实验与培训 | 本刊好文：优化实验教学 提升核心素养——以“绿色植物的呼吸作用”为例/潘碧芳

1）绿色植物通过呼吸作用分解有机物释放能量，其中一部分能量以热能形式散失。

2）澄清石灰水遇二氧化碳会变浑浊。 

3）氧气有助燃性，当氧气缺乏时，物质不能发生燃烧。

澄清石灰水、矿泉水瓶 、电子温度计、50 mL 注射器（学校统一购买）、 软管、流速调节器、双面胶、竹签（木条）、打火机、剪刀、绿豆等。

图 1 为改进后的一体式实验装置。装置的制作步骤和操作方法如下。

1）利用随处可见的矿泉水瓶作为容器，有效扩大集气空间，提高装置的重复使用率。 

2）在瓶盖上开 2 个小孔，分别插入便于读数的电子温度计和软管，并用双面胶填补孔隙，增加装置气密性。软管上可用流速调节器代替阀门。 

3）当检测二氧化碳气体时，软管外端接入装有澄清石灰水的注射器，利用注射器吸取气体的方式代替“倒水排气法”，定量吸取气体，实现单一变量的控制。然后取下吸入部分气体的注射 器，倒置轻摇几秒，即可观察澄清石灰水的变化。 

４）检测氧气时，可将排尽液体的注射器重新接入软管，抽取瓶内空气直至拔出活塞，然后将燃烧的竹签（木条）缓缓伸入注射器管内，观察火焰变化。

1）将饱满干燥的绿豆种子分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3 组，每组 80 g。将Ⅰ组种子温水催芽后，沥干水分备用；Ⅱ组种子在水中煮熟，干燥冷却；Ⅲ组种子不做处理。 

2）准备 3 个装置，分别放入 3 组不同种子，关闭流速调节器并贴上标签，将装置放在温暖处。夏季温度较高的地区，种子放置时间不宜过长，约 4~6 h，以免腐败。秋、冬季温度较低，瓶外可包裹泡沫保温,并延长放置时间。 

3）一段时间后，比较 3 组装置中的温度和瓶壁水珠量，并用装有澄清石灰水的注射器定量吸取气体，观察澄清石灰水的变化。然后将注射器内液体排尽，重新抽取瓶内空气，待拔出活塞后将燃烧的竹签缓缓伸入注射器管内，观察火焰变化。

如图 2所示，Ⅰ组中澄清石灰水变浑浊，说明瓶内二氧化碳浓度较高，瓶壁有大量水珠且瓶内温度较高 （28.0℃），证明萌发的种子通过呼吸作用分解有机物产生了大量的二氧化碳和水，并释放热量。将燃烧的竹签伸入注射器管内，火焰熄灭，说明瓶内缺乏氧气，证明了呼吸作用会消耗大量氧气。图 3中Ⅱ组的澄清石灰水未变浑浊，仅检测到痕量二氧化碳；瓶壁上有少量水珠，温度（26.2℃）略低于Ⅰ组；伸入注射器管内燃烧的竹签没有熄灭，说明瓶内氧气未消耗。上述现象证明了煮熟的种子（细胞死亡）不能进行呼吸作用，无二氧化碳和水的产生，不能释放热量和消耗氧气。图 4中Ⅲ组中澄清石灰水未变浑浊，仅检测到痕量二氧化碳；瓶壁上有少量水珠，温度（25.9℃）略低于Ⅰ组；伸入注射器管内燃烧的竹签没有熄灭，说明瓶内氧气消耗极少。上述现象证明了未萌发的种子 （活细胞）与萌发的种子（活细胞）相比，呼吸作用微弱，生命活动不旺盛。 

通过Ⅰ、Ⅱ组对照可得出结论：种子萌发时，活细胞通过呼吸作用消耗氧气，分解有机物释放能量并产生二氧化碳和水。 

通过Ⅰ、Ⅲ组对照可得出结论：在不同的生命时期，种子呼吸作用的强弱有差别，生命活动越旺盛，细胞的呼吸作用越强。 

1）通过“一体式实验装置”整合 3 组演示实 验，5 min 之内即可完成多个实验，且实验效果明显，更具说服力，有效提高实验教学的课堂效率。 

2）实验增设了未萌发的活种子作为对照，可比较种子在不同生命时期呼吸作用的强弱。 

3）实验过程增加比较瓶壁内水珠量的观察任务，帮助学生理解植物的呼吸作用会产生水。 

4）装置集气量较大，气密性好，短时间内可在多个班级重复演示。 

5）低成本的自制装置，易于制作和推广，有利于实验教学在课堂落地。

展示人在水中游泳换气的视频，引导学生回顾生物的特征：生物能进行呼吸，且绝大多数生物需要吸入氧气，呼出二氧化碳。启发学生思考：1）植物是否需要从外界吸收氧气？2）植物是否会呼出二氧化碳？3）为什么生物需要进行呼吸？4）科学的问题要靠证据和逻辑来回答，可以通过什么方式寻找证据？ 

设计意图：教师联系已学知识，引导学生进一步思考，挖掘问题，并激发学生的好奇心与求知欲。 

实验前，先了解实验原理并制订恰当的实验方案。教师展示实验设计方案。 

1）将 80 g 绿豆种子浸泡在水中，待萌发后擦净水分，放入矿泉水瓶中，插入电子温度计读取并记录瓶内温度。 

2）一段时间后，将装置放在温暖处。读取记录电子温度计的示数。夏季温度较高，种子放置时间不宜过长，约 4~6 h，以免腐烂；秋、冬季温度较低，瓶外可包裹泡沫保温，并延长放置时间。 

3）瓶口软管外端接入装有澄清石灰水的注射器，利用注射器吸取气体。然后取下注射器，倒置轻摇几秒，让气体和液体充分混合，观察澄清石灰水的变化。 

4）将排尽液体的注射器重新接入软管，抽取瓶内空气直至拔出活塞，然后将燃烧的竹签（木条）缓缓伸入注射器管内，观察火焰变化。利用问题串引导学生解读、评价并完善该方案。1）若瓶内温度升高，可能是什么原因导致？2）注射器内的澄清石灰水能检测哪种气体？3）观察木条的燃烧情况是为了判断什么？4）本实验方案是否存在不足？ 

前 3 个问题的设计目的是帮助学生明确实验原理，教师也可再补充 3 个演示实验：花生种子的燃烧、人向澄清石灰水中吹气以及燃烧的蜡烛在密闭空间内的火焰变化，用事实证据回答问题。 

第 4 个问题需要教师引导学生依据实验设计的基本原则，找出实验的不足并提出改进意见，提高实验方案的科学性与严谨性。例如，学生质疑瓶内温度升高为周围环境温度变化所致，而非呼吸作用的结果。为使实验结果具有说服力，就需要设置对照实验进行探究，并遵循单一变量原则，排除无关因素的影响。学生可进一步思考选择何种种子作对照，并提出一些设计细节：对照组和实验组应选择等量的种子进行观察，注射器也要定量抽取气体，种子放置时间要保持一致等。教师也可提出问题：若只让 1 组学生演示，根据实验结果得出的结论是否严谨？学生发现问题后，通过思考提出让班级多个小组进行同样的实验，满足重复实验原则，也可以更换不同类型的种子重复实验，减小实验偶然性。 

设计意图：训练学生从多角度对已有实验方案进行批判审视，提出创造性见解从而改进实验设计，发展学生的科学思维和科学探究能力，培养批判质疑的科学精神和严谨求实的科学态度。 

关于呼吸作用，学生还有很多的疑惑。例如，呼吸作用是否仅发生在种子的细胞内？植物其他器官是否也能进行呼吸作用？影响生物呼吸作用的其他因素有哪些？教师通过布置课后实践任务延续课堂教学，鼓励学生利用身边已有的材料，简化实验装置，选择合适实验对象，通过检测气体变化来验证“呼吸作用是生物的共同特征”，或者探究光照、温度等因素对植物呼吸作用的影响。 

学生选择用吸管代替软管，燕尾夹代替阀门，通过挤压瓶身，将气体通入澄清石灰水中；使用储物瓶或者塑料袋代替矿泉水瓶，放入体积较大的实验材料。经过实践，学生发现果实、叶等植 物器官都能进行呼吸作用，但探究动物的呼吸作用却不适宜采用该类型装置，因为动物在密闭空间内容易窒息死亡。 

学生探究光照对植物呼吸作用的影响。实验结果表明，光照不会影响绿豆种子的呼吸作用，但是可以通过影响绿叶的光合作用，改变密闭容器内的气体成分从而影响实验结果。 

设计意图：自主探究活动丰富了“呼吸作用”这一概念的内涵和外延，促进学生物质与能量观的形成。学生通过自制实验装置探索世界的奥秘，体验成功的喜悦，提高了动手能力和解决问题的能力。 

没有教师的教育创造，就很难有学生的创造精神。本实验教学不拘泥于教材，打破常规束缚，对教材内的实验进行了大胆创新与整合，从实验装置到教学内容都是立足于课堂的实际教学情况，为挖掘学生身边的课程资源而设计。通过优化实验教学，学生在一系列的探究性活动中落实核心素养与创新能力，同时教师也在创新教学实践中实现了教学相长。