資源簡介

健康及其條件
使用教材
北京師范大學出版社義務教育教科書生物學，初中，七年級下冊。
二、實驗教學分析
（一）教材分析
本節課內容屬于北師大版《生物學》七年級下冊第4單元生物圈中的人第13章《健康地生活》的第1節 《健康及其條件》里的“活動”，學生在前一節已經學習了健康含義以及擁有良好的生活習慣和生活方式是健康生活的保證。本次活動要通過探究“酒精對水蚤心率的影響”，幫助學生理解酗酒對人體健康的危害，從而認同選擇健康生活方式的重要性。
《義務教育生物學課程標準（2022版）》中的教學建議強調：推進現代信息技術與教學深度融合，如教師可以運用互聯網和數字設備，設計完成模擬實驗，突破實驗材料、實驗時間和實驗設備的限制，減少學習活動對材料、場地和設備等條件的依賴。本實驗利用ImageJ軟件精確測量水蚤心率，實現了信息技術與初中生物實驗教學的深度融合，激發學生探究生命奧秘的興趣。
（二）重要概念及事實性知識梳理
重要概念：個人的生活習慣與行為選擇能對一生的健康產生積極或消極的影響。
支撐的次級概念及事實性知識：
A. 酗酒已經成為嚴重威脅人類身心健康的社會問題。
A1 酒精進入人體后，對心血管系統作用明顯。
A2 過量飲酒（酗酒）會導致酒精中毒。
（三）學情分析
七年級學生對于家庭成員飲酒后的表現有一定認識，媒體宣傳中看到過量飲酒的報道。
但是對于酗酒的危害，學生認識并不深，通過本次探究活動，幫助學生理解酗酒的危害。學生在初一年的學習中，已多次使用過顯微鏡，可以熟練操作；學生已多次利用實驗法解決生物學問題，對實驗法步驟的掌握有一定基礎，所以這次的探究活動可以大膽讓學生自主完成。
三、實驗器材
麥克奧迪數碼生物顯微鏡、安裝ImageJ軟件的電腦、普通載玻片、蓋玻片、透明膠、吸管、量筒、燒杯、玻璃棒、500mL容量瓶、培養皿、廣口瓶、鑷子、脫脂棉、吸水紙、酒精、清水、水蚤、計時器。
實驗創新要點
（1）教材中只建議5%、10%、15%、20%的酒精體積分數，本次活動增加了0.3%、0.5%、0.7%、1%、3%和高體積分數30%酒精的實驗。
（2）就地取材兩片蓋玻片，改裝后就能限制水蚤的活動范圍。
（3）暗場環的使用讓水蚤心率的觀察變得極其清晰簡單；開放條件由學生親自動手制作暗場環，培養學生動手能力及利用知識解決實際問題的能力。
（4）ImageJ軟件的使用改革了計數方法，使水蚤的心率實現了精準的定量化測量，極大提高準確率和效率；學生體會到信息技術與實驗教學的深度融合。
五、實驗原理
（1）暗視場顯微鏡：使用特殊的暗視場聚光器使照明光線偏移而不進入物鏡，只有樣品的散射光進入物鏡，所以，在暗視場照明時，觀察到的明暗像正好與明視場相反，在深暗色的背景上能夠清晰地看到由散射光和反射光形成的明亮物體影像。
（2）利用ImageJ軟件精確測量水蚤心率的原理：ImageJ軟件是基于java的免費的功能強大的圖像處理軟件，它可以用來解決幾乎與圖像、視頻處理相關的所有問題，廣泛應用于生物學研究領域。將錄制的水蚤心跳視頻導入到ImageJ軟件，當水蚤的心臟在跳動時，心臟區域視頻畫面的亮度會有輕微變化，通過ImageJ 軟件捕捉該區域的亮度變化規律，即可算出心率。
六、實驗教學目標
根據新課標、培養學生核心素養的內容要求和學業要求等，制定如下教學目標：
（1）設計實驗，確保實驗方案的有效性，學會控制實驗變量、設置對照實驗和重復實驗等實驗設計原則，體驗科學探究的基本過程。（科學思維、探究實踐）
（2）通過探究實驗發展觀察、比較、思維、分析、實驗操作、合作創新能力，學會記錄、分析和處理數據的方法。（生命觀念、科學思維、探究實踐）
（3）分析實驗結果，說明不同體積分數的酒精對水蚤心率造成的影響，理解酗酒對健康的危害，養成健康的生活態度和行為習慣，從而認同良好生活習慣對人體健康的重要意義。（生命觀念、探究實踐、態度責任）
七、實驗教學內容
探究不同體積分數的酒精對水蚤心率的影響，幫助學生理解酗酒對人體健康的危害，從而認同選擇健康生活方式的重要性。為后續討論生活方式與常見傳染病的關系做準備。
八、實驗教學過程
本活動是以項目式學習形式展開的實驗教學，主要分為兩課時的課堂活動和課外的自主探索兩部分。第1課時是基于教材的提示，教師引導學生對實驗方案進行設計和討論；接著學生利用課外時間查閱資料，進入生物實驗室實施實驗，并對實驗中發現的問題進行討論、修正，不斷改進，最終得出學生認為最完美的實驗方案和實驗結果；第2課時在課堂上以小組形式分享匯報實踐探究過程和結果。
以下是具體的實驗教學過程：
（一）第1課時課堂活動：設計實驗方案
（1）情境激趣，引導探究。
教師出示兩張圖片資料:
1）某市一男子在某酒吧醉酒后急性酒精中毒，最終猝死。
2）“禁酒令”：國家對酒的生產和消費等有關行為的約束禁止。禁酒政策的出臺常與飲酒所引發的社會問題及其有悖宗教戒律相關。
推測：過量飲酒可能會對人體有什么傷害？我們能否用實驗方法探究？
引出課題：酒精對心率的影響
（2）合作討論，設計實驗
全班學生分組設計實驗，每兩個人為一組填寫一份實踐活動任務表，具體內容如下：
1）提出問題：不同體積分數的酒精對水蚤的心率有怎樣的影響？
2）作出假設：酒精對水蚤的心率有_______（促進/抑制）作用。
3）設計實驗：
基于教材的活動提示，學生觀看水蚤的活動視頻后，教師組織學生進行小組討論，設計實驗方案，提示學生注意思考以下問題：
①用哪些實驗材料和器具？
②如何設置對照組？（清水/酒精）
③單一變量怎樣控制？（不同體積分數的酒精）
④怎樣觀察計數心率？（計數15秒、1分鐘？打點計數、錄制視頻慢放？）
⑤如何減少實驗誤差？（每只水蚤測三次，取平均值）
⑥怎樣記錄實驗數據？（設計表格，如實記錄）
（二）課外時間：查閱資料、實施實驗
教師組織學生利用課外時間進入實驗室實施實驗的過程中，他們根據教材的建議，有的組未能得到預期的實驗結果，有的學生在制作的水蚤臨時裝片時，因水蚤跑動太快而未能找到水蚤；有的學生在顯微鏡視野下找不到水蚤的心臟；有的學生反映水蚤心跳太快，根本來不及計數等。于是教師引導學生對實驗過程和結果分析討論，思考實驗失敗的原因，并將教材活動建議中存在的問題列出來（見表1）。
表1 教材的實驗中出現的問題
步驟 教材活動建議 出現問題
選擇不同體積分數的酒精 只提供了5%、10%、15%、20%四種體積分數的酒精 由于啤酒的體積分數低于教材建議的5%，而白酒的高于20%，如果僅用教材建議的酒精體積分數做實驗，不能很好地貼近生活實際
如何限制水蚤的活動范圍 在放有水蚤的水滴中加幾根脫脂棉纖維，可以限制水蚤的活動范圍 水蚤在水滴中跑動太快，用脫脂棉確實能限制水蚤的活動范圍，但是在顯微鏡視野中由于脫脂棉的存在，導致觀察的視野雜亂，非常影響水蚤心臟的觀察
觀察水蚤心臟 在普通光學顯微鏡的低倍鏡下觀察水蚤心臟 水蚤的心臟呈白色甚至透明，學生直接在普通顯微鏡下觀察，發現視野大部分呈現白色，會造成水蚤的心臟和周圍環境顏色比較接近，學生很難觀察到水蚤心臟的跳動
記錄水蚤心跳次數 按水蚤心跳的速度在紙上用鉛筆點點，然后再數紙上鉛筆點的數目 水蚤的心率太快，學生打的點容易重疊，時常來不及打點，導致誤差大
根據以上的分析，學生將總項目拆解為4個子項目進行探究實驗，分別是選擇不同體積分數的酒精、限制水蚤活動范圍的方法、水蚤心臟的觀察和水蚤心跳次數的記錄。
（1）子項目1：選擇不同體積分數的酒精
根據教材的建議，只提供5%、10%、15%、20%四種酒精體積分數的實驗，但是學生根據日常經驗和資料查找，發現人們日常食用的啤酒的酒精體積分數通常在2%～5%之間；紅酒的酒精體積分數通常在8%～15%之間；而普通白酒的酒精體積分數為40%-50%之間；由于啤酒的體積分數低于教材建議的5%，而白酒的高于教材建議的20%，為了更貼近生活實際，因此拓展了酒精體積分數的區間。學生在課外時間進入生物實驗室后，根據老師提供的95%酒精，配制了0.3%、0.5%、0.7%、1%、3%、5%、10%、15%、20%、30%等10種體積分數的酒精。
（2）子項目2：如何限制水蚤的活動范圍
水蚤為甲殼綱動物，其身體透明，體長不足5mm。在進入生物實驗室具體實驗操作時，學生根據自己的設計方案，用吸管吸1只不帶仔的個大健壯的水蚤，放在載玻片中央的水滴中，用鑷子取幾根脫脂棉纖維覆在水滴上，在低倍鏡下觀察水蚤心臟的跳動。
在實驗時許多學生發現了問題：水蚤在水滴中跑動太快，用脫脂棉確實能限制水蚤的活動范圍，但是在顯微鏡視野中由于脫脂棉的存在，導致觀察的視野雜亂，非常影響水蚤心臟的觀察。有的學生就地取材，利用兩片蓋玻片黏貼在載玻片上，做出狹窄的通道來限制水蚤的活動范圍，這樣就能在顯微鏡下獲得了無干擾又清晰的水蚤視野。
（3）子項目3：水蚤心臟的觀察
通過自制的載玻片能觀察到水蚤個體，但是由于水蚤個體微小，而且水蚤的心臟呈白色甚至透明，學生直接在普通顯微鏡下觀察，他們發現視野大部分呈現白色，會造成水蚤的心臟和周圍環境顏色比較接近，學生提出很難觀察到水蚤心臟的跳動。于是學生作出思考：能否有辦法使顯微鏡下的視野是暗的，而只有觀察的物體是亮的？
學生在老師的幫助下，通過查找文獻資料，找到了一篇發表在《電子顯微學報》上的文章，解釋了暗場顯微技術，它是應用丁達爾現象，在阿貝聚光器下方加一環形暗場環，擋住中央部分光線，經過聚光器的環形光束在蓋玻片內被全反射而不能進入物鏡，形成暗現場，只有物體的散射光經物鏡后成像，形成黑背景下的明亮影像。所以，在暗視場照明時在深暗色的背景上能夠清晰地看到由散射光和反射光形成的明亮物體影像。
學生進一步查找資料，找到了許多不同形態的暗場環，并利用3D打印出部分的暗場環，如下圖1、圖2所示：
圖1 不同形態的暗場環 圖2 利用3D打印技術制作的暗場環
在這些暗場環中，學生挑選了一個簡單的模型，查找制作方法，利用身邊的材料進行手工制作，主要用到的材料有：等比例打印的暗場環A4紙、塑封機、塑封膜、圓規、剪刀和黑膠布。學生先將塑封膜過塑，用圓規量簡單暗場環的外圈直徑和黑色光檔的直徑，再用圓規切、剪刀剪下內外的小圓片，兩者黏貼組合，就制成暗場環。然后學生在普通顯微鏡的聚光器下方的濾光片框上放置自制的暗場環，瞬間由明視場轉換為暗視場，周圍環境變成暗色調后，水蚤的內部結構卻變得清晰，就能快速找到水蚤的無色心臟。
（4）子項目4：水蚤心跳次數的記錄
教材活動建議通過“打點計數法”記錄水蚤心跳次數，實際操作中，學生發現水蚤的心率太快，打的點容易重疊，時常來不及打點，導致誤差大；有的學生發現可以先用麥克奧迪數碼生物顯微鏡，配備網絡數碼互動實驗系統，錄制水蚤一分鐘心跳的視頻，再用軟件剪輯慢速播放后再人工計數，于是學生錄制了水蚤在不同體積分數的酒精里一分鐘的心率視頻，每只水蚤都要重復測量三次數據，學生又發現需要剪輯這么多的視頻慢速播放，非常耗時耗精力、繁瑣，而且工作量變大，計數仍會出現誤差。
學生發出疑問：有沒有什么電腦軟件，可以實現自動計數心率呢？學生們咨詢了信息學、數學等老師。老師推薦了一款名為“ImageJ”的軟件，它是一款基于java的免費的功能強大的圖像處理軟件，它可以用來解決幾乎與圖像、視頻處理相關的所有問題，廣泛應用于生物學研究領域。當水蚤的心臟在跳動時，心臟區域視頻畫面的亮度會有輕微變化，通過ImageJ 軟件捕捉該區域的亮度變化，即可算出心率。同學們學習了該軟件的使用，發現ImageJ 軟件在電腦上安裝方便，而且操作步驟簡單，實現了水蚤心率更高效、更精準的定量化測量。以下圖3和圖4是學生得到的水蚤在20%和30%酒精的心率圖譜：
圖3 水蚤在20%酒精的心率139次/分
圖4 水蚤在30%酒精的心率119次/分
（三）第2課時課堂活動：小組分享匯報實踐探究過程和結果
（1）小組分享
環節1. 小組分享匯報實踐探究過程，每組以圖片/視頻展示重要環節和實驗成果。
環節2. 對實驗過程中相關問題進行討論：如何限制水蚤活動范圍、如何找到心臟、如何計數。
環節3. 小組pk賽+小組互評+教師評價，各小組公正地參照學生實踐活動表上的五個等級的標準，在表格里填寫“★”星評價等級（包括自評、他評和教師評價，各次評價的滿分 5 顆★，統計所得★的總數量，最終評選出最佳小組。）
（2）匯總全班的實驗數據，得出結果
教師在課前匯總全班小組用ImageJ軟件測得的水蚤心率數據，在Excel 表格中自動計算平均值后，繪制酒精和水蚤心率關系圖。請學生思考根據全班數據繪制的關系圖和根據各小組的數據繪制的關系圖是否有差異，引導學生理解，樣本數量越多，其結果越準確。
（3）得出結論
根據全班數據繪制的酒精和水蚤心率關系圖，得出結論：在一定范圍內，隨著酒精體積分數的增加，水蚤的心率先增加后減慢，當在30%酒精中超過10分鐘后水蚤會死亡。
推論：雖然這個實驗結果不能直接推廣到人體，但也可以給我們帶來一定的啟示。請學生代表交流課前準備的關于“酗酒的危害”的資料，學生進一步了解酒精對人體健康的影響。
（4）表達與交流
提出進一步討論的問題：既然酒精對健康不利，是不是絕對不能飲酒？
學生討論，教師引導學生辯證地看待酒精對人體健康的影響，少量適量飲酒能促進血液循環，對健康有益（特別是對中老年人來講）但酗酒對健康危害很大，應該堅決拒絕，養成健康的生活習慣。
九、實驗教學反思、效果與評價
本活動采用項目式學習形式展開的實驗教學，給予學生課堂和課外充分的自主探究實踐的時間，提高了學生主動思考、發現問題并解決問題的能力，學生在不斷發現問題并改進方法的過程中，創造性地設計了4個實驗創新點，克服了諸如水蚤容易跑動、心臟跳動不易觀察、手動計數誤差大、實驗數據處理繁瑣、效率低等等缺點，改進后的水蚤觀察更直觀形象，課堂更高效，學生學習興趣進一步高漲；此外本活動對ImageJ 軟件的教育信息技術的有效使用，實現了水蚤心率更高效、更精準的定量化測量，使以學習者為中心的學習過程更具靈活性、交互性和針對性，從而使信息技術能更好地與實驗教學深度融合。
今后改進的方向：
在顯微鏡連接計算機的基礎上，利用人工智能技術自動調節顯微鏡的光線強弱、光圈大小；對顯微鏡進行改進，實現自動調節焦距、自動追蹤水蚤等微小生物的觀察視野。

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