基于优化实验方案的“食物与能量”的教学设计

黄建林

(浙江省绍兴市柯桥区兰亭中学 绍兴 312045)

1 教材分析及设计思路

“食物与能量”是浙教版科学九年级上册第4章第1节的内容，对这一章后面几节的学习起到统领作用，本节内容在小学科学四年级下册第3章“食物”已经基本涉及，它是对小学知识的延伸和深化，每个学生对食物都是很熟悉的，但对食物所含的营养及其提供给人体的能量却不了解，这正是本节的主要学习内容，也是重点与难点。本节课基于实验方案的设计与优化而展开，通过一系列的问题情境和实验激发学生的学习兴趣，培养他们分析、归纳、概括问题的能力，同时通过实验，让学生更直观认识和比较三种主要营养素所含的能量的多少。

2 教学目标

基于课程标准并围绕培养学生核心素养的要求，制定如下的教学目标：

(1) 通过食谱中营养物质的举例，知道人体内主要的三大类营养素，并通过实验理解它们在人体内产生能量是不同的。

(2) 通过对人体内三大类营养素所含能量实验方案的设计与优化，掌握生物学实验的设计方法与改进措施，从而促进科学思维的发展。通过对实验现象进行分析讨论，提高分析问题和解决问题的能力。

(3) 通过设计与优化测定不同食物的能量实验，培养实事求是、严谨的科学态度，通过对肥胖的论证，培养辩证的哲学观点和生活态度。

3 教学过程

3.1 “最胖”食谱 引出问题 教师提供三份食物：一份饭、一份肥肉、一份牛肉。问：三份食谱中所含主要营养物质是什么？最容易胖的食物是哪个？并说明理由。大多数学生认为“饭容易致胖”，理由是饭中含有的能量多；也有学生认为肥肉易致胖，很少学生认为牛肉致胖。教师设问：怎么比较营养物中能量的多少？引出本节课的探究问题：同质量的不同物质(蛋白质、脂肪、糖类)释放的能量哪个更多？

设计意图：从学生最关注的肥胖问题出发，引出本节课的主要问题，激起学生的求知欲和好奇心。

3.2 利用转换法 初设实验方案 教师提供以下器材：燃烧匙、食物、酒精灯、火柴、试管、温度计、水、铁架台等装置，让学生通过小组分工合作，用这些器材来设计一个能比较食物里面所含能量的多少的装置，先设计出方案的简图。学生小组讨论后主要提出两种方案：①用燃烧食物时间长短来比较能量的多少；②往试管中装水，然后插入温度计通过燃烧食物使温度计示数上升，通过示数变化的多少来判断食物中能量的多少。引导学生对两种方案进行评价：第一种用燃烧时间长短来衡量能量的多少不十分可靠，主要因为不同食物燃烧的影响因素不一样，有食物的易燃性、食物的颗粒大小以及跟空气的接触面积等影响因素导致燃烧剧烈程度不一样。第二种方案相对科学。教师追问：第二种方案中的温度计的作用是什么？为什么水温升高的多少可以比较食物能量的多少？学生回答后，教师最后点出这种科学方法叫做转换法。

设计意图：通过让学生分组合作提出实验方案，并引导学生对方案进行评价，来渗透科学的研究思路与方法。

3.3 思维碰撞 优化方案 教师出示刚才学生设计的比较合理的实验方案，问：是否可以按此方案中的装置直接进行实验？学生交流讨论，认为按此方案进行实验存在几个问题：①装置没有固定，应用铁架台固定装置，而温度计应用橡皮塞固定。②热量损失太多，误差太大。加热时最好需加个挡风装置以减少热量散失而导致实验的误差。③探究材料没控制好变量，应控制变量。如应控制质量、切碎程度、试管距火焰的距离、对食物的烘干程度、水的量、试管的大小、燃烧匙的大小等都保持一致。教师肯定和评价学生的意见后，继续在幕上投出两支试管(上面都有一只温度计并都插在橡皮塞中)，而且温度计液面都刚好在橡皮塞中。有学生提出在这橡皮塞上应开一个洞，方便看到温度计示数，这样在大家的提议下，最终的实验装置如图1所示。

图1 优化后的装置图

图2 固定食物装置

设计意图：在对方案不断评价和优化的过程中，培养学生的质疑能力、创新能力以及批判性思维能力。

3.4 亲历实验 升级优化 根据学生优化的实验方案提供实验器材，并按4人一小组进行实验，3～4组学生选用同一种材料进行实验，一边实验，一边将实验结果填写在表1中。

表1 不同食物材料燃烧前后的温度变化情况

最后把不同小组的结果呈现出来，让大家共同分析，由多数组的结果分析可知燃烧花生仁提供的能量最多。但通过不同表格的分析也发现了一些问题：同种食物的不同组别升高的温度有的差异很大。组织学生对其原因进行讨论和分析，从学生对实验过程的总结发言中可知：误差大的几组点火过程中熄灭的次数较多、火焰距离试管底较远、点燃后移到试管底部速度太慢、酒精灯加热部位不一样、有些组在实验中没烧完就匆忙结束实验。教师适时引导学生：优化方案不但要从器材、材料上进行优化，也要从操作上进行优化(特别是在用燃烧匙烧食物时，由于时间长，会导致手酸而上下抖动，建议把燃烧匙改成如图2所示的固定食物装置：用铁丝弯成的三角形底座，前端有带小钩的酒瓶盖，将花生等食物放在上面不易掉落，同时为使食物燃烧更完全，建议在酒瓶盖上打几个小洞)，使实验方案更趋合理、误差更小、结论更准确。花生仁组有学生质疑：以花生仁作为材料，基本上花生都没有烧完，温度却早就达到了100℃，这从实验的精确性上有问题。教师肯定质疑有理并问学生应该怎么优化此实验方案呢？同样在学生的交流讨论后有两种改进方案：①减少食物的质量，从1g变成0.5g；②增加水的体积，从5mL变成10mL。

设计意图：通过实验培养学生观察、动手能力，通过实验结果的分析讨论培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

3.5 平衡膳食 加强锻炼 呈现科学家得出的数据，蛋白质、糖类、脂肪1g所燃烧后所释放的热量分别为：16.8kJ、 16.8kJ和37.7kJ，再次证明同等质量的营养素中脂肪所含的能量最多。经过实验得到一致结论的学生，以及之前选择肥肉易致胖的学生都会印象深刻。这时教师反问：真的是吃肥肉的人最容易胖吗？在这样的反问下，学生马上想到除了能量获得还要考虑能量散失，所以单纯认为吃肥肉会胖，从科学角度说也是错的。引导学生应该多加运动，均衡膳食。继续设问：燃烧1g花生仁所释放的热量大约是3kJ，为什么相差这么大？引导学生思考回答：一是因为燃烧会有热量散失导致误差；二是花生仁中还有其他营养素。教师继续设问：为什么像花生仁等营养素在体内释放的能量可以用烧的形式来估算呢？让学生明白：虽然剧烈程度不一样，但在体外燃烧跟体内缓慢氧化所释放的能量是一样的。

设计意图：从科学家测出的数据和真实的花生仁释放的热量差距分析入手，培养学生对比思维和分析问题的能力。从饮食与肥胖关系的探讨，首尾呼应，培养学生对待科学问题的严谨性，并自觉平衡膳食，加强锻炼。

4 教学反思

生物学课堂中，教师应多让学生动手做实验，从而培养他们发现问题、分析问题和解决问题的能力。而在动手实验方面，学生最薄弱的是对实验方案的设计及优化。

因此，教师应加强这方面的训练和培养。本节课的教学中，从学生感兴趣的肥胖问题和食谱能量入手，首先让学生根据教师提供的材料进行分组方案设计，集中讨论分析来优化方案，在此过程中教师适时渗透生物学的科学方法，如转换法、控制变量法、对比法等，使得知识和方法紧密结合、螺旋上升。然后学生动手操作，在操作后再反思实验方案的完善提高，学生积极性和收获都很大。

(基金项目：浙江省教学研究课题“‘高见度’微创实验的开发和教学研究”，No.06329)