利用現(xiàn)代信息技術(shù)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維
——以“呼吸與呼吸作用”為例

（北京師范大學(xué)昌平附屬學(xué)校 北京 102206）

當(dāng)今，人類社會(huì)正全面進(jìn)入信息時(shí)代，教育信息化促進(jìn)教育現(xiàn)代化已成為我國(guó)教育改革的重要戰(zhàn)略?，F(xiàn)代信息技術(shù)作為現(xiàn)代教學(xué)的有力支持，正越來(lái)越深入地影響課堂教學(xué)，給教師的教學(xué)方式、學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、師生互動(dòng)、生生互動(dòng)等帶來(lái)變革?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中明確提出核心素養(yǎng)為宗旨的基本理念?！翱茖W(xué)思維”是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問(wèn)題的思維習(xí)慣和能力。順應(yīng)當(dāng)今信息時(shí)代的背景，恰當(dāng)使用現(xiàn)代信息技術(shù)，提高學(xué)生科學(xué)思維值得研究。下面以北京版生物學(xué)七年級(jí)下冊(cè)第六章第四節(jié)“呼吸與呼吸作用”一課為例進(jìn)行探討。

1 教學(xué)目標(biāo)

①通過(guò)燃燒和呼吸作用的比較，描述呼吸作用的過(guò)程，闡明呼吸作用的實(shí)質(zhì)，從而理解呼吸作用這一核心概念。

②通過(guò)觀察演示實(shí)驗(yàn)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提高對(duì)比分析、歸納概括、邏輯推理能力和批判性思維、創(chuàng)造性思維；通過(guò)呼吸作用在實(shí)際生活的應(yīng)用，提高演繹-推理能力。

③通過(guò)真實(shí)情境下呼吸作用概念的構(gòu)建，形成實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和探索精神；通過(guò)學(xué)習(xí)呼吸作用的實(shí)質(zhì)和意義，認(rèn)同呼吸作用在生活中的科學(xué)價(jià)值。

2 課前實(shí)驗(yàn)及信息化資源準(zhǔn)備

課前，教師帶領(lǐng)生物小組學(xué)生完成有關(guān)綠豆種子燃燒和呼吸作用的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

搭建綠豆種子的燃燒裝置、萌發(fā)綠豆種子和煮熟綠豆種子的呼吸作用對(duì)比裝置，將其連接氧氣和二氧化碳傳感器，用數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并導(dǎo)出，用Excel進(jìn)行處理，制作綠豆種子燃燒和呼吸作用過(guò)程中的氧氣變化曲線以及綠豆種子燃燒和呼吸作用過(guò)程中的二氧化碳變化曲線（圖1）。將此過(guò)程記錄制作視頻，準(zhǔn)備課上播放。

圖1 利用Excel將采集的數(shù)據(jù)繪制成的曲線圖

搭建綠豆種子的燃燒裝置、萌發(fā)綠豆種子和煮熟綠豆種子的呼吸作用對(duì)比裝置，將其連接溫度傳感器，用數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并導(dǎo)出，用Excel進(jìn)行處理，制作綠豆種子燃燒和呼吸作用過(guò)程中的溫度變化曲線（圖2）。將此過(guò)程記錄制作視頻，準(zhǔn)備課上播放。

圖2 利用Excel將采集的數(shù)據(jù)繪制成的曲線圖

搭建萌發(fā)綠豆種子和煮熟綠豆種子呼吸作用對(duì)比裝置，記錄瓶壁水分變化。記錄萌發(fā)綠豆種子呼吸作用過(guò)程中豆瓣大小的變化（圖3），將不同萌發(fā)天數(shù)的綠豆種子烘干記錄干重，用Excel制作干重變化曲線（圖4）。將此過(guò)程記錄制作視頻，準(zhǔn)備課上播放。

圖3 綠豆種子呼吸作用過(guò)程中豆瓣的變化

圖4 利用Excel繪制的綠豆種子萌發(fā)過(guò)程中干重的變化曲線

3 教學(xué)過(guò)程及設(shè)計(jì)意圖

3.1 由呼吸引入，在已知上構(gòu)建未知

教師從呼吸是生物共同具有的生理活動(dòng)，提出問(wèn)題：什么是呼吸？在這個(gè)過(guò)程中，有沒有發(fā)生本質(zhì)上的物質(zhì)改變？問(wèn)題引發(fā)學(xué)生思考，在呼吸的過(guò)程中只是發(fā)生了氣體交換，并沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。教師追問(wèn)：那么，氧氣的利用和二氧化碳的產(chǎn)生在哪里進(jìn)行？過(guò)程是怎樣的？對(duì)于生物體來(lái)說(shuō)，又有什么價(jià)值呢？這一系列問(wèn)題引出本節(jié)課重點(diǎn)探索的課題——呼吸作用，從而促進(jìn)學(xué)生構(gòu)建本節(jié)新授知識(shí)和已有知識(shí)之間的聯(lián)系。

3.2 歸納概括，描述呼吸作用過(guò)程

課上，教師用平板電腦推送上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程視頻及結(jié)果，提出問(wèn)題：①呼吸作用和燃燒都消耗了什么物質(zhì)？②呼吸作用和燃燒都產(chǎn)生了什么物質(zhì)？③呼吸作用和燃燒過(guò)程中的能量以什么形式釋放？④呼吸作用和燃燒產(chǎn)生的能量來(lái)自于哪兒？學(xué)生分組進(jìn)行探究活動(dòng)，歸納概括呼吸作用過(guò)程中的物質(zhì)變化和能量變化，分析能量來(lái)源。然后，學(xué)生匯報(bào)結(jié)果，組間交流，從而得出結(jié)論：呼吸作用消耗有機(jī)物和氧氣，產(chǎn)生二氧化碳和水；呼吸作用釋放熱能，燃燒釋放光能和熱能；呼吸作用和燃燒產(chǎn)生的能量來(lái)自有機(jī)物。由此，學(xué)生開展探究性學(xué)習(xí)，完成對(duì)物質(zhì)變化和能量變化的分析，歸納概括得到呼吸作用的過(guò)程。

此環(huán)節(jié)過(guò)程中，學(xué)生在探究活動(dòng)時(shí)，運(yùn)用平板電腦反復(fù)翻看推送的視頻、圖表等資料，積極參與討論。當(dāng)小組交流得到結(jié)果后，通過(guò)拍照功能記錄并實(shí)時(shí)上傳至平臺(tái)，教師在終端及時(shí)查看每組學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況。學(xué)生各小組之間也在平臺(tái)上相互查看提交結(jié)果，有的小組會(huì)根據(jù)其他小組的結(jié)果重新完善自己的答案，進(jìn)行二次提交。例如，有的小組在探究呼吸作用過(guò)程中的物質(zhì)變化問(wèn)題中，第一次提交的結(jié)果只展示了氧氣和二氧化碳的變化，通過(guò)參照平臺(tái)上其他小組的討論結(jié)果，繼續(xù)返回查看資料，發(fā)現(xiàn)遺漏信息，補(bǔ)充有機(jī)物的消耗和水的產(chǎn)生等內(nèi)容。在匯報(bào)結(jié)果環(huán)節(jié)，教師選取有代表性的學(xué)生作品進(jìn)行大屏幕展示分享并討論交流。

3.3 對(duì)比分析，闡明呼吸作用意義

教師引導(dǎo)學(xué)生充分挖掘溫度傳感器和電子天平采集的數(shù)據(jù)，可得到綠豆種子在燃燒和呼吸作用前后的質(zhì)量變化以及保溫瓶?jī)?nèi)的溫度變化（表1、表2）。教師引導(dǎo)學(xué)生計(jì)算同樣分解1 g有機(jī)物，綠豆種子在呼吸作用時(shí)釋放的熱能小于燃燒時(shí)釋放的熱能，并提出問(wèn)題：①種子呼吸作用釋放的能量，還有一部分沒有以熱能的形式散失，那些能量到哪里去了？②呼吸作用還可以為哪些生命活動(dòng)提供能量？學(xué)生進(jìn)行分組討論活動(dòng)，得出結(jié)論：生物體進(jìn)行各項(xiàng)生命活動(dòng)都需要能量，呼吸作用中有機(jī)物釋放的能量除了以熱能形式散失外，還有一部分用于生命活動(dòng)。

表1 綠豆種子在燃燒過(guò)程中的質(zhì)量變化和保溫瓶?jī)?nèi)的溫度變化

表2 綠豆種子在呼吸作用過(guò)程中的質(zhì)量變化和保溫瓶?jī)?nèi)的溫度變化

教師繼續(xù)挖掘溫度傳感器和電子天平采集的數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生得到實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)綠豆種子在燃燒（表3）和呼吸作用前后的質(zhì)量變化（表4）。教師引導(dǎo)學(xué)生估算，同樣分解1 g有機(jī)物，呼吸作用比燃燒速度要緩慢得多，提問(wèn)：燃燒時(shí)有機(jī)物中的能量被快速釋放，而呼吸作用則是將有機(jī)物中的能量逐步釋放出來(lái)，有什么好處？學(xué)生分析得出有機(jī)物緩慢釋放能量可以持續(xù)為生命活動(dòng)提供動(dòng)力。

表3 綠豆種子燃燒時(shí)間和質(zhì)量變化

表4 綠豆種子呼吸作用時(shí)間和質(zhì)量變化

學(xué)生在此環(huán)節(jié)中處理采集的數(shù)據(jù)，對(duì)比分析燃燒和呼吸作用，認(rèn)識(shí)到呼吸作用與細(xì)胞的能量供應(yīng)關(guān)系密切，有著專屬于生命的獨(dú)特特點(diǎn)，從而理解呼吸作用的意義。

3.4 呼吸作用概念形成

教師引導(dǎo)學(xué)生形成呼吸作用概念：呼吸作用是發(fā)生在細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)物氧化分解，形成二氧化碳和水，并且釋放出有機(jī)物中儲(chǔ)存的能量，為生命活動(dòng)提供動(dòng)力。利用前幾個(gè)環(huán)節(jié)中的學(xué)生活動(dòng)做鋪墊，在本環(huán)節(jié)中教師只要適當(dāng)引導(dǎo)，學(xué)生自己總結(jié)得到呼吸作用概念比較容易。

3.5 演繹推理，學(xué)以致用

學(xué)生嘗試對(duì)生活中常見現(xiàn)象進(jìn)行解釋。教師出示資料，提出問(wèn)題：①人在劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)為什么呼吸頻率較高，呼吸深度較大？②蘿卜放久了為什么會(huì)糠心？③甜玉米放久了為什么甜味會(huì)變淡？學(xué)生通過(guò)閱讀資料，推理回答生物體的各個(gè)器官都在進(jìn)行呼吸作用，呼吸作用是生物界的共同特性。

4 教學(xué)反思

4.1 現(xiàn)代信息技術(shù)在本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)

在本節(jié)教學(xué)中，學(xué)生通過(guò)現(xiàn)代信息技術(shù)手段在實(shí)驗(yàn)室采集數(shù)據(jù)，在大量真實(shí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行分析概括，獲得呼吸作用的過(guò)程和意義，符合當(dāng)下倡導(dǎo)的概念教學(xué)方式。

應(yīng)用傳感器檢測(cè)呼吸作用過(guò)程中氧氣和二氧化碳的含量變化，改進(jìn)了傳統(tǒng)教學(xué)中利用氣體特有化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)的方法，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新；可以實(shí)時(shí)定量采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，學(xué)生能夠直觀觀察到呼吸作用過(guò)程中氣體變化的過(guò)程；配套軟件可以將采集到的數(shù)據(jù)以數(shù)字、曲線等多種方式實(shí)時(shí)顯示；可以在同一裝置中同時(shí)檢測(cè)兩種氣體，操作簡(jiǎn)便快捷。

生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)在重視定性實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，也應(yīng)重視定量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在量的變化中了解事物的本質(zhì)。本節(jié)課中，教師引導(dǎo)學(xué)生將傳感器采集的溫度變化數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，分析得出呼吸作用釋放能量的去向。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行充分挖掘，能夠?qū)⒍繉?shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)在課堂上發(fā)揮得更加充分，與傳統(tǒng)的理論講解獲得概念相比，有利于增強(qiáng)學(xué)生尊重事實(shí)和證據(jù)的意識(shí)，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度。

教師在課堂上借助平板電腦，可以增加學(xué)生獲取信息的途徑及效率，有利于學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)，使學(xué)生的探究性學(xué)習(xí)更加充分和深入。借助平板電腦平臺(tái)，還可以提高課堂反饋的針對(duì)性和時(shí)效性，實(shí)現(xiàn)學(xué)生之間學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的有效分享和交流。本案例中的傳感器連接電腦終端采集數(shù)據(jù)，可以換成傳感器連接平板電腦終端，即使用平板電腦對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集軟件，連接OTG轉(zhuǎn)換線，直接將傳感器采集的數(shù)據(jù)上傳平板電腦，方便教學(xué)。同時(shí)，有條件的學(xué)?？梢栽趯W(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)中，每組配備一套傳感器設(shè)備和數(shù)個(gè)平板電腦，完全放手讓學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究。

4.2 科學(xué)思維在本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)中的落實(shí)

本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)以新課程強(qiáng)調(diào)的“提高科學(xué)素養(yǎng)”“倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)”理念為依據(jù)，以現(xiàn)代信息技術(shù)為手段，以真實(shí)情境下的實(shí)驗(yàn)事實(shí)為主線，設(shè)計(jì)學(xué)生活動(dòng)，由學(xué)生自主構(gòu)建呼吸作用這一核心概念。在構(gòu)建核心概念的同時(shí)，重點(diǎn)將生物學(xué)科核心素養(yǎng)中的科學(xué)思維滲透其中，并適時(shí)地予以外顯和總結(jié)。

在描述呼吸作用的過(guò)程這一環(huán)節(jié)，教師以平板電腦為技術(shù)手段，輔助學(xué)生的分組探究、互評(píng)、表達(dá)交流等活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生依據(jù)真實(shí)實(shí)驗(yàn)情境下的視頻圖表資料，自己構(gòu)建有機(jī)物氧化分解的概念，描述呼吸作用的過(guò)程，鍛煉了學(xué)生的圖表分析能力、表達(dá)傾聽能力，以及合作意識(shí)等，重點(diǎn)進(jìn)行了科學(xué)思維中的歸納概括思維訓(xùn)練。

在闡明呼吸作用的意義環(huán)節(jié)，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比分析呼吸作用和燃燒的差異，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)呼吸作用屬于生命的獨(dú)特特點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生對(duì)呼吸作用的意義進(jìn)行思考，涉及科學(xué)思維中的對(duì)比分析、批判性思維和創(chuàng)造性思維等思維訓(xùn)練。

最后，學(xué)以致用環(huán)節(jié)，教師通過(guò)資料分析，既將本節(jié)課知識(shí)與實(shí)際生活進(jìn)行了聯(lián)系，又檢測(cè)了學(xué)生對(duì)于呼吸作用的理解和應(yīng)用情況，即科學(xué)思維中的演繹-推理思維訓(xùn)練。

通過(guò)對(duì)“呼吸與呼吸作用”一節(jié)的探索發(fā)現(xiàn)，恰當(dāng)使用現(xiàn)代信息技術(shù)，可以有效提高學(xué)生的科學(xué)思維能力。不過(guò)，本節(jié)課還有一些待解決的問(wèn)題，如全班每人1臺(tái)平板電腦，推送視頻資源時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求較高，視頻若太大可能會(huì)有緩沖的現(xiàn)象。此外，每人1臺(tái)平板電腦，數(shù)目眾多，前期充電、連網(wǎng)等也有一定工作量。相信隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，以上問(wèn)題很快會(huì)得到解決。教師還是需要更新自身教學(xué)觀念，適應(yīng)信息時(shí)代背景下教育的必然變革。