食物能量测定实验优化述评

摘要

“食物中能量测定”实验是生物学教学中的经典实验，对于培养学生科学探究能力和实践技能具有重要意义。然而，教材实验方案存在操作烦琐、热量散失严重等问题，且具有一定安全隐患。为此，从实验材料、装置设计及教学策略等方面，系统综述已有改进方法，并对其未来优化方向进行展望，以期为师生更安全、有效地开展该实验教学提供参考。

Graphical abstract

关键词

食物能量测定 / 实验优化 / 述评 / 生物学核心素养

《义务教育生物学课程标准（2022版）》提出：科学探究是学习生物学的重要方式，探究实践能力是创新型人才的重要标志。教师应鼓励学生利用实验室已有仪器设备或简单易得、低成本器具材料设计实验^［1］。“测定某种食物中的能量”是人教版生物学七年级下册第二章第一节“食物中的营养物质”的实验探究部分，其核心目的是让学生通过定量测量，直观感知食物中能量的存在与差异。在此基础上，引导学生认识测量误差，分析其产生原因，并探讨减小误差的方法。该实验旨在培养学生的科学思维（如实证意识、批判性思考）和探究实践能力^［2］。

教材实验为点燃一个食物，用释放的热能去加热锥形瓶中的水，通过热量换算出燃烧物的能量。教材实验装置操作复杂、热量散失大且存在一定的安全隐患。为此，许多研究者对该实验作出了改进和创新，笔者对已有改进方法进行述评，以期为广大师生有效开展和进一步优化改进该实验提供借鉴与参考。

1 实验材料的改进

实验材料的选择对实验的准确性和教学效果至关重要。教材实验采用花生和核桃作为实验材料，核桃种子的能量值（13.68 kJ/g）与花生种子（14.27 kJ/g）相近，使用教材实验装置计算出两者的热量几乎无差别，可能会得出错误结论^［3］。为了提高实验的准确性和可操作性，不少研究者对实验材料进行了一系列的改进。

杨丽莎等^［3］选择成本低且易获得的花生种子和晒干的马铃薯片作为实验材料，马铃薯的能量值（3.18 kJ/g）显著低于花生种子，这使得实验结果差异更加明显。孙江玲^［4］则将实验材料改为核桃仁和干面条，不仅能够取得良好的实验结果，还能比较淀粉类食物和脂肪类食物所含能量的差异。部分研究者则专注于对花生种子进行优化改进。例如：刘敏等^［5］选取饱满干燥、存放约一年的花生种子，剥去外皮以促进快速燃烧并减少热量耗散；黄东群^［6］在实验前对花生仁进行划刀处理，陈世通等^［7］将花生切成薄片，以便增大燃烧接触面，使燃烧更加充分；雷雄雄等^［8］通过比较同一品种不同颗粒大小的花生种子发现，小颗粒花生在燃烧过程中热量散失较少。因此，选用成本低、易获得且能量值差异显著的食物作为实验材料，并对其进行去皮、划刀或切片等预处理，可以提高燃烧效率、减少热量散失，从而保证实验结果的准确性。

2 实验装置的改进

如图1-a所示，教材实验装置操作较为复杂，需花费大量时间调整方形支架、温度计和锥形瓶等之间的距离，经常导致课堂时间不足；原实验装置直接暴露在空气中，锥形瓶敞口导致水汽直接蒸发，加之石棉网的隔热效果，导致热量损失严重，测得的实验数据不足理论值的1/3，误差较大；在操作过程中，学生容易烫伤，食物燃烧后灰烬直接掉落在实验桌面，可能会对桌面造成损伤。因此，实验装置的改进主要集中在如何减小实验误差以及提高安全性和可操作性等方面。

2.1 燃烧室的改进

铝制易拉罐易于获取，裁剪方便，且不易燃烧，因此多数研究者选择易拉罐作为燃烧器的主体材料。将易拉罐空罐正向放置后，去掉顶部的易拉罐环；此时，罐口正好能够放置一支50 mL试管，调整好试管位置，并用试管架或橡皮泥将其固定；接着，在易拉罐下方剪出一个长方形空缺，作为炉门；最后，在罐壁四周打出若干小孔，作为通风孔^［7］。也有部分学者认为纸质的材料更加安全，学生更方便操作，且保温效果也不错。例如，孙江玲^［4］选择用薯片桶作为燃烧室，廖会娇^［9］利用废弃的牛奶盒或饮料盒制作燃烧室。此外，谭静^［10］在燃烧室中设计了一个食物固定及外焰调节器（由铁丝制成的三角形底座，其前端附有带小钩的圆环，将食物放在上面不易掉落）。该装置可使食物在燃烧时火焰始终保持在外焰状态，从而使加热更加充分，且学生在操作过程中不需要手持食物，减小了操作误差。

在燃烧室外增设保温装置，亦能减少实验过程中热量的耗散。塑料的热导率低，易获得、易剪裁，且颜色透明易于观察，但是当温度升高时塑料容易变形，因此实验中应选择材质较硬的塑料^［11］；另外，锡箔纸聚热效果好，易于粘贴，也被广泛使用^［12］；还有研究者选用专业的发泡剂作为保温材料^［13］。以上改进措施均能有效减少热量耗散，提高实验结果的准确性。

此外，大多数研究者通过设置通风孔来保证燃烧室的氧气供应，实验中若燃烧室空间较小，则食物不能完全燃尽，导致能量损失较多。文永江^［12］将两个广口瓶捆绑在一起，利用二氧化锰与过氧化氢的化学反应产生氧气，制作了改进的氧气制取和冷却装置（图1-b），以保证燃烧过程中的氧气供应，确保食物可以充分燃烧。

2.2 加热容器的改进

由于锥形瓶不能直接加热，原实验装置需要用石棉网隔热。为减少热量散失，大部分研究者改用可直接加热的试管或小烧杯作为盛水容器，水量为25~50 mL^［6-7］。另外，在盛水容器上加橡皮塞，再在橡皮塞中央打孔，即可借此将水银温度计固定于水中^［14］。但在实际操作过程中，水温升高会产生热辐射，引起热量散失。若水量过少导致水迅速沸腾，则产生的水蒸气易将橡皮塞冲开，存在安全隐患。因此，容器中的水量不能太少，80 mL较为适宜，同时建议在橡皮塞侧边开一条小缝作为导热孔，以保证安全^［14］。

玻璃的导热系数为1.03 W/（m·K），铝的导热系数为217.73 W/（m·K），因此雷雄雄等^［8］和文永江^［12］选择直接用易拉罐加热，传热快，热量损失小，实验效果相当不错。

2.3 安全环保的改进

在大部分以易拉罐或纸盒为燃烧室的改进实验中，食物燃烧时不会直接暴露在空气中，火星也不会四溅，安全性得到一定的保障。而且，燃烧残渣可以直接掉落在盒子里，不会污染桌面，也容易清理。易拉罐和废弃纸盒本身易获得，同时增强了学生废物利用意识和环保理念^［7，9］。谭静^［10］将标本瓶套在锥形瓶外，燃烧残渣可直接落在标本瓶里，避免了燃烧残渣对环境的污染，但需预先对标本瓶进行钻孔处理，较为烦琐。这些改进措施体现了研究者在实验设计中对安全和环保因素的重视，旨在提高实验的安全性，并减少实验对周围环境的影响。

有些学者还认为，学生的实验操作熟练度也会显著影响实验结果，故提出可将天平换成电子秤、水银温度计换成电子温度计，以减小读数时的误差^［5］。假如沿用传统仪器，应提前培训酒精灯的使用、天平的用法和温度计的读数等技能，以减小实验中因学生操作不熟练而导致的误差^［9］。在日常教学中，教师可以根据学校的实际情况选择合适的材料，也可以引导学生利用更多可回收或环保材料制作实验装置，提高实验的可持续性。同时，应注重在实验改进过程中培养学生的科学素养与探究能力，并可融合物理、化学、信息技术等多学科知识，开发校本课程，鼓励学生进行自主探究。

3 教学设计的改进

在传统实验教学中，一般由教师先进行讲解，播放视频，再由学生进行操作。虽然课堂效率较高，但也限制了学生的自主思考能力，最终只会得出固定化的结论，并没有引发学生进一步的探究和讨论。改进教学设计，更注重提高学生的参与度，能够引导学生利用所学知识进行思考和判断，多角度分析问题，并提出解决方案。

为了提高课堂效率，课前准备工作至关重要。廖会娇^［9］强调提前培训小组长，以确保学生能够正确操作天平、读取温度计数据以及安全使用酒精灯。部分学者十分注重情境的导入与问题的设计，如刘莘^［15］着眼于学生的“最近发展区”，引入憨豆先生闯江湖的士力架广告视频，从中引出食物中含有能量，并提出3个有层次、有梯度的科学问题：①食物中是否含有能量？②食物中含有多少能量？③等质量的两种食物中哪个含能量更多？随后，根据问题由易到难进行依次探究。该教学设计符合初中学生的认知规律，同时在课堂教学中坚持以学生为主体，启发学生发现原装置的不足之处，让学生参与实验的改进，既能培养学生的批判性思维，又可提升学生的探究实践能力。大多数研究者还设计了数据记录表，规范实验数据记录和处理流程^［9］。通过充分的表达与交流，学生进一步从实验结果升华到环保精神或健康饮食观念，有助于引导其形成健康生活的态度。

4 讨论与展望

综合已有实验改进方案，笔者提出以下几点建议：①在实验材料选择方面，应优先考虑干燥、易获得的材料，如比较不同种子的能量差异，从而选择能量含量差别较大的材料；通过晒干、切片等预处理，提高食物燃烧效率；目前，蛋白质类食物燃烧效果尚未见研究，因此教师可以根据实际情况，探索更多种类的实验材料，并考虑如何将实验材料的选择与学生的生物学核心素养培养相结合，以实现更全面的教育目标。②在实验装置方面，可以选择各种环保的隔热材料，如选用易拉罐等设计燃烧室，选用锡箔纸、发泡剂等设计隔热保温层，以减少实验过程中的热量散失；增设燃烧室通风口，设计外焰调节器、氧气助燃罩等辅助工具，确保食物充分燃烧，提高实验结果的准确性。③在教学设计方面，充分发挥学生的主体性，设置有趣的真实情境，激发学生的兴趣，并引导学生提出问题，发现原装置的不足之处，参与实验的改进，培养其批判性思维和探究实践能力。遗憾的是，大部分学者专注于实验装置的改进，鲜有教学设计方面的思考。因此，未来的改进方向可以继续在教学设计方面进行创新和优化，以实现更高质量的生物学教学。

在未来的实验创新中，可以进一步将实验材料的选择及实验结论与本单元知识点相联系。该实验是“食物中的营养物质”中的探究实验，可选用脂肪类、蛋白质类和淀粉类食物作为实验材料进行测量，分析比较实验结果，引导学生思考“为什么脂肪是生物体储备能源的最佳选择”。同时，与该章第三节“合理营养与食品安全”中食谱设计的教学内容联系起来，让学生思考日常生活中应如何健康饮食，进而形成大单元视角。因此，合理设计教学环节，引导学生利用生活中的材料和跨学科知识解决问题，得出结论或成果，并经充分表达、交流与展示，可以培育学生理性思维、批判质疑和勇于探究的科学精神。将实验教学与生物学核心素养培养相结合，能实现生物学教育的全面发展。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育生物学课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

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基金资助

福州市教育科学研究“十四五”规划2024年度课题“核心概念视域下的初中生物学跨学科作业设计研究”(FZ2024GH020)