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摘要：以“细胞通过呼吸作用释放能量”实验教学为例，介绍了实验教学中以实验为载体，注重学生科学探究能力、理性思维能力、科技创新能力的培养，提升学生生物学科核心素养的教学设计。
关键词：科学探究，呼吸作用，实验教学
中图分类号：G633.91文献标志码：B
1 教材分析
“细胞通过呼吸作用释放能量”是北师大版生物学七年级下册第四单元第十章“人体的能量供应”第一节教学内容。本节知识与第八章第一节“人类的食物”、第三节“合理膳食与食品安全”、上册第三单元第五章第二节“呼吸作用”紧密联系。本节内容教材通过2个验证性实验——“检验人体呼出气体与新鲜空气中氧气的含量”“检验人体呼出气体与新鲜空气中二氧化碳的含量”展开，学生通观察实验现象、分析原因、得出结论、问题探究等环节的学习，归纳、总结细胞呼吸作用的概念、实质、意义，呼吸作用原料、产物、场所，从而建构“细胞通过呼吸作用释放能量”核心概念。
本节课的教学重点：教师促进学生学生动手操作，培养学生的动手能力，激发学生对生物学科的学习兴趣;以实验为载体，培养学生的科学探究、科学思维等学科核心素养;通过学生自主学习、合作探究学习等环节，培养学生的自主学习能力、合作交流能力;呼吸作用的概念、实质、意义。本节课的难点为学生小组独立完成实验操作，因此课前教师需作实验培训以突破难点。
2 教学目标
①归纳总结呼吸作用概念、写出呼吸作用表达式、说出呼吸作用的实质和意义;②合作完成“检验人体呼出气体与新鲜空气中氧气的含量”“检验人体呼出气体与新鲜空气中二氧化碳的含量”的实验操作，通过动手实验、观察、分析，培养动手操作能力、科学探究能力和科学思维能力;③通过实验装置的改进、动手实验、观察、分析、得出结论等环节的学习，认同科学研究的严谨性。
3 教学过程
3.1 课前准备
（1）制作简易装置。
教材中提供的参考实验装置为4个500mL广口瓶、玻璃盖片。笔者在预实验时，发现：装置气密性差，实验误差大，实验效果不明显，如向瓶内插入燃烧匙、倒入澄清石灰水时，由于瓶口敞开，瓶内、外气体发生交换，会增大实验误差。此实验成功的关键是控制装置的气密性，最大限度减少装置内、外气体交换。针对这种现象，笔者课前组织学生对该实验装置存在的问题进行分析、讨论，改进实验装置，设计并制作出气密性好、透明直观、操作方便、实验效果良好的简易装置。
装置设计为长17cm×宽9cm×高17cm的透明玻璃体。装置中央设计隔板，将装置平分为左、右两部分（左、右对照）。装置上端设计活动盖板2块（左、右各1块），盖板中央设计直径3cm的插孔（插入橡胶塞或带导气管、燃烧匙的橡胶塞，增强装置的气密性），盖板底部每边距边缘1cm位置设计玻璃横条（增加盖板的稳固性、加强装置的气密性）。制作的如图1所示。
（2）实验培训。
课前，教师培训各小组组长，提出问题：①“检验人体呼出气体与新鲜空气中氧气的含量”的实验原理是什么？“检验人体呼出气体与新鲜空气中二氧化碳的含量”的实验原理是什么？②怎样设计实验操作步骤？③为什么要设置新鲜空气对照组？怎样区分实验组、对照组？④本实验成功的关键环节在哪里？⑤怎样才能最大限度减少实验误差？⑥实验现象产生的原因是什么？⑦得出的实验结论是什么？⑧本实验注意事项有哪些？
3.2 创设情境，导入课题
教师组织学生复习“人类的食物”“合理膳食与食品安全”“探究食物中储存的能量差异”“植物的呼吸作用”等与本节内容相关的知识，提出问题：植物的生命活动通过呼吸作用获得能量，人体生命活动的能量来自食物，食物在体外以热能的形式释放。那么，在人体细胞内食物中的能量是怎样释放的呢？你们知道吗？想知道答案吗？现在我们通过实验来共同探究吧。
设计意图：教师通过复习相关知识，将学生的注意力从旧知识情景中不知不觉引入新课，并以学生感兴趣的、亟待想得知答案的问题制造悬念，牢牢吸引学生的注意力，使学生保持持久的探究欲望。
3.3 学生活动一
小组合作完成“检验人体呼出气体与新鲜空气中氧气的含量”实验：
收集新鲜空气、二氧化碳气体;点燃2支燃烧匙中的蜡燭;取出装置中的橡胶塞，迅速将2支带橡胶塞的燃烧匙分别插入左、右插孔;观察、记录实验现象：分析实验现象;得出结论。
3.4 学生活动二
小组合作完成“检验人体呼出气体与新鲜空气中二氧化碳的含量”实验：
收集新鲜空气、二氧化碳气体;取2支注射器分别吸取50mL澄清石灰水;将2支注射器分别插入装置左、右橡胶塞中，并注入澄清石灰水;轻轻摇动装置;观察、记录实验现象;分析实验现象;得出结论。
设计意图：活动一、活动二是教师演示实验，教师将演示实验设计为学生分组实验，通过学生动手操作，观察、记录实验现象，培养学生的动手能力、科学探究能力、合作能力，激发学生对生物学科的学习兴趣、学习热情。
3.5 学生活动三
教师提出问题，要求各小组思考讨论：①活动一、活动二的实验原理是什么？②活动一观察到的现象是什么？活动二观察到的现象是什么？③活动一得出的结论是什么？呼出气体中减少的氧气去了哪里？④活动二得出的结论是什么？呼出气体中增加的二氧化碳从何而来？
设计意图：教师利用由浅入深、环环相扣的问题串，促进学生通过小组合作探究学习，培养学生的科学思维能力。
3.6 师生活动：归纳、总结
教师组织学生对活动一、活动二实验现象的分析、讨论、问题探究，归纳、总结“人体细胞呼吸作用”的概念、实质、意义，写出呼吸作用的表达式。
3.7 课堂小结
师生共同小结。教师提出继续探究的问题，引导学生思考：从呼吸作用的概念、表达式中，知道人体细胞呼吸作用需要氧气。那么，人体细胞是怎样获得氧气的呢？下节课我们来共同探究这个问题吧。
设计意图：通过师生共同归纳、总结，梳理本节教学的知识点，便于学生系统掌握本节知识点，达成建构“细胞通过呼吸作用释放能量”核心概念的教学目标，同时巧设悬念，激发学生继续探究的欲望，激发学生的学科兴趣。
4 教学反思
课前，师生对装置的设计方案、制作方法、制作材料的探讨，可以充分发挥学生的想象力，激活学生的思维，培养学生的探究意识和创新意识。将教师演示实验改为学生分组实验，可以培养学生的动手能力、合作能力和科学探究能力，激发学生的学习兴趣和热情。教学中，教师组织学生对问题的探究，可以培养学生的科学思维能力。教师以实验教学为载体，是培养学生学科核心素养的有效途径。
关键词：科学探究，呼吸作用，实验教学
中图分类号：G633.91文献标志码：B
1 教材分析
“细胞通过呼吸作用释放能量”是北师大版生物学七年级下册第四单元第十章“人体的能量供应”第一节教学内容。本节知识与第八章第一节“人类的食物”、第三节“合理膳食与食品安全”、上册第三单元第五章第二节“呼吸作用”紧密联系。本节内容教材通过2个验证性实验——“检验人体呼出气体与新鲜空气中氧气的含量”“检验人体呼出气体与新鲜空气中二氧化碳的含量”展开，学生通观察实验现象、分析原因、得出结论、问题探究等环节的学习，归纳、总结细胞呼吸作用的概念、实质、意义，呼吸作用原料、产物、场所，从而建构“细胞通过呼吸作用释放能量”核心概念。
本节课的教学重点：教师促进学生学生动手操作，培养学生的动手能力，激发学生对生物学科的学习兴趣;以实验为载体，培养学生的科学探究、科学思维等学科核心素养;通过学生自主学习、合作探究学习等环节，培养学生的自主学习能力、合作交流能力;呼吸作用的概念、实质、意义。本节课的难点为学生小组独立完成实验操作，因此课前教师需作实验培训以突破难点。
2 教学目标
①归纳总结呼吸作用概念、写出呼吸作用表达式、说出呼吸作用的实质和意义;②合作完成“检验人体呼出气体与新鲜空气中氧气的含量”“检验人体呼出气体与新鲜空气中二氧化碳的含量”的实验操作，通过动手实验、观察、分析，培养动手操作能力、科学探究能力和科学思维能力;③通过实验装置的改进、动手实验、观察、分析、得出结论等环节的学习，认同科学研究的严谨性。
3 教学过程
3.1 课前准备
（1）制作简易装置。
教材中提供的参考实验装置为4个500mL广口瓶、玻璃盖片。笔者在预实验时，发现：装置气密性差，实验误差大，实验效果不明显，如向瓶内插入燃烧匙、倒入澄清石灰水时，由于瓶口敞开，瓶内、外气体发生交换，会增大实验误差。此实验成功的关键是控制装置的气密性，最大限度减少装置内、外气体交换。针对这种现象，笔者课前组织学生对该实验装置存在的问题进行分析、讨论，改进实验装置，设计并制作出气密性好、透明直观、操作方便、实验效果良好的简易装置。
装置设计为长17cm×宽9cm×高17cm的透明玻璃体。装置中央设计隔板，将装置平分为左、右两部分（左、右对照）。装置上端设计活动盖板2块（左、右各1块），盖板中央设计直径3cm的插孔（插入橡胶塞或带导气管、燃烧匙的橡胶塞，增强装置的气密性），盖板底部每边距边缘1cm位置设计玻璃横条（增加盖板的稳固性、加强装置的气密性）。制作的如图1所示。
（2）实验培训。
课前，教师培训各小组组长，提出问题：①“检验人体呼出气体与新鲜空气中氧气的含量”的实验原理是什么？“检验人体呼出气体与新鲜空气中二氧化碳的含量”的实验原理是什么？②怎样设计实验操作步骤？③为什么要设置新鲜空气对照组？怎样区分实验组、对照组？④本实验成功的关键环节在哪里？⑤怎样才能最大限度减少实验误差？⑥实验现象产生的原因是什么？⑦得出的实验结论是什么？⑧本实验注意事项有哪些？
3.2 创设情境，导入课题
教师组织学生复习“人类的食物”“合理膳食与食品安全”“探究食物中储存的能量差异”“植物的呼吸作用”等与本节内容相关的知识，提出问题：植物的生命活动通过呼吸作用获得能量，人体生命活动的能量来自食物，食物在体外以热能的形式释放。那么，在人体细胞内食物中的能量是怎样释放的呢？你们知道吗？想知道答案吗？现在我们通过实验来共同探究吧。
设计意图：教师通过复习相关知识，将学生的注意力从旧知识情景中不知不觉引入新课，并以学生感兴趣的、亟待想得知答案的问题制造悬念，牢牢吸引学生的注意力，使学生保持持久的探究欲望。
3.3 学生活动一
小组合作完成“检验人体呼出气体与新鲜空气中氧气的含量”实验：
收集新鲜空气、二氧化碳气体;点燃2支燃烧匙中的蜡燭;取出装置中的橡胶塞，迅速将2支带橡胶塞的燃烧匙分别插入左、右插孔;观察、记录实验现象：分析实验现象;得出结论。
3.4 学生活动二
小组合作完成“检验人体呼出气体与新鲜空气中二氧化碳的含量”实验：
收集新鲜空气、二氧化碳气体;取2支注射器分别吸取50mL澄清石灰水;将2支注射器分别插入装置左、右橡胶塞中，并注入澄清石灰水;轻轻摇动装置;观察、记录实验现象;分析实验现象;得出结论。
设计意图：活动一、活动二是教师演示实验，教师将演示实验设计为学生分组实验，通过学生动手操作，观察、记录实验现象，培养学生的动手能力、科学探究能力、合作能力，激发学生对生物学科的学习兴趣、学习热情。
3.5 学生活动三
教师提出问题，要求各小组思考讨论：①活动一、活动二的实验原理是什么？②活动一观察到的现象是什么？活动二观察到的现象是什么？③活动一得出的结论是什么？呼出气体中减少的氧气去了哪里？④活动二得出的结论是什么？呼出气体中增加的二氧化碳从何而来？
设计意图：教师利用由浅入深、环环相扣的问题串，促进学生通过小组合作探究学习，培养学生的科学思维能力。
3.6 师生活动：归纳、总结
教师组织学生对活动一、活动二实验现象的分析、讨论、问题探究，归纳、总结“人体细胞呼吸作用”的概念、实质、意义，写出呼吸作用的表达式。
3.7 课堂小结
师生共同小结。教师提出继续探究的问题，引导学生思考：从呼吸作用的概念、表达式中，知道人体细胞呼吸作用需要氧气。那么，人体细胞是怎样获得氧气的呢？下节课我们来共同探究这个问题吧。
设计意图：通过师生共同归纳、总结，梳理本节教学的知识点，便于学生系统掌握本节知识点，达成建构“细胞通过呼吸作用释放能量”核心概念的教学目标，同时巧设悬念，激发学生继续探究的欲望，激发学生的学科兴趣。
4 教学反思
课前，师生对装置的设计方案、制作方法、制作材料的探讨，可以充分发挥学生的想象力，激活学生的思维，培养学生的探究意识和创新意识。将教师演示实验改为学生分组实验，可以培养学生的动手能力、合作能力和科学探究能力，激发学生的学习兴趣和热情。教学中，教师组织学生对问题的探究，可以培养学生的科学思维能力。教师以实验教学为载体，是培养学生学科核心素养的有效途径。