基于傳感器技術(shù)的“植物的呼吸”實(shí)驗(yàn)教學(xué)

袁 誼 劉?；?/p>

（北京市高井中學(xué) 北京 100041）

“植物的呼吸”為北京版7年級下冊生物學(xué)教材第6 章“生物的呼吸”中的內(nèi)容。 《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》要求描述綠色植物的呼吸作用，教學(xué)中需要幫助學(xué)生形成的重要概念是： 在生物體內(nèi)，細(xì)胞能通過分解糖類等獲得能量，同時生成二氧化碳和水。 通過前概念［1］調(diào)查發(fā)現(xiàn)學(xué)生主要存在以下幾個錯誤的認(rèn)識：①植物的呼吸是吸收二氧化碳和釋放氧氣的過程；②植物呼吸的器官是葉；③植物白天進(jìn)行光合作用，晚上進(jìn)行呼吸作用。為幫助學(xué)生建立科學(xué)概念，教學(xué)中對教材內(nèi)容進(jìn)行開發(fā)和拓展，組織生物學(xué)探究小組的學(xué)生應(yīng)用傳感器開展實(shí)驗(yàn)活動，對植物的呼吸進(jìn)行定量分析，為本節(jié)課概念的形成提供數(shù)據(jù)支持。

1 驗(yàn)證萌發(fā)種子的呼吸

1.1 設(shè)計(jì)思路 課堂教學(xué)中，學(xué)生通過教材上的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對植物的呼吸現(xiàn)象有了定性的觀察，掌握了檢驗(yàn)氧氣和二氧化碳的實(shí)驗(yàn)方法。 使用傳感器技術(shù)可以記錄植物呼吸過程中氣體含量的動態(tài)變化，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用于課堂教學(xué)，有助于學(xué)生形成重要概念，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理和分析能力。

1.2 實(shí)驗(yàn)器材 朗威DISLab7.0 數(shù)據(jù)采集器、氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、250 mL 廣口瓶、橡皮塞、醫(yī)用三通管、電動橡膠塞打孔器、托盤天平、萌發(fā)的黃豆種子、自來水等。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

1.3.1 實(shí)驗(yàn)材料的處理 用托盤天平稱取10 g（約16 粒）萌發(fā)的黃豆種子，均勻置于250 mL 廣口瓶中，使每顆萌發(fā)的種子周圍有足夠的空間。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)裝置的連接 將廣口瓶的橡皮塞用電動橡膠塞打孔器加工成與氧氣傳感器探頭和醫(yī)用三通管（可連通二氧化碳傳感器的2 個軟管）緊密匹配的裝置，如圖1 所示。再將傳感器通過數(shù)據(jù)采集器與電腦相連，進(jìn)入V7.1 實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)。 點(diǎn)擊“通用軟件”，系統(tǒng)自動識別所接入的傳感器，并顯示廣口瓶內(nèi)的氧氣與二氧化碳的含量。

1.3.3 實(shí)驗(yàn)圖線的采集 點(diǎn)擊“組合圖線”，分別添加“氧氣含量-時間”和“二氧化碳含量-時間”圖線，表示萌發(fā)的黃豆種子呼吸過程中廣口瓶內(nèi)氧氣和二氧化碳含量的變化。 通過“圖線控制”設(shè)置合適的坐標(biāo)軸間距，便于長時間觀察記錄。

1.3.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄 打開“計(jì)算表格”，選用自動記錄，設(shè)定記數(shù)時間間隔為60 s，同步記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，連續(xù)采集6 h。 實(shí)驗(yàn)操作界面如圖2 所示。

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 本次實(shí)驗(yàn)的環(huán)境溫度為20℃，在記錄的6 h 之內(nèi)，廣口瓶中的氧氣含量隨著時間的增加逐漸降低，由初始值20.6%降低到19.9%；二氧化碳含量隨時間的增加逐漸升高，由初始值1 166×10-6升高到2 158×10-6。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了萌發(fā)種子在呼吸時消耗氧氣，呼出二氧化碳。 同時，學(xué)生發(fā)現(xiàn)氧氣含量與二氧化碳含量的變化并不是勻速的，而是一個不斷變化的過程，這是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中無法觀察到的現(xiàn)象。

針對學(xué)生課前錯誤的認(rèn)識，教師指導(dǎo)感興趣的學(xué)生在課后選擇新鮮的葉片（遮光處理）、馬鈴薯塊等作為實(shí)驗(yàn)材料，按照上述方法進(jìn)行長時間的觀察記錄，驗(yàn)證了植物的各器官在白天和夜晚都要進(jìn)行呼吸作用，從而消除錯誤的概念，建立植物呼吸的科學(xué)概念。聯(lián)系實(shí)際生活，學(xué)生能對臥室不易擺放過多植物作出合理解釋，用科學(xué)知識指導(dǎo)生活實(shí)踐。

2 探究溫度對萌發(fā)種子呼吸作用的影響

2.1 設(shè)計(jì)思路 教材中指出無論是動物還是植物，呼吸作用都要受到環(huán)境條件的影響。 影響呼吸作用的環(huán)境條件主要有溫度、水及氧氣和二氧化碳的濃度等。一般來說，在一定的溫度范圍內(nèi)，溫度升高，呼吸作用就會加強(qiáng)；溫度降低，呼吸作用就會減弱。 對于這部分內(nèi)容的教學(xué)，通常采用資料分析的方式幫助學(xué)生理解，對學(xué)生而言比較抽象。 筆者嘗試將不同溫度下萌發(fā)種子產(chǎn)生的二氧化碳分別通入澄清的石灰水中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象的差異并不顯著，而傳感器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能精確記錄數(shù)字微小的變化，為該實(shí)驗(yàn)的探究提供了有利的技術(shù)支持。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備條件，向?qū)W生提供恒溫水浴鍋等器材，將學(xué)生分成3 個小組，采用與“實(shí)驗(yàn)1”相同的實(shí)驗(yàn)方法，在同一時間內(nèi)記錄萌發(fā)的種子在室溫20℃、水浴30℃和水浴40℃條件下二氧化碳的釋放量，記錄時間設(shè)定為30 min。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程 匯總這3 組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在記錄的30 min 之內(nèi)，每隔1 min 取二氧化碳含量的增加值，指導(dǎo)學(xué)生用Excel 作統(tǒng)計(jì)分析，比較在不同溫度下二氧化碳單位時間的釋放量，即呼吸速率［2］。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 數(shù)據(jù)分析如圖3 所示。在記錄的30 min 之內(nèi)，在環(huán)境溫度20℃、水浴30℃和水浴40℃條件下，萌發(fā)的黃豆種子呼吸釋放的二氧化碳量分別為252×10-6、467×10-6和1 553×10-6。 其中，在水浴40℃條件下，從第2 min 之后，二氧化碳的釋放速率很明顯高于其他的溫度條件。 由此得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在實(shí)驗(yàn)的溫度范圍內(nèi)，萌發(fā)種子的呼吸作用隨溫度的升高而加強(qiáng)。

筆者將該實(shí)驗(yàn)結(jié)果運(yùn)用于“環(huán)境條件對呼吸作用的影響”課堂教學(xué)中，由探究小組的學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖，豐富了課堂內(nèi)容，也鍛煉了學(xué)生統(tǒng)計(jì)分析、語言表達(dá)與交流等能力。

3 反思與討論

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果對課堂教學(xué)起了有效的輔助作用，拓展了學(xué)生認(rèn)知的廣度和深度。然而學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程并不是一帆風(fēng)順，通過查閱文獻(xiàn)和反復(fù)修改實(shí)驗(yàn)方案總結(jié)出以下注意事項(xiàng)：

①分組實(shí)驗(yàn)時，基于傳感器電子元件的靈敏度，為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有科學(xué)性，應(yīng)取氣體含量的變化值做橫向比較［3］；

②選取少量的實(shí)驗(yàn)材料，使密封瓶內(nèi)有足夠的氧氣，避免長時間記錄時二氧化碳含量過高抑制呼 吸作用［4］；

③在實(shí)驗(yàn)2 中，選用40℃及以上溫度時，如果進(jìn)行長期記錄，數(shù)據(jù)和圖線波形比較不穩(wěn)定，可能是在較高的溫度下種子呼吸作用較強(qiáng)，持續(xù)產(chǎn)生了大量的水分，水蒸氣影響了廣口瓶中氣體的比例［5］。 因此選擇了前半個小時穩(wěn)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，或者在呼吸瓶與傳感器之間連接干燥瓶進(jìn)行改進(jìn)。

由此可見，傳感器實(shí)驗(yàn)技術(shù)為初中生物學(xué)教學(xué)提供了先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段，提高了實(shí)驗(yàn)效率，增加了實(shí)驗(yàn)的精確度，也解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中無法解決的問題。 在教學(xué)中合理使用傳感器可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生的思維，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，有助于學(xué)生生物科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成。