教材中的生物学实验是为培养学生核心素养而设置的，每个实验设置是相互独立的。为此，教师在准备实验器材时，往往未考虑实验间的关联性。笔者在教学时发现，动物的呼吸作用、植物的呼吸作用、酶的高效性三大实验存在关联性，且与“气体发生与收集装置”相关联。
1 气体发生与收集装置简介
化学学科中的“气体发生和收集装置”是用于实验室制取气体的装置。
图1是化学实验室制取气体装置之一，由气体的发生装置和气体的收集装置组成。其发生装置适用于固体与液体（或液体与液体）在不加热条件下反应生成气体的实验类型；收集装置则适用于收集不溶于水且不与水反应的气体。图中标号①的仪器是分液漏斗，用来盛装液体反应物，标号②的仪器是锥形瓶，用来盛装固体以及作为反应容器，也可以用广口瓶或圆底烧瓶来代替。该装置在初中化学学科中可以用于过氧化氢与二氧化锰制取氧气等反应。
该气体发生与收集装置，通过在发生装置中添加相应反应物或生物材料，并对收集装置经适当改进后，可适用于生物学实验探究活动。
2 装置在生物学实验中的应用
2.1 动物的呼吸作用
（1） 教材实验简介。
为说明动物要进行呼吸作用，教材安排了如
图2所示的实验装置
［1］。该实验设置实验组A和对照组B，在实验组A试管内放入昆虫，10 min后观察试管内红色水滴与橡皮塞之间的距离变化，判断昆虫是否进行了呼吸作用。
（2） 教材实验的缺陷。
教材实验需要用碱石灰来吸收昆虫呼吸作用产生的二氧化碳，导致装置内的气压降至低于外界大气压，从而导致红色水滴向左移动，以此来说明动物能进行呼吸作用。碱石灰是由固体氢氧化钠与生石灰混合而成的混合物，而固体氢氧化钠与生石灰都具有较强的腐蚀性，因此在实验过程中存在安全隐患。
（3） 装置改进与应用。
笔者对
图1中的发生装置进行改进，即用长直玻璃导管直接与橡皮管连接，并用滴管在长直玻璃导管中滴入红墨水，如
图3所示。
具体实验步骤：①连接实验装置并检查装置的气密性；②在分液漏斗中加入氢氧化钠溶液，并滴入少量氢氧化钠溶液于瓶底，然后转动活塞密封分液漏斗；③在锥形瓶内架上铁丝网，然后加入几只蚕，在另一套装置中不放蚕；④10 min后观察红墨水位置移动情况。
（4） 实验效果。
10 min后，放有蚕的实验组中，玻璃管内的红墨水明显向左侧移动，接近左侧橡皮管；而没有放蚕的对照组中，玻璃管内红墨水的位置未发生变化。
（5） 装置应用反思。
改进后的实验装置用氢氧化钠溶液代替碱石灰，通过滴加方式控制用量，避免了固体药品的取用与混合，操作简便、安全性高。同时，在长直玻璃导管上粘贴刻度纸，借此实现对不同动物呼吸速率的比较。
2.2 植物的呼吸作用
（1） 教材实验简介。
教材为证明植物要进行呼吸作用，把吸干外表水的豆芽装入塑料袋中，用夹子夹住橡皮管，不使外界空气进入，在暗处放置一个晚上；然后挤压塑料袋中的空气通入澄清石灰水中，观察石灰水的变化。另取一大口塑料瓶，装入豆芽，盖紧瓶盖，在暗处放置一个晚上；然后打开瓶盖，将点燃的蜡烛放入瓶内，观察火焰的变化。通过观察澄清石灰水变浑浊以及蜡烛熄灭说明植物消耗了氧气并产生二氧化碳，进而说明植物要进行呼吸作用
［1］。
（2） 教材实验缺陷。
为证明植物能进行呼吸作用，教材分别安排了两个实验：一是将豆芽装入塑料袋，挤压袋内气体通入澄清石灰水；二是将豆芽装入塑料瓶，利用瓶内气体验证其是否能使燃烧的蜡烛熄灭。该实验设计器材来源虽简约，却因操作步骤多、需控制变量多，导致准备过程相对烦琐。
（3） 装置改进与应用。
笔者对
图1收集装置进行改进，即用直角导管直接与橡皮管连接，把直角导管插入盛有澄清石灰水的试管中（
图4-a），或把发生装置的锥形瓶换成矿泉水瓶（
图4-b）。
具体实验步骤：①连接实验装置并检查装置的气密性；②在分液漏斗中加入碳酸氢钠溶液；③在锥形瓶（或矿泉水瓶）内装入菠菜，在暗处放置一个晚上；④打开橡皮管处的止水夹以及分液漏斗的活塞，流入部分碳酸氢钠溶液后关闭活塞，或挤压矿泉水瓶，将气体先后通入澄清石灰水与点燃的蜡烛处，观察实验现象。
（4） 实验效果。
实验中发现，若直接利用锥形瓶内产生的气体使澄清石灰水变浑浊，需加入较多的碳酸氢钠才能达到预期效果；而通过挤压矿泉水瓶将气体通入澄清石灰水时，溶液可迅速明显变浑浊。若改用大可乐瓶替代矿泉水瓶，则实验效果更为显著。
（5） 装置应用反思。
改进后的实验利用碳酸氢钠溶液不与二氧化碳反应的特点形成液封，在其自身重力的作用下，通过挤压将锥形瓶内的气体分步排出，依次与澄清石灰水反应并使点燃的蜡烛熄灭，从而有效克服了原实验准备过程烦琐的不足。若要验证种子的呼吸作用，只需将豆芽替换为萌发的种子即可；若要验证植物叶片的呼吸作用，则可在锥形瓶内装入菠菜等叶类植物，并用黑色塑料袋将发生装置包裹后进行实验。
2.3 研究酶的高效性
（1） 教材实验简介。
教材在阐述酶的催化作用特点时，直接指出：酶具有高效性，它可以使人体细胞内的各种反应迅速进行，保证各项生命活动的正常进行
［2］。而浙教版科学教材中关于气体的发生装置和收集装置安排在八年级下册，而且是利用二氧化锰催化过氧化氢快速分解制取氧气，其装置如
图1所示。由此可知，“酶具有高效性”这一结论，需要通过将酶的催化效果与无机催化剂（如二氧化锰）的催化效果进行对比才能得出。
（2） 装置改进与应用。
笔者对
图1中的集气装置进行改进，用玻璃导管与橡皮管连接，并把弯角导管插入盛满水的量筒中，如
图5所示。实验同时装配两套相同的装置。
具体实验步骤：①连接实验装置并检查其气密性；②分别在两个锥形瓶内装入2 mL的氯化铁溶液、2 mL的新鲜猪肝研磨液；③在两个分液漏斗中分别加入相同体积的质量分数为3%的过氧化氢溶液15 mL；④取两个50 mL量筒，装满水后倒扣于水槽中；⑤分别打开分液漏斗活塞，滴加相同体积的过氧化氢溶液，然后关闭活塞；⑥比较两套装置中量筒收集满相同体积氧气所需的时间。
（3） 实验效果。
通过实验测得，用新鲜猪肝研磨液收集满50 mL氧气仅需6 s；而用氯化铁收集满50 mL氧气却需105 s。由此可得出，酶相对无机催化剂具有高效性。
（4） 装置应用反思。
在利用
图6所示装置进行酶的高效性实验时，有学生反映该装置在实际操作中存在不可操作的问题。主要原因在于：在左侧试管中滴加过氧化氢溶液与新鲜猪肝研磨液后，需迅速塞紧活塞并收集氧气。由于反应速率过快，试管中的气体会快速逸出，难以收集到氧气。
3 结语
新课标中的跨学科实践主题主要包括模型制作、植物栽培和动物饲养、发酵食品制作三类活动
［3］。教师在落实这些活动时，不应局限于新课标列举的具体形式，而应扩大视野，从多学科视角深化对跨学科实践及其核心概念的理解。
在课题研究中，笔者基于教材中的疑难实验设计课后实践性作业，引导学生从跨学科角度改进实验。如
图6所示，学生将化学学科的“气体发生与收集装置”迁移至生物学实验，提出“通过对比酶（如过氧化氢酶）与无机催化剂（如MnO₂）催化H₂O₂分解的速率，验证酶的高效性”的设计方案（创新点：将化学装置小型化、密封化，适配生物学实验的微量气体收集）。笔者基于该方案重构装置的整体应用，并引导学生思考“动物或植物呼吸作用气体收集”的可行性，以此提升学生跨学科知识迁移与实验设计创新能力。
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2023年浙江省教研重点课题“向创而作：指向技术与工程的初中科学家庭作业研究”(Z2023028)
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