傳感器在中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

蔡三娟

(江蘇省南京市第九初級(jí)中學(xué) 210018)

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用傳感器，能利用數(shù)字、圖表等直觀的數(shù)據(jù)精確反映出定量實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，將以往的定性實(shí)驗(yàn)提高為定量實(shí)驗(yàn)，使傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中無(wú)法完成的實(shí)驗(yàn)得到很好的改進(jìn)，具有非常獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。但是，目前為止，有關(guān)傳感器應(yīng)用于中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐并不多[1]。為此，筆者嘗試將生物傳感器運(yùn)用在植物呼吸作用實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用傳感器對(duì)本節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有很好的輔助作用。

蘇教版七年級(jí)上冊(cè)“植物的呼吸作用”一節(jié)安排了“植物呼吸作用產(chǎn)生CO2”和“植物呼吸作用消耗氧氣”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，均采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，且為定性實(shí)驗(yàn)。在教學(xué)過(guò)程中，引入傳感器測(cè)量，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相輔相成，可使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更科學(xué)，更有說(shuō)服力。此外，應(yīng)用濕度傳感器和溫度傳感器，檢測(cè)植物呼吸作用引起的環(huán)境CO2濃度、濕度和溫度的變化，引導(dǎo)學(xué)生分析植物呼吸作用過(guò)程中物質(zhì)和能量的變化，將傳統(tǒng)的定性實(shí)驗(yàn)上升為定量實(shí)驗(yàn)，能使學(xué)生深刻地理解和掌握知識(shí)，取得更佳的教學(xué)效果。

1 植物呼吸作用產(chǎn)生CO2的檢測(cè)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法是用澄清石灰水來(lái)檢測(cè)CO2，通過(guò)觀察澄清石灰水的渾濁程度來(lái)判斷植物是否產(chǎn)生了CO2。但是，具體釋放了多少CO2，無(wú)從得知。另外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中受到塑料袋的氣密性和石灰水的質(zhì)量等因素的限制，且CO2的含量要達(dá)到一定的量才能觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，操作起來(lái)比較繁瑣，使得實(shí)驗(yàn)的實(shí)施和實(shí)驗(yàn)效果有一定的局限性。采用CO2傳感器能精確測(cè)定植物一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行呼吸作用產(chǎn)生CO2的量，還能反應(yīng)植物呼吸作用的過(guò)程，實(shí)驗(yàn)操作更方便、結(jié)果更直接。

1.1 實(shí)驗(yàn)方法 實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)處理實(shí)驗(yàn)材料 選取兩份20g菠菜，其中實(shí)驗(yàn)組為新鮮菠菜，對(duì)照組菠菜用開(kāi)水燙過(guò)；分別裝入500mL的錐形瓶，錐形瓶外包裹一層黑色塑料袋，放置3h。

(2)連接裝置 將兩個(gè)CO2傳感器與數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)連接，然后將傳感器的探頭插入錐形瓶塞后分別伸入兩個(gè)錐形瓶中。

(3)數(shù)據(jù)采集 打開(kāi)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件TriE ilab ，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集頁(yè)面，設(shè)置數(shù)據(jù)采集時(shí)間為1 min，選擇相應(yīng)模板和曲線名稱后，點(diǎn)擊“開(kāi)始實(shí)驗(yàn)”按鈕，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，這時(shí)界面上就會(huì)顯示錐形瓶?jī)?nèi)CO2的含量值和變化曲線。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，可得到1min內(nèi)CO2的含量變化數(shù)值(表1)和CO2含量隨時(shí)間變化的曲線(圖1)。從表1可以看出，黑暗處理3h后，實(shí)驗(yàn)組CO2含量明顯高于對(duì)照組，說(shuō)明植物呼吸作用產(chǎn)生了CO2。根據(jù)兩者的差值可準(zhǔn)確得出植物在一定時(shí)間內(nèi)呼吸作用產(chǎn)生CO2的含量，這一點(diǎn)在曲線(圖1)上也能直觀地體現(xiàn)出來(lái)。同時(shí)，觀察圖1發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組曲線傾斜向上，而對(duì)照組是一條水平的直線，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)組植物在測(cè)定時(shí)間內(nèi)仍然在進(jìn)行呼吸作用產(chǎn)生CO2。可見(jiàn)，通過(guò)CO2傳感器，不僅能測(cè)定植物一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的CO2的含量，還能記錄植物呼吸作用的過(guò)程，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法相比，這種實(shí)驗(yàn)方法更加精確和客觀。

表1 兩個(gè)錐形瓶?jī)?nèi)CO2含量的比較

圖1 暗處理3h后CO2含量變化曲線

(注：ppm的計(jì)量單位為μL/L)

2 植物呼吸作用產(chǎn)生水的檢測(cè)

植物在有氧條件下進(jìn)行的呼吸作用，不僅會(huì)產(chǎn)生CO2，還會(huì)產(chǎn)生水。為了說(shuō)明這一點(diǎn)，通常是在課堂上引導(dǎo)學(xué)生觀察裝有新鮮植物材料的容器內(nèi)壁上是否產(chǎn)生水珠，方法簡(jiǎn)單明了。但問(wèn)題是，如果看不到水珠就肯定沒(méi)有水產(chǎn)生嗎？濕度傳感器的使用就可以使問(wèn)題迎刃而解。

2.1 實(shí)驗(yàn)方法 實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)處理實(shí)驗(yàn)材料 選取兩份綠豆種子，各30g；一份萌發(fā)，另一份烤熟；分別裝入500mL的錐形瓶，在室溫下放置3h。

(2)連接裝置 將兩個(gè)濕度傳感器與數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)連接，然后將傳感器的探頭插入錐形瓶塞后分別伸入兩個(gè)錐形瓶中。

(3)數(shù)據(jù)采集 打開(kāi)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件TriE ilab ，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集頁(yè)面，設(shè)置數(shù)據(jù)采集時(shí)間為1min，選擇相應(yīng)模板和曲線名稱后，點(diǎn)擊“開(kāi)始實(shí)驗(yàn)”按鈕，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，這時(shí)界面上就會(huì)顯示錐形瓶?jī)?nèi)濕度值和濕度的變化曲線。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行1min后，可得到兩個(gè)錐形瓶?jī)?nèi)的濕度值(表2)和濕度隨時(shí)間變化曲線(圖2)，從表2可以看出，1min后實(shí)驗(yàn)組錐形瓶?jī)?nèi)的濕度為93.5%，而對(duì)照組錐形瓶?jī)?nèi)的濕度為50.0%，濕度可間接反應(yīng)了產(chǎn)生水的含量，分析實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組濕度的差異，可得出植物呼吸作用產(chǎn)生了水。同樣，觀察圖2中的曲線變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)測(cè)定的1min內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組中植物的呼吸作用仍在繼續(xù)，并有水生成(第60s的濕度比剛開(kāi)始測(cè)定時(shí)的濕度高2.5%)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確直觀，讓學(xué)生有更直觀、更深刻的認(rèn)識(shí)，還能在短時(shí)間內(nèi)(還未形成明顯水珠時(shí))檢測(cè)到植物呼吸作用產(chǎn)生了水。

表2 兩個(gè)錐形瓶?jī)?nèi)濕度的比較

圖2 室溫下放置3h后濕度變化曲線

3 植物呼吸作用釋放能量的檢測(cè)

在前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的同時(shí)，可同步探究植物呼吸作用釋放能量，即用溫度傳感器測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的溫度。測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器上傳到計(jì)算機(jī)，在分析CO2含量、濕度的同時(shí)，分析溫度的變化，以說(shuō)明植物呼吸作用是否釋放了能量，測(cè)定的原理與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中用溫度計(jì)測(cè)定裝有植物的保溫瓶?jī)?nèi)的溫度是一樣的。由于該實(shí)驗(yàn)比較特殊，需要用到保溫裝置，且在測(cè)定過(guò)程中不能與外界環(huán)境發(fā)生溫度傳遞，受到實(shí)驗(yàn)裝置的限制，不宜分組實(shí)驗(yàn)，采用教師演示實(shí)驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)方法 實(shí)驗(yàn)材料和方法步驟參考2.1所述，不同的是將錐形瓶換成保溫瓶，將濕度傳感器換成溫度傳感器。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 從溫度傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)(表3)可以看出，實(shí)驗(yàn)組測(cè)定結(jié)束時(shí)的溫度是56.1℃，對(duì)照組測(cè)定結(jié)束時(shí)的溫度是25.4℃(接近當(dāng)時(shí)的室溫)，在測(cè)定的1min內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組溫度略有上升，對(duì)照組溫度保持不變，比較可知，植物呼吸作用釋放了能量，且測(cè)定時(shí)間內(nèi)植物呼吸作用的過(guò)程仍在進(jìn)行。由于傳感器反應(yīng)靈敏，能在短時(shí)間內(nèi)迅速測(cè)得容器內(nèi)的溫度，且數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點(diǎn)后一位，比溫度計(jì)更快捷準(zhǔn)確。另一方面，每個(gè)數(shù)據(jù)采集器上都有4個(gè)通道，可同時(shí)連接4個(gè)傳感器，且實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件中有多個(gè)復(fù)合模板可選，這就意味著實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可同時(shí)測(cè)定兩個(gè)或兩個(gè)以上的生理指標(biāo)。同時(shí)，分析不同指標(biāo)的變化情況，節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)效率，還能確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，能取得更佳的教學(xué)效果。

表3 兩個(gè)保溫瓶?jī)?nèi)溫度的比較