傳感器在“植物呼吸作用產(chǎn)生二氧化碳”實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用

趙 進(jìn)（南京市高淳區(qū)第二中學(xué) 江蘇南京 210000）

傳感器在“植物呼吸作用產(chǎn)生二氧化碳”實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用

趙 進(jìn)
（南京市高淳區(qū)第二中學(xué) 江蘇南京 210000）

生物學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，這就決定了生物實(shí)驗(yàn)在生物教學(xué)中占有重要位置。中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，不但要使學(xué)生更有效地掌握生物知識，更要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，逐步提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)，為學(xué)生以后的社會實(shí)踐能力和科研能力打下良好的基礎(chǔ)。探究式學(xué)習(xí)既是新課標(biāo)的理念，又是新課程的培養(yǎng)目標(biāo)。隨著科技的進(jìn)步，傳感器和計(jì)算機(jī)組成數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)逐步成為自主探究的重要陣地，特別是在研究性學(xué)習(xí)過程中，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備必將發(fā)揮其強(qiáng)大的功能。下面以江蘇教育出版社生物學(xué)七年級上冊第三單元中，“植物呼吸作用產(chǎn)生二氧化碳”實(shí)驗(yàn)為例，說明如何有效地將傳感器和計(jì)算機(jī)組成數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)用到生物實(shí)驗(yàn)中來，為生物課堂中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)增光添彩。

一、傳統(tǒng)“植物呼吸作用產(chǎn)生二氧化碳”實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在傳統(tǒng)“植物呼吸作用產(chǎn)生二氧化碳”實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生分組后，提前一天，將新鮮的和用沸水燙2—3分鐘的同一種蔬菜各100克，分別放入兩個不漏氣的黑色塑料袋中，插入軟管后適當(dāng)扎緊袋口，軟管用止水夾夾緊，實(shí)驗(yàn)時，每組隨機(jī)取一袋蔬菜，將軟管插入澄清石灰水中，松開止水夾，輕輕擠壓塑料袋，觀察石灰水的清濁有無變化，由此來推測袋中裝的蔬菜是新鮮的還是燙過的，再打開塑料袋驗(yàn)證自己的推測是否正確。（如右圖）

存在問題：傳統(tǒng)做法中實(shí)驗(yàn)必須提前一天準(zhǔn)備，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時間較長，黑色塑料袋以及插入軟管后扎袋口時不能出現(xiàn)漏氣，塑料袋中所裝蔬菜的量應(yīng)該與袋的容積大小相匹配，否則實(shí)驗(yàn)容易失敗。澄清石灰水因?yàn)橐着c空氣中的二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈣而變質(zhì)，所以不能使用保存太長時間的石灰水，也不能使用剛配制的石灰水，因?yàn)闅溲趸}微溶于水，溶解速度很慢，導(dǎo)致剛配置的澄清石灰水中氫氧化鈣的濃度太低，即使遇到一定量的二氧化碳?xì)怏w也不能變混濁。為確保實(shí)驗(yàn)成功，澄清石灰水應(yīng)該提前2-3天配制。因?yàn)閷W(xué)生對澄清石灰水不熟悉，而二氧化碳通入澄清石灰水變混濁的現(xiàn)象，需要相關(guān)的化學(xué)知識作鋪墊，實(shí)驗(yàn)原理相對復(fù)雜，需要教師在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上再作進(jìn)一步解釋才能說明問題，學(xué)生理解起來也較困難，增大了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理的認(rèn)知難度，影響學(xué)生對植物呼吸作用等知識的構(gòu)建。學(xué)生對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象缺少理性認(rèn)識，老師的講解缺乏說服力，必然增加學(xué)生記憶的負(fù)擔(dān)。本傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)看似簡單，但是手工操作步驟繁多，對實(shí)驗(yàn)技能要求較高，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不太明顯，甚至實(shí)驗(yàn)失敗。據(jù)不完全調(diào)查統(tǒng)計(jì)，這個實(shí)驗(yàn)在我區(qū)初中學(xué)校中，每年都做的學(xué)校不到一半。

二、運(yùn)用傳感器進(jìn)行“植物呼吸作用產(chǎn)生二氧化碳”實(shí)驗(yàn)教學(xué)

如果將傳感器和計(jì)算機(jī)組成數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)用到“植物呼吸作用產(chǎn)生二氧化碳”實(shí)驗(yàn)中操作會變得簡單、方便，而且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫f明植物呼吸作用產(chǎn)生二氧化碳。

實(shí)驗(yàn)原理：通過傳感器實(shí)時采集氣液相密封實(shí)驗(yàn)器內(nèi)二氧化碳和氧氣的濃度，研究植物的呼吸作用。

實(shí)驗(yàn)器材：器材：計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)線，二氧化碳傳感器，氧氣傳感器，氣液相密封實(shí)驗(yàn)器、遮光紙、橡皮塞等。材料：

小型盆栽植物（如吊蘭、銅錢草等）

實(shí)驗(yàn)裝置圖（如下圖）

實(shí)驗(yàn)步驟：

1.按照實(shí)驗(yàn)裝置圖搭建好實(shí)驗(yàn)裝置；

2.向氣液相密封實(shí)驗(yàn)器內(nèi)放入適當(dāng)大小的盆栽植物，將二氧化碳傳感器、氧氣傳感器與采集器相連，采集器與電腦相連；

3.將二氧化碳傳感器和氧氣傳感器的探頭通過橡膠塞與密封蓋連接完畢，蓋上密封蓋，調(diào)節(jié)探頭高度；

5.觀察、分析二氧化碳傳感器采集的數(shù)據(jù)。

7.觀察、分析氧氣傳感器采集的數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1　植物呼吸時二氧化碳的含量變化

圖2　植物呼吸時氧氣的含量變化

通過傳感器實(shí)時采集氣液相密封實(shí)驗(yàn)器內(nèi)二氧化碳和氧氣的濃度，學(xué)生能直觀地看到植物的呼吸作用消耗氧氣，產(chǎn)生二氧化碳，有利于學(xué)生對植物呼吸作用實(shí)質(zhì)的理解。利用數(shù)字化信息技術(shù)—“傳感器”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究，把平時受干擾因素較多的實(shí)驗(yàn)通過快速、高效的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，通過計(jì)算機(jī)顯示各組數(shù)據(jù)，明顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，不但有利于激發(fā)學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識的能力，并且對解決教學(xué)難點(diǎn)也起到重要作用。課堂中，我還提供給學(xué)生如溫度傳感器、濕度傳感器等，繼續(xù)研究植物的呼吸作用，讓學(xué)生在課題的選擇、設(shè)計(jì)和操作過程中，有充分的自主，他們可以根據(jù)自己的興趣特長和認(rèn)知水平，在動手中創(chuàng)新，在實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)新，為實(shí)現(xiàn)自我價值提供源頭活水。

實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)：

1.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀明了，實(shí)驗(yàn)結(jié)論學(xué)生思考后能直接得出，不受沒有學(xué)習(xí)過的有關(guān)二氧化碳等化學(xué)知識的限制。

2.實(shí)驗(yàn)材料如盆栽植物等能重復(fù)使用，有利于培養(yǎng)學(xué)生珍愛生命的意識，提高環(huán)境保護(hù)意識。

3.提高實(shí)驗(yàn)的成功率。

三、本實(shí)驗(yàn)教學(xué)后的反思

當(dāng)今社會科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，許多高科技數(shù)字化產(chǎn)品進(jìn)入了普通學(xué)生家庭，如智能家用電器，智能手機(jī)等。而我們的生物實(shí)驗(yàn)還停留在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法和落后的實(shí)驗(yàn)器材上，會使學(xué)生產(chǎn)生生物學(xué)對當(dāng)今社會沒有實(shí)用價值的錯覺，從而對生物學(xué)失去學(xué)習(xí)的興趣。只有把現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)有機(jī)地融合到基礎(chǔ)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生才能夠?qū)W會解決實(shí)際問題，因?yàn)閷硭麄兠鎸Φ膶⑹窍冗M(jìn)的儀器和設(shè)備。采用數(shù)字化生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)，必將提高生物學(xué)在學(xué)生心目中的地位，體現(xiàn)生物學(xué)的先進(jìn)性、科學(xué)性和實(shí)用性。

相信通過我們不斷地努力探索一定會有更多的收獲，使傳感器和計(jì)算機(jī)組成數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在初中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮更大的作用。