用傳感器探究環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響

肖云

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是通過采用傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)備，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入電腦，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析和探究的新型實(shí)驗(yàn)形式，主要設(shè)備由“可控源+傳感器+數(shù)據(jù)采集器+計(jì)算機(jī)+處理軟件”組成。教師利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過簡單的手段獲得精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，可以節(jié)省課堂學(xué)時(shí)，更好地闡述原理，提高課堂效率，也是信息技術(shù)與生命科學(xué)教學(xué)整合的新途徑。但如何充分利用好該系統(tǒng)，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是生物教師值得探索的內(nèi)容。在此，筆者利用所任教學(xué)校友高數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室V6.0進(jìn)行了有關(guān)實(shí)驗(yàn)的嘗試。

1 實(shí)驗(yàn)思路

探究“環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”是高中生物必修一中開展探究性活動(dòng)的基本素材。人教版教材中提供的參考案例的實(shí)施和實(shí)驗(yàn)效果有一定的局限性，如葉圓片真空滲入法操作困難，向清水吹氣不利于控制變量CO2的濃度，實(shí)驗(yàn)過程連貫性不夠，結(jié)果呈現(xiàn)滯后性等。于是在教學(xué)過程中，筆者引入傳感器測(cè)量，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相輔相成?；趥鞲衅鞯膬?yōu)勢(shì)，從教材中對(duì)實(shí)驗(yàn)定性描述提升到通過表格曲線進(jìn)行定量分析，同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)分析和處理的能力，為探究影響光合作用強(qiáng)度的因素提供更多的實(shí)證數(shù)據(jù)。教師將學(xué)生分成兩組，分別探究光照強(qiáng)度和光質(zhì)對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響。

2 課程準(zhǔn)備

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

查閱資料，發(fā)現(xiàn)用菠菜、綠蘿、吊蘭、大葉黃楊均可做為光合作用相關(guān)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)材料。但經(jīng)過多次嘗試，發(fā)現(xiàn)外來入侵植物水花生和綠籬植物珊瑚樹葉效果較好，而且兩種植物都很常見，取材方便。如以水花生為實(shí)驗(yàn)材料，實(shí)驗(yàn)5 min后水中氣泡就非常明顯。

2.2 傳感器

兩組實(shí)驗(yàn)中，分別選用氧氣傳感器和溶解氧傳感器測(cè)量氧氣的變化量，并用光強(qiáng)傳感器輔助檢測(cè)光照強(qiáng)度，將其控制在一定范圍內(nèi)。

2.3 光源

光合作用中的實(shí)驗(yàn)，很多版本的教材都是使用白熾燈。但白熾燈在發(fā)光的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高的熱量，因此要設(shè)立隔水槽以消除溫度升高對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響。

2.4 其他

保鮮膜、彩色玻璃紙、凡士林、寬透明膠帶、數(shù)據(jù)采集器、托盤天平、單孔橡皮塞等。

3 實(shí)驗(yàn)實(shí)施

3.1 光照強(qiáng)度對(duì)光合作用的影響

實(shí)驗(yàn)過程：

（1） 在3個(gè)500 mL的錐形瓶中均加入400 mL的蒸餾水，再分別加入10 g生長旺盛的珊瑚樹葉。注意葉柄朝下，葉片朝不同方向，避免相互遮光。

（2） 將每組的光強(qiáng)傳感器和氧氣濃度傳感器與數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)相連，然后將氧氣傳感器的探頭插入錐形瓶塞后分別伸入錐形瓶中，可以在瓶口涂少量凡士林或者裹幾層保鮮膜，使密閉效果更好。注意氧氣傳感器探頭很靈敏，操作過程中不能使瓶子的晃動(dòng)讓水濺到探頭上影響示數(shù)。光強(qiáng)傳感器放在錐形瓶旁邊，注意傳感器的感光區(qū)域朝向光源。可以利用三套設(shè)備同時(shí)操作，也可以一套設(shè)備輪流做，但由于傳感器靈敏度的差異，得到的數(shù)據(jù)之間可能存在一定誤差。

（3） 進(jìn)入電腦V6.0系統(tǒng)，點(diǎn)擊“通用軟件”，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別所介入的傳感器，并顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。調(diào)節(jié)臺(tái)燈的距離和強(qiáng)度，輔助光強(qiáng)傳感器檢測(cè)，控制三組光照強(qiáng)度分別在100 lx、1 000 lx、10 000 lx左右。

（4） 待光強(qiáng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后通過“圖線控制”設(shè)置合適的坐標(biāo)軸間距，并設(shè)置計(jì)數(shù)間隔時(shí)間為2 s，時(shí)長500 s，點(diǎn)擊“開始實(shí)驗(yàn)”，自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1、2、3所示。

由曲線圖可見，3條曲線前100 s基本都保持平穩(wěn)，可能是學(xué)生操作前傳感器沒有穩(wěn)定就開始計(jì)數(shù)的原因，也有可能是量變積累不夠。學(xué)生將曲線圖經(jīng)過分析處理得到表1。

由表1可見，相同時(shí)間內(nèi)，光照強(qiáng)度越大，珊瑚樹葉產(chǎn)生的氧氣越多，光合作用越強(qiáng)。其中光照強(qiáng)度在100 lx條件下，珊瑚樹葉500 s前后氧氣濃度為負(fù)增長，可能是弱光下植物光合作用小于呼吸作用。

3.2 光質(zhì)對(duì)光合作用的影響

實(shí)驗(yàn)過程：

（1） 將紅色、綠色、藍(lán)色的單層玻璃紙剪成合適大小，分別包裹住500 mL的錐形瓶，用寬透明膠帶粘住接口，注意緊密包裹不能漏光，且接口處盡量不要重疊。向3個(gè)錐形瓶中各加入200 mL的蒸餾水，再向每瓶中加入水花生幼嫩部分5或6段，鮮重大約10 g為宜。若植物過多，葉片遮擋，而呼吸作用總量增加，會(huì)影響實(shí)驗(yàn)效果。由于水花生葉片較小，不需要將葉片摘下，可以連帶幼莖一起放入錐形瓶中。

（2） 將每組的光強(qiáng)傳感器和溶解氧濃度傳感器與數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)相連，然后將溶解氧傳感器的探頭放入錐形瓶水中，并在瓶口裹幾層保鮮膜達(dá)到密閉的效果。光強(qiáng)傳感器放在錐形瓶旁邊，注意傳感器的感光區(qū)域朝向光源。

（3） 進(jìn)入電腦V6.0系統(tǒng)點(diǎn)擊“通用軟件”，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別所介入的傳感器，并顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。調(diào)節(jié)臺(tái)燈的距離和強(qiáng)度，輔助光強(qiáng)傳感器檢測(cè)，控制三組光照強(qiáng)度均在1 000 lx左右。

（4） 待光強(qiáng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定后通過“圖線控制”設(shè)置坐標(biāo)軸間距，并設(shè)置計(jì)數(shù)間隔時(shí)間為2 s，時(shí)長500 s，點(diǎn)擊“開始實(shí)驗(yàn)”，自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4～圖6所示。

將曲線圖經(jīng)過分析處理得到表2。

由表2數(shù)據(jù)分析可見，相同時(shí)間內(nèi)，在藍(lán)光下瓶中溶解了較多的氧氣，光合作用較強(qiáng)，其次是紅光，最弱的是綠光。比較500 s前后，在綠光下，瓶中的溶解氧含量下降，說明綠光下水花生光合作用較弱，小于呼吸作用。

4 反思與討論

4.1 瓶中的水量

經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)使用氧氣傳感器時(shí)，需要在瓶中加入較多的水，使瓶中空氣較少。這樣氧氣量的變化較大，傳感器的示數(shù)變化才更加明顯。而在使用溶解氧傳感器時(shí)，水量的影響則不及前者明顯，但也不宜過少，以基本沒過水花生葉片為宜。

4.2 傳感器

使用傳感器前一定要先校正以消除誤差，并讓傳感器穩(wěn)定5 min再開始測(cè)量。傳感器本身的靈敏度是有差異的，數(shù)據(jù)分析中教師要引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注本組數(shù)據(jù)的變化量，而不是實(shí)驗(yàn)起點(diǎn)和止點(diǎn)的絕對(duì)值。另外，每個(gè)數(shù)據(jù)采集器上都有4個(gè)通道，可以同時(shí)連接4個(gè)傳感器。這意味著實(shí)驗(yàn)過程中還可以同時(shí)測(cè)定多個(gè)生理指標(biāo)，減小實(shí)驗(yàn)誤差，提高實(shí)驗(yàn)效率，還能確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.3 其他因素的探究

本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量的為凈光合作用強(qiáng)度值，有時(shí)間可以結(jié)合二氧化碳傳感器和溫度傳感器，繼續(xù)探究二氧化碳濃度、溫度對(duì)光合作用強(qiáng)度，甚至對(duì)呼吸作用強(qiáng)度的影響，延伸實(shí)驗(yàn)的深度和廣度。

教師需要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，充分利用學(xué)校的教學(xué)資源，讓信息技術(shù)與生物學(xué)科有效結(jié)合，不斷思考和創(chuàng)新，才能提高學(xué)生學(xué)科實(shí)踐能力。綜上，傳感器為生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)的拓展和探究打開了一扇窗。