傳感器在初中植物呼吸作用實驗教學中的應用

谷 青

(江蘇省常熟實驗中學 常熟 215500)

蘇科版七年級生物學上冊第3單元第7章“能量的釋放和利用”一課中利用O2的助燃性和CO2使澄清石灰水變渾濁的特性，通過兩個傳統(tǒng)實驗來突破重難點，讓學生通過實驗現(xiàn)象的觀察最后總結出植物呼吸作用的實質(zhì)。教材中的傳統(tǒng)實驗方法只能夠定性檢測植物呼吸作用后氣體變化的最終結果，而對于植物呼吸作用過程中氣體的變化過程無法得知。利用傳感器和計算機組成的數(shù)字化實驗系統(tǒng)實時監(jiān)測植物呼吸過程中各指標的變化，顛覆傳統(tǒng)的教學思路，成為實驗教學的一種新手段[1]。

1 背景分析

1.1 教學背景 教材中“植物呼吸過程產(chǎn)生CO2”這一實驗將等量的新鮮菠菜和燙過的菠菜分別放入兩個密封完好的黑色塑料袋中，將軟管一端插入袋口并系緊，用止水夾夾緊另一端，放置24 h。學生實驗時，分別使每一袋蔬菜的軟管插入澄清石灰水中，松開止水夾，輕輕擠壓塑料袋，通過觀察石灰水的渾濁程度來判斷CO2的釋放量?！爸参锖粑饔孟腛2”實驗中，將等量的新鮮菠菜和燙過的菠菜放入兩個廣口瓶。將其放在溫暖的地方，封閉、遮光處理24 h，學生分別將點燃的蠟燭迅速伸入甲、乙兩瓶中，觀察蠟燭的燃燒情況。

這兩個實驗涉及的材料較多，準備時間較長。裝置的密閉性和澄清石灰水的質(zhì)量都會對實驗結果造成一定影響。且CO2的釋放量和O2消耗量都要達到一定程度才能觀察到明顯的實驗現(xiàn)象，使得實驗的實施有很大的局限性[2]。實驗結果只能呈現(xiàn)最終時刻CO2和O2的有無，無法對這段時間內(nèi)氣體的變化過程做實時監(jiān)測。且教材中重點對呼吸作用消耗O2釋放CO2這兩個結論進行了實驗驗證，而學生通過這兩個實驗并不能得出呼吸作用產(chǎn)生水、釋放能量的結論。如果利用溫度和濕度傳感器就可以檢測出植物呼吸作用過程中溫度和濕度的變化，通過直觀的實驗數(shù)據(jù)來得出結論，能使學生更深刻地理解呼吸作用的實質(zhì)。

1.2 生物傳感器 結合計算機與傳感器的數(shù)字化實驗系統(tǒng)進入中學生物學實驗室，這是信息技術與生物學課程相整合的突破口和教育手段現(xiàn)代化的標志[3]。通過pH、 O2、 CO2等傳感器測量實驗數(shù)據(jù)，利用計算機強大的數(shù)據(jù)處理功能繪制曲線，通過數(shù)字和圖表等直觀數(shù)據(jù)的分析來準確反映定量實驗的結果[4]。這一方法將復雜實驗簡單化，有效地縮短了實驗時間，同時在極短的時間內(nèi)大量采集并處理實驗數(shù)據(jù)，確保實驗結果的可靠性。傳統(tǒng)實驗得到的數(shù)據(jù)只是某個時刻的，而傳感器可以在一段時間內(nèi)不間斷地采集數(shù)據(jù)，具有持續(xù)性。通過這些連續(xù)的數(shù)據(jù)就可以展示出實驗中某個指標的動態(tài)變化。例如，植物的呼吸作用過程中，利用傳感器檢測就可以看出CO2或O2的含量在24 h中的變化過程[5]，有助于更好地分析實驗，根據(jù)實驗現(xiàn)象來反思原理、歸納總結。同時利用現(xiàn)代化實驗技術，使得枯燥的實驗過程變得有趣，學生樂于參與其中，改變以往被動按部就班做實驗的狀態(tài)，真正實現(xiàn)學生的主動探究，有利于提高實驗教學效率，培養(yǎng)學生的主動探索、自主探究的創(chuàng)新能力。

2 實驗設計與實施

2.1 實驗設備與材料 器材： 帶USB接口的計算機，數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)線，CO2傳感器，O2傳感器，溫度傳感器，濕度傳感器，密封罐，密封蓋，橡膠塞。材料： 菠菜。

2.2 實驗步驟 具體包括以下三個步驟：

(1) 材料處理 選取等量的生長狀況相似的菠菜兩份。其中一份新鮮菠菜為實驗組，另一份菠菜用開水燙過為對照組。分別放入兩個密封罐中，蓋好密封蓋，在密封罐外套上黑色塑料袋，營造黑暗環(huán)境，并將密封罐保溫。

(2) 連接裝置 按照實驗裝置圖(圖1)連接好實驗裝置。將CO2傳感器、O2傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器的探頭通過橡膠塞與密封蓋連接，蓋上密封蓋，調(diào)節(jié)探頭高度。各傳感器與采集器相連，采集器與電腦相連。

(3) 采集數(shù)據(jù) 打開實驗系統(tǒng)軟件Dis，選擇“教材通用軟件”，進入實驗平臺，選擇相應的模板和曲線建立CO2—時間、O2—時間、溫度—時間、濕度—時間等坐標關系，設置采集時間為24 h，采集間隔為20 s。

圖1 實驗器材連接裝置圖

2.3 結果與討論 具體如下：

2.3.1 呼吸作用中CO2的變化 黑暗處理24 h，實驗組和對照組的CO2變化情況如圖2所示。從圖中曲線可以看出用開水燙過的菠菜在24 h內(nèi)CO2值基本維持不變，說明燙過的菠菜沒有進行呼吸作用產(chǎn)生CO2，而實驗組中新鮮的菠菜內(nèi)CO2濃度從初始值1 640 ppm上升到29 502 ppm，證明新鮮菠菜在進行呼吸作用并釋放出大量的CO2。對實驗數(shù)據(jù)進一步分析可以看出，實驗組的CO2含量在0～11 h內(nèi)上升較快，11 h之后上升速度較慢并逐漸趨于平緩。推測出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是植物剛開始呼吸作用是體內(nèi)有機物豐富、密閉容器中O2含量較多，呼吸作用旺盛。隨著時間的延長，密閉罐中O2量的下降以及植物體內(nèi)有機物的消耗導致了植物呼吸作用速率越來越慢。

圖2 呼吸作用中CO2變化曲線

2.3.2 呼吸作用中O2的變化裝置黑暗處理24 h，實驗組和對照組內(nèi)O2變化情況如圖3所示。燙過菠菜在24 h內(nèi)O2含量基本保持不變，而新鮮的菠菜在24 h內(nèi)O2含量從17.6%下降到15%，證明在此期間新鮮的菠菜消耗了大量O2。在11 h內(nèi)O2百分比減少較多，可以看出這段時間內(nèi)植物呼吸作用旺盛，11 h之后O2的下降速率有所減緩，這一數(shù)據(jù)結果與CO2變化情況一致。在前11 h內(nèi)，新鮮菠菜呼吸作用旺盛，消耗大量的O2，釋放大量CO2，因此該階段O2的減少和CO2的增加比較明顯。11 h之后由于植物體內(nèi)有機物被大量消耗，植物的呼吸作用明顯減弱，O2的減少與CO2的增加均趨于平緩。

圖3 呼吸作用中O2變化曲線

2.3.3 呼吸作用中溫度的變化 24 h后得到兩組實驗中溫度隨時間變化的曲線圖(圖4)。實驗組與對照組的初始溫度均為19℃左右(與室溫接近)，24 h后對照組內(nèi)的溫度基本保持不變，實驗組由最初的18.9℃上升到24.5℃。實驗組內(nèi)的溫度上升較明顯，可以看出新鮮的菠菜進行了呼吸作用釋放大量的能量，其中一大部分能量以熱能的形式散發(fā)出來，使得瓶內(nèi)溫度升高。并且在0～11 h這段時間由于植物呼吸作用比較旺盛，釋放的能量較多，瓶內(nèi)溫度升高較快。在11 h之后，由于植物呼吸作用減弱，能量釋放的較少，瓶內(nèi)溫度上升緩慢，趨于平穩(wěn)。

圖4 呼吸作用中溫度變化曲線

2.3.4 呼吸作用中濕度的變化 實驗24 h后可以明顯地看到實驗組的瓶壁內(nèi)側(cè)有大量的水珠產(chǎn)生，而對照組瓶內(nèi)沒有觀察到水珠。兩瓶內(nèi)濕度的變化如圖5所示，對照組的濕度始終維持在70%左右不變，實驗組從初始值80%上升到最終的96.5%，明顯看出實驗組內(nèi)濕度在不斷地升高，這一結論與實驗組能夠觀察到水珠是一致的。對濕度曲線圖進一步分析可以看出，實驗組在前11 h內(nèi)濕度增加比較明顯，再一次證明了這段時間內(nèi)植物的呼吸作用旺盛。

圖5 呼吸作用中相對濕度變化曲線

設計意圖： 學生在一段時間內(nèi)通過對新鮮菠菜以及燙過的菠菜中CO2、 O2、溫度、濕度的變化進行監(jiān)測，從曲線圖變化趨勢的分析上可以很容易得出呼吸作用消耗O2產(chǎn)生CO2并釋放能量這一實質(zhì)。教師再適當引導學生理解能量儲存在有機物中，最后由學生歸納出呼吸作用的過程。

3 檢測不同植物的呼吸作用(拓展)

3.1 實驗設備與材料 器材： 帶USB接口的計算機，數(shù)據(jù)采集器,數(shù)據(jù)線，CO2傳感器，密封罐，密封蓋，橡膠塞。材料： 花菜，豆角，萌發(fā)的黃豆，蘿卜，芹菜。

3.2 實驗步驟 具體分以下三個步驟：

(1) 材料處理 選取等量花菜、豆角、萌發(fā)的黃豆、蘿卜、芹菜分別放入不同的密閉罐中，蓋好密封蓋，在密閉罐外套上黑色塑料袋，營造黑暗環(huán)境。

(2) 連接裝置 將CO2傳感器的探頭通過橡膠塞與密封蓋連接，蓋上密封蓋，調(diào)節(jié)探頭高度。CO2傳感器與采集器相連，采集器與電腦相連。

(3) 采集數(shù)據(jù) 打開實驗系統(tǒng)軟件Dis，選擇“教材通用軟件”，進入實驗平臺，選擇相應的模板和曲線建立“CO2—時間”坐標關系，設置采集時間為10 min，采集間隔為100 ms。

3.3 實驗結果 經(jīng)過菠菜的呼吸作用檢測發(fā)現(xiàn)，短時間內(nèi)植物在呼吸過程中CO2含量變化最為明顯。因此進一步用CO2傳感器對花菜、豆角、萌發(fā)的黃豆、蘿卜、芹菜等不同植物材料在10 min內(nèi)CO2含量的變化做檢測。

實驗發(fā)現(xiàn)： 幾種材料在連接裝置后CO2含量升高均較為明顯且上升速率較高，花菜從初始值1 000 ppm上升到1 822 ppm，豆角從初始值1 116 ppm上升到2 986 ppm，萌發(fā)的黃豆從初始值1 354 ppm上升到2 514 ppm，蘿卜從初始值996 ppm上升到1 327 ppm，芹菜從初始值800 ppm上升到1 565 ppm。可以看出植物的不同部位均能夠進行呼吸作用。

設計意圖： 以往的教學中，呼吸作用的場所是一個難點，學生很容易認為植物的呼吸作用跟光合作用一樣發(fā)生在葉綠體，通過CO2傳感器對不同植物材料的測定，學生通過數(shù)據(jù)很容易就得出植物的各個器官都可以進行呼吸作用這一結論。整個實驗操作簡單快捷，現(xiàn)象明顯，學生也印象深刻。同時這個實驗之后可以進一步提出問題讓學生探究： 植物的哪些部位呼吸作用旺盛？