qiáng)，可以為構(gòu)建“呼吸作用”的完整概念，理解呼吸作用的實(shí)質(zhì)奠定基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)中，BTB溶液對(duì)二氧化碳敏感，通過由藍(lán)變綠再變黃的顏色變化，可以明顯檢驗(yàn)呼吸作用產(chǎn)生的二氧化碳。用燃燒的木條檢測(cè)氧氣時(shí)，先使用NaOH溶液吸收裝置中的二氧化碳，可以有效避免其對(duì)氧氣檢驗(yàn)的影響。另外，本實(shí)驗(yàn)增設(shè)了煮熟的綠豆種子這一對(duì)照實(shí)驗(yàn)，可以排除外界環(huán)境等無關(guān)因素的影響，使實(shí)驗(yàn)更加嚴(yán)謹(jǐn)，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的說服力。

3.4.2 實(shí)驗(yàn)選材的優(yōu)化

在實(shí)驗(yàn)選材方面，本實(shí)驗(yàn)選擇了日常生活中常見的綠豆，綠豆容易獲取，價(jià)格便宜。目前的研究中，已有研究者利用手持技術(shù)定量檢測(cè)呼吸作用消耗的氧氣量和產(chǎn)生的二氧化碳量，但對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求較高，學(xué)生使用較難。而綠豆種子的呼吸效率高，在實(shí)驗(yàn)中可以明顯觀察到溫度計(jì)示數(shù)上升、瓶壁上有水珠、BTB溶液由藍(lán)變綠再變黃、燃燒的木條熄滅等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而且實(shí)驗(yàn)處理6～8 h就可以觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)效果。

3.4.3 實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展

在具體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師還可以提供胡蘿卜、馬鈴薯、菠菜、花椰菜、西紅柿等實(shí)驗(yàn)材料，并提醒學(xué)生，如果實(shí)驗(yàn)材料中有綠色葉片時(shí)要用黑色塑料袋套住保溫瓶，然后讓學(xué)生選擇實(shí)驗(yàn)材料，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，提高學(xué)生的科學(xué)探究能力和創(chuàng)造力，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維和理性思維，避免學(xué)生產(chǎn)生錯(cuò)誤的前科學(xué)概念，幫助學(xué)生形成對(duì)呼吸作用概念的正確理解。