利用傳感器探究“影響光合作用和呼吸作用的因素”的實驗設(shè)計

徐力

摘要：以探究“影響光合作用和呼吸作用的因素”實驗為例，介紹了基于傳感器的數(shù)字化實驗在初中生物實驗教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：傳感器，實驗教學(xué)，光合作用，呼吸作用

中圖分類號Q-337文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

“光合作用”和“呼吸作用”是七年級生物教學(xué)中的兩個重要概念，探究影響光合作用和呼吸作用的因素是在學(xué)完光合作用和呼吸作用的概念之后進(jìn)一步深化概念的過程。實驗可以幫助學(xué)生在理解影響光合作用和呼吸作用的因素的基礎(chǔ)上，將光合作用和呼吸作用的原理應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。關(guān)注相關(guān)的知識在生活、生產(chǎn)上的應(yīng)用，不僅可以提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)，還可以培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感。傳統(tǒng)的實驗具有一定的局限性，并且往往是定性實驗，并不能精確地反應(yīng)出光合作用和呼吸作用速率的變化。教師將傳感器應(yīng)用到探究實驗中，可以精確地測出光合作用釋放的O₂含量及呼吸作用釋放的CO₂含量，將定性實驗轉(zhuǎn)變?yōu)槎繉嶒?，使得實驗的結(jié)果更加準(zhǔn)確，更具有說服力。

1 利用傳感器探究“光照強(qiáng)度對植物光合作用的影響”

1.1 實驗設(shè)計背景

在學(xué)習(xí)光照強(qiáng)度對光合作用的影響時，教師往往是直接告知學(xué)生或者出示一些資料讓學(xué)生了解光照強(qiáng)度對光合作用是有影響的。學(xué)生無法通過真實的數(shù)據(jù)直觀感受，也無法發(fā)展科學(xué)思維。在之前的實驗設(shè)計中，筆者曾使用金魚藻為探究材料，用燒杯和試管組裝裝置，通過改變燈與燒杯間的距離，分別測金魚藻一定時間內(nèi)放出的氣泡數(shù)。但是該實驗操作起來復(fù)雜，氣泡的計數(shù)容易受到人為影響，實驗并不能很精確地說明問題。因此，教師可以借助傳感器設(shè)備來設(shè)計實驗，讓學(xué)生探究光照強(qiáng)度對光合作用的影響。

1.2 實驗材料

塑料箱、天竺葵（喜光植物）、LED燈帶、凡士林（用于密封處理）、碳酸氫鈉溶液（用于維持箱內(nèi)CO₂含量的相對穩(wěn)定）、氧氣傳感器、光照強(qiáng)度傳感器。

1.3 實驗過程

將LED燈帶圍繞塑料箱內(nèi)部上方一圈。在塑料箱中放入天竺葵和裝有一定量碳酸氫鈉溶液的燒杯，將光照強(qiáng)度傳感器和氧氣傳感器的探頭放入塑料箱中。然后，將兩個傳感器與數(shù)據(jù)采集器和計算機(jī)相連。先測定室內(nèi)自然光照下光合作用的速率，采集數(shù)據(jù)后，打開LED燈帶，重復(fù)以上實驗過程，記錄打開照明燈后采集的實驗數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析。

1.4 實驗結(jié)果

學(xué)生測定了一定時間內(nèi)在室內(nèi)自然光和打開照明燈兩種不同的光照處理下，天竺葵光合作用釋放O₂的量，并且將實驗數(shù)據(jù)匯總處理（表1）。

1.5 試驗分析

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，光照強(qiáng)度增加后，O₂的濃度增加，光合作用的強(qiáng)度也增加。同時，光照的時間也會影響光合作用，一定時間內(nèi)，隨著光照時間增加，光合作用強(qiáng)度也會增加.但光照強(qiáng)度會限制光合作用的強(qiáng)度，因此在100min后，光合作用強(qiáng)度幾乎不再變化。當(dāng)增加光照強(qiáng)度之后，會發(fā)現(xiàn)O₂濃度再次增加。通過數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)可以測量到具體的光照強(qiáng)度，并可以監(jiān)測到一定時間內(nèi)O₂濃度的變化。

通過列表，可以很直觀地看出光照強(qiáng)度對于光合作用強(qiáng)度的影響，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)不同光照強(qiáng)度下O₂的釋放量是不同的。由此，教師可引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：光照強(qiáng)度是影響光合作用的重要因素，在一定范圍內(nèi)，光照強(qiáng)度越強(qiáng)，光合作用的速率越快。該實驗設(shè)計結(jié)合了現(xiàn)代化的數(shù)字設(shè)備，也體現(xiàn)了信息技術(shù)和生物學(xué)科的融合。學(xué)生通過探究不僅可以理解光合作用這個重要概念的內(nèi)涵，也可以掌握光合作用的原理在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用。

2 利用傳感器探究“溫度對植物呼吸作用的影響”

2.1 實驗設(shè)計背景

CO₂是植物細(xì)胞呼吸作用的產(chǎn)物之一，教師往往通過CO₂釋放的多少來展示細(xì)胞呼吸作用的強(qiáng)弱。傳統(tǒng)的實驗往往是將不同溫度下植物細(xì)胞呼吸作用產(chǎn)生的CO₂通入澄清石灰水，通過對比澄清石灰水的渾濁程度來對比呼吸作用的強(qiáng)度。但這樣操作時，往往會出現(xiàn)各種各樣的問題，如塑料袋的密封性可能會影響實驗效果，澄清石灰水的質(zhì)量也會影響渾濁程度的變化。而對于不同溫度下植物細(xì)胞通過呼吸作用究竟釋放了多少CO₂，學(xué)生并不清楚。因此，在探究溫度對植物呼吸作用的影響時，教師可以借助CO₂傳感器，設(shè)計探究實驗的裝置，精確測量實驗數(shù)據(jù)，得到科學(xué)準(zhǔn)確的實驗結(jié)果。

2.2 實驗材料

帶孔的塑料容器、CO₂傳感器、黑色塑料袋、新鮮青菜。

2.3實驗過程

在塑料容器中裝入一定量新鮮的青菜，將CO₂傳感器的探頭插入塑料容器中，將該裝置密封，并且用黑色塑料袋遮蓋容器，避免青菜進(jìn)行光合作用。按照此方法設(shè)置A、B兩組裝置。注意A、B兩組裝置中青菜的質(zhì)量要基本相等。

教師引導(dǎo)學(xué)生將兩組裝置分別置于不同溫度的環(huán)境中，如一組置于室溫下，一組置于空調(diào)環(huán)境溫度下。先利用CO₂傳感器測量到起始狀態(tài)裝置內(nèi)CO₂濃度，然后再測得一段時間后裝置內(nèi)CO₂濃度。接著，計算CO₂濃度的變化值，比較不同溫度下CO₂釋放量的不同，得出結(jié)論。教學(xué)中，學(xué)生可分多個小組進(jìn)行測量，使結(jié)果更加精確。

2.4 實驗結(jié)果

表2是小組學(xué)生測得的一次實驗結(jié)果。

2.5 實驗分析

根據(jù)表中的數(shù)據(jù)可以分析得知，在22.3℃的環(huán)境下，青菜細(xì)胞呼吸作用3h共釋放CO₂為4405ppm;在10.1℃的環(huán)境下，青菜細(xì)胞呼吸作用3h共釋放CO₂為3046ppm。教師利用這樣的教具進(jìn)行教學(xué)，減少了實驗的人為干擾，提高了學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)處理的能力和數(shù)據(jù)分析的理性思維。學(xué)生可以得到結(jié)論：在一定條件下，溫度越高，植物的呼吸作用越強(qiáng)。學(xué)生會加深對“呼吸作用”這個概念的理解，明確呼吸作用的條件和產(chǎn)物，掌握光合作用和呼吸作用聯(lián)系與區(qū)別，并能將呼吸作用的原理運用到生產(chǎn)實踐中。

3 總結(jié)

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息轉(zhuǎn)換成所需形式輸出，以滿足顯示、記錄等要求。目前，傳感器應(yīng)用于初中生物課堂探究實驗的案例還不是很多，相比于傳統(tǒng)的探究實驗，利用傳感器進(jìn)行生物實驗探究可以得到更加精確的數(shù)據(jù)，通過對圖表的繪制，也能夠更直觀地顯示實驗結(jié)果，幫助學(xué)生得出實驗結(jié)論。學(xué)生在對數(shù)據(jù)的處理和分析中，也提高了自己的思維能力。