Методические рекомендации к теме «Воздух и его роль в дыхании живых существ»

Тема 2. Воздух и его роль в дыхании живых существ (4 часа).
Построение учениками гипотез о превращениях воздуха в ходе дыхания. Исследование количественных и качественных изменений воздуха при дыхании. Состав воздуха. Сравнение горения и дыхания.

Что должно произойти с учениками по завершении этих четырёх часов?

• Ученики должны узнать способы определения наличия кислорода и углекислого газа в воздухе (кислорода – по поддержанию горения, углекислого газа – по помутнению известковой воды).
• Ученики должны понять, что такое результат опыта и что такое вывод из опыта.
• Ученики должны уяснить, что в процессе дыхания расходуется кислород и образуется углекислый газ и вода.
• Ученики должны узнать состав атмосферного и выдыхаемого воздуха и уметь объяснить причины различий в их составе.
• Ученики должны понять, что значение дыхания – образование энергии, расходуемой на нужды живого существа.
• Ученики должны поставить проблему «Что является топливом для дыхания?»

Что дети должны делать, чтобы это произошло?

Для решения этих задач дети должны сравнивать горение и дыхание. Поскольку дыхание – это ненаблюдаемый процесс, то уяснить его существенные черты возможно, сравнивая дыхание с наблюдаемым процессом (горением). Сравнение горения и дыхания часто используется в обучении биологии.
Развернутая последовательность действий учеников в ходе работы по теме:

• Выдвижение гипотез о том, как меняется воздух в ходе дыхания.
• Обсуждение гипотез.
• Поиск способов проверки гипотез о количественных и качественных изменениях воздуха.
• Проведение опытов. Наблюдение демонстраций опытов, их анализ.
• Фиксация результатов опытов. Вывод о превращениях воздуха в ходе дыхания.
• Сравнение проявлений дыхания и горения. Обнаружение сходства этих процессов.
• Анализ превращений энергии в ходе горения. Вывод о возможном значении дыхания с точки зрения образования энергии в этом процессе.

Что может делать учитель, чтобы ученики делали именно это?

• Организовать выдвижение гипотез учениками и их оформление в схематическом, общедоступном для обсуждения и сравнения виде (цифровой ресурс: конструктор гипотез о дыхании ( модуль 1 для ученика и модуль 2 для учителя).
• Организовать сравнение и анализ выдвинутых гипотез (фрагменты уроков – методические материалы для учителя).
• Организовать планирование соответствующих опытов, обеспечив учеников необходимой для этого информацией о способах обнаружения кислорода и углекислого газа в воздухе (фрагменты уроков – методические материалы для учителя).
• Обеспечить проведение опытов, показывающих изменение количества и качества воздуха в ходе дыхания, подготовив необходимые демонстрации, подготовив материалы и оборудование для проведения опытов учениками (цифровые ресурсы: фрагменты уроков – методические материалы для учителя; опыт по сравнению количества углекислого газа во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе, описание опытов Гука и Лавуазье, опыт по выжиганию кислорода).
• Обеспечить фиксацию хода, результатов опытов, выводов из опытов на доске и в тетрадях учеников, показывая ученикам способы схематической зарисовки опытов, помогая различить результат опыта и вывод из опыта (фрагменты уроков – методические материалы для учителя).
• Организовать проверку уяснения учениками материала о составе воздуха и его изменениях в ходе дыхания (тестовые вопросы «Состав воздуха», фрагменты уроков – методические материалы для учителя).
• Предложить ученикам сравнить результаты горения и результаты дыхания. Обеспечить фиксацию развернутых выводов из этого сравнения на доске и в тетрадях - помочь ученикам обнаружить сходства процессов горения и дыхания (анимации «Горение» и «Дыхание», фрагменты уроков – методические материалы для учителя).
• Организовать анализ учениками превращения веществ и энергии в ходе горения. Вернув их к аналогии дыхания и горения, помочь им сформулировать предположение о значении процесса дыхания (фрагменты уроков – методические материалы для учителя).
• Если дети самостоятельно не могут поставить проблему «Что является топливом для процесса дыхания, т.е. что «сгорает» в теле живого существа, из чего образуются при дыхании углекислый газ, вода и энергия?», то учитель помогает ученикам осознать и сформулировать эту проблему (фрагменты уроков – методические материалы для учителя).

Конструктор гипотез.

Конструктор гипотез представляет собой 2 модуля. Один – для организации индивидуальной работы учеников в ходе урока. Второй – для «сборки» учителем детских мнений и их презентации всему классу.
Первый модуль.
Работу с ним следует начинать после того, как класс под руководством учителя четко сформулировал проблему дыхания живых существ в виде:
«Что происходит с воздухом в процессе дыхания?».
Ученики садятся к персональным компьютерам и отвечают на предложенные им вопросы о вдыхаемом (атмосферном) и выдыхаемом воздухе. Использование компьютера позволяет а) организовать обдумывание ответов на эти вопросы каждым учеником, б) представить результаты этого обдумывания в понятном всем (и сосчитываемом) виде.
Компьютер выдает ученику схему, соответствующую его собственным ответам на предложенные вопросы.
Ученик, поднимая руку, сообщает учителю номер своей схемы.
Второй модуль.
Учитель, открыв свою схему на большом экране, заносит в окошки числа, показывающие, сколько учеников думают так или иначе. Варианты гипотез о преобразовании воздуха в теле живого существа кратко обсуждаются (проговариваются словесно). А затем можно переходить к планированию опытов, которые покажут, как же на самом деле меняется воздух.

Опыт. Сравнение количества углекислого газа во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе.

Варианты реализации этого фрагмента урока:

Преимущества Недостатки
Фронтальная демонстрация опыта с прибором Мюллера. Простота реализации. Минимальное усвоение.
Практическая работа с прибором Мюллера (на пару учеников). Хорошее усвоение, интерес учеников. Может не быть достаточного количества приборов в школе. Занимает много времени.
Индивидуальная работа с ЦОР. Отработка на индивидуальном уровне действий по планированию опыта, умения соотносить условия опыта и его результаты, умения различать результаты опыта и выводы из опыта, умения точно формулировать результат опыта. Учитель не отслеживает ход выполнения задания отдельными учениками. Нет одновременности в завершении работы.
Использование ЦОР в режиме общеклассного обсуждения. Учитель может «заставить» детей повторить пройденное еще раз, решая задачи. Он может, услышав неверное предложение, ухватиться за него, подтвердить неправильный ответ и получить реакцию на него. Таким образом, все ученики будут вынуждены еще раз, но в новой форме, обратиться к пройденному ранее материалу. Умения планирования и анализа опыта не отрабатываются в индивидуальном режиме.

Описание работы с ЦОР

Что происходит на экране? Задача ученика (учеников) Особенности выполнения
1. Демонстрация принципа работы прибора Мюллера (на обычной воде). Наблюдая за тем, что показано в анимации (вдох и выдох – надувание щек, булькание в пробирках), различить две пробирки, как имеющие разное значение (через одну проходит только вдыхаемый, а через другую – только выдыхаемый воздух). Не все обращают внимание на щеки дующего в пробирки человека.
2. Тестовый вопрос на способ обнаружения углекислого газа. Определить, что нужно налить в обе пробирки прибора Мюллера. Неверный ответ заставляет обратиться к опыту, проведенному на прошлом занятии и анализировать его.
3. Серия тестовых вопросов на предсказание исхода опыта (3 тестовых вопроса). Предсказать исход опыта в соответствии с тремя возможными гипотезами. Неверные ответы заставляют строить логику рассуждений. Предыдущие верные ответы ученика остаются на экране.
4. Тестовый вопрос на формулировку результата опыта. Выбрать описание, наиболее точно характеризующее исход опыта. Неверные ответы заставляют строить логику рассуждений. Предыдущие верные ответы ученика остаются на экране.
5. Тестовый вопрос на формулировку вывода из опыта. Выбрать вывод, наиболее соответствующий результату опыта. Неверные ответы заставляют строить логику рассуждений. Предыдущие верные ответы ученика остаются на экране.

Информационные тексты в виде НТМL- страниц.

Опыт Гука (опыт доказывает непригодность воздуха, «испорченного дыханием», для дыхания человека).
Опыт Лавуазье (опыт доказывает непригодность воздуха, «испорченного дыханием», для дыхания воробья и для горения).
Исследование воздуха в разных помещениях (Лавуазье).

Тестовые вопросы «Состав воздуха»

Эти тестовые вопросы предполагают простую проверку знаний о составе воздуха (как вдыхаемого, так и выдыхаемого). Из них сформирована подборка для короткой индивидуальной проверочной работы.

Опыт по выжиганию кислорода.

Варианты реализации этого фрагмента урока:

Преимущества Недостатки
Индивидуальная работа с ЦОР с промежуточным обсуждением возможных исходов опыта. Отработка действий по планированию опыта, умения соотносить условия опыта и его результаты, умения различать результаты опыта и выводы из опыта, умения точно формулировать результат опыта. Учитель не отслеживает ход выполнения задания отдельными учениками. Нет одновременности в завершении работы.
Использование ЦОР в режиме общеклассного обсуждения. Учитель может организовать обсуждение на каждом этапе развертывания опыта. Умения анализа опыта не отрабатываются в индивидуальном режиме.

Описание работы с ЦОР

Что происходит на экране? Задача ученика (учеников) Особенности выполнения
1. Анимация подготовки опыта. Наблюдение. Не задано обсуждения особенностей подготовки опыта. Текст диктора выделяет акценты наблюдения.
2. Тестовые вопросы (2) по предсказанию исхода опыта. Предсказать исход опыта. Нет режима проверки правильности ответа. Предлагается провести обсуждение в классе (даже в том случае, если последующая работа будет проводиться на персональных компьтерах).
3. Анимация протекания опыта. Наблюдение. Текст диктора выделяет акценты наблюдения.
4. Тестовый вопрос на формулировку результата опыта. Выбрать описание, наиболее точно характеризующее исход опыта. Неверные ответы заставляют строить логику рассуждений.
5. Тестовый вопрос на формулировку вывода из опыта. Выбрать вывод, наиболее соответствующий результату опыта. Неверные ответы заставляют строить логику рассуждений.

Анимированные схемы «Горение» и «Дыхание»

Эти анимации нужны для того, чтобы можно было осуществить развернутое сравнение двух процессов – горения и дыхания. Именно с этой целью горение и дыхание показаны в сходных условиях (буквально на одной и той же платформе располагается горящее полено, а затем – осуществляющий дыхание человек). С этой же целью утрированы одни стороны процессов (например, горение полена под стеклянным колпаком продолжается гораздо дольше, чем оно продолжалось бы на самом деле; капли воды на стекле сделаны большими; температура возрастает гораздо быстрее и в значительно больших пределах, чем это могло бы происходить в реальности и пр.) и скрыты другие (например, разжигание полена).
В какой момент обучения использовать эти анимированные схемы, и для решения каких задач, – решает учитель. Здесь описывается структура этих цифровых объектов и возможности их использования.

Анимация «Горение 1»

Этап Что происходит на экране Возможности и задачи наблюдения
1. условия опыта На экране изображены весы, линейка. Потом на платформе появляется полено. Оно тихонько вспыхивает (появляется небольшое пламя). Заметить и обсудить: - зачем весы?
2. горение полена Пламя усиливается. Виден дым. Полено постепенно превращается в черные угли, они покрываются серой золой. Платформа постепенно поднимается вверх. Можно заметить:
- поднятие платформы (потерю в весе)
- выделение света
- превращение древесины в угли, а затем – в несгораемые вещества (золу).
Нельзя заметить:
выделение тепла, образование воды.
3. сгорание полена Угли догорают (огонь все слабее), превращаясь в светло-серый порошок – золу. Его очень немного. Платформа продолжает подниматься. Пламя гаснет. Платформа останавливается. Можно заметить:
- поднятие платформы (потерю в весе)
- превращение древесины в угли, а затем – в несгораемые вещества (золу).

Анимация «Горение 2»

Этап Что происходит на экране Возможности и задачи наблюдения
1. условия опыта На экране изображены весы, линейка, полено. Полено вспыхивает. Появляется стеклянный колпак. Появляется сосуд с известковой водой. Заметить и обсудить:
- зачем весы?
- зачем колпак?
- зачем известковая вода?
2. горение полена под колпаком Пламя усиливается. Виден дым внутри колпака. Полено частично превращается в угли, они покрываются серой золой. Платформа не двигается. Стеклянный колпак покрывается каплями воды. Известковая вода мутнеет. Пламя слабеет и гаснет. Можно заметить:
- нет поднятия платформы
- выделение света
- превращение древесины в угли, дым, а затем – в несгораемые вещества (золу)
- образование воды на стекле
- помутнение известковой воды.
Нельзя заметить:
выделение тепла.

Далее предполагается следующий способ использования данной анимации.
У: расскажите об изменениях, которые вы заметили.
Д: известковая вода помутнела.
У: кто это заметил? А кто – не заметил? (включает кнопку «У»). О чем говорит помутнение известковой воды?

Управляющая кнопка Назначение кнопки
«С» Привлечь внимание к тому, что огонь не только греет, но и светит. Значит, при горении выделяется энергия в виде света.
«Т» Привлечь внимание к тому, что воздух внутри колпака, сам колпак и воздух снаружи нагреваются, т.е. при дыхании выделяется энергия в виде теплового излучения.
«В» Привлечь внимание к тому, что на стекле колпака видны капли воды, т.е. при дыхании, как и при горении, образуется вода.
«У» Привлечь внимание к тому, что известковая вода, помещенная под колпак, мутнеет, т.е. при дыхании образуется углекислый газ.

Анимация «Дыхание»

Этап анимации (анимация продолжается после следующего нажатия кнопки) Что происходит на экране. Возможности и задачи наблюдения
1. условия опыта На экране:
Человек на платформе пружинных весов.
Он накрыт большим стеклянным колпаком.
Под колпаком - сосуд с известковой водой.
Заметить и обсудить после демонстрации первого этапа все условия опыта: :
- зачем весы?
- зачем колпак?
- зачем сосуд с известковой водой?
2. что происходит в этих условиях с течением времени Можно заметить:
- вес не меняется
- образуется вода на стекле
- известковая вода мутнеет
- человеку становится душно.
Нельзя заметить:
- выделяется энергия в виде тепла
- совершается работа.
Заметить и обсудить все изменения, а также о чем они свидетельствуют.
3. что происходит, если изменить условия опыта (сделать систему открытой) Можно заметить:
- вес при открывании окна начинает уменьшаться
- вода исчезает (капли испаряются со стекла).
Заметить и обсудить все изменения, а также о чем они свидетельствуют. Для этого, а также для обсуждения моментов, которых нельзя заметить в наблюдении, на экране справа размещены дополнительные кнопки.

Далее предполагается следующий способ использования анимации.
У: расскажите об изменениях, которые вы заметили.
Д: известковая вода помутнела.
У: кто это заметил? А кто – не заметил? (включает кнопку «У»). О чем говорит помутнение известковой воды?
….
У: здесь есть еще две кнопки, которые мы не нажимали, а изменений больше нам не удалось заметить. Как вы полагаете, могут быть изменения, которые нельзя увидеть глазами, но можно почувствовать как-то иначе?
Д: высказывают версии.
У: демонстрирует действие кнопок «Т» и «Р». Ученики делают вывод, что, как и при горении, энергия в ходе дыхания образуется. Но если при горении мы можем наблюдать образование энергии в виде тепла и света, то при дыхании тоже выделяется тепло (но нет света), зато часть энергии дыхания проявляет себя в работе, совершаемой человеком.

Управляющая кнопка Назначение кнопки
«М» Привлечь внимание к тому, что вес человека уменьшается в ходе дыхания.
«Т» Привлечь внимание к тому, что воздух внутри колпака, сам колпак и воздух снаружи нагреваются, т.е. при дыхании выделяется энергия в виде теплового излучения.
«В» Привлечь внимание к тому, что на стекле колпака видны капли воды, т.е. при дыхании, как и при горении, образуется вода.
«У» Привлечь внимание к тому, что известковая вода, помещенная под колпак, мутнеет, т.е. при дыхании образуется углекислый газ.
«Р» Привлечь внимание к тому, что человек делает вдохи и выдохи, человек передвигается, т.е. совершает работу (в смысле физики). Значит, энергия, образующаяся в ходе дыхания, тратится, в отличие от горения, на совершение работы. (Энергию горения также можно использовать для совершения работы – например, в двигателе внутреннего сгорания).