巧用溶解氧傳感器探究“光強對光合作用強度的影響”

禹萍 袁曉娟

摘要：基于“數(shù)好”數(shù)字化實驗室中相關(guān)設(shè)備優(yōu)勢，利用“溶解氧傳感器”探究黑藻在不同光照強度下的光合作用強度影響實驗。將教材實驗從“定性”描述提升到“定量”分析，不僅節(jié)省時間還提高了學(xué)生數(shù)據(jù)分析能力和科學(xué)思維、科學(xué)探究能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實驗;溶解氧傳感器;光照強度;光合作用

中圖分類號：G633.91 文獻標(biāo)志碼：B

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》特別關(guān)注“信息化環(huán)境下的教學(xué)改革”。雖然沒有直接出現(xiàn)“數(shù)字化實驗”這樣的表述，但信息化與數(shù)字化密不可分，處處為生物數(shù)字化教學(xué)留下了廣闊的期待空間。相較于傳統(tǒng)生物實驗教學(xué)，數(shù)字化實驗教學(xué)也是在實驗室里完成的真實實驗，區(qū)別為后者是基于傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機、處理軟件等新型設(shè)備，將生物實驗過程中某些特定變化通過一定的數(shù)據(jù)采集將結(jié)果定量地呈現(xiàn)在電腦上，使得原來不方便測量、不能精準(zhǔn)測量甚至無法測量的實驗數(shù)據(jù)都能實時記錄。它能將一些傳統(tǒng)實驗從通過現(xiàn)象“定性”描述提升到通過數(shù)據(jù)曲線“定量”分析，不但提高了學(xué)生數(shù)據(jù)分析和處理的能力，還提升了學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

人教版高中生物必修一第五章第四節(jié)的實驗“探究環(huán)境因素對光合作用強度的影響”所探究的問題對于學(xué)生來說有一定的難度。影響綠色植物的光合作用的因素很多，主要受外界環(huán)境因素（如光強、二氧化碳、溫度等）的影響。如果按照教材中提供的參考方案實施，耗時較長，一般難以在一節(jié)課時間內(nèi)完成探究。為了進一步提高課堂效率，筆者在教材提供的參考方案基礎(chǔ)上，借助學(xué)校配備的數(shù)字化實驗室選取“光照強度”這一環(huán)境因素對本實驗進行改進，取得了很好的效果。

1實驗思路

綠色植物進行光合作用會釋放氧氣。對于水生植物來說，植物釋放的氧氣溶于水，會導(dǎo)致水體溶解氧含量增加。利用溶解氧傳感器可測量水體中溶解氧的變化值，為實驗分析提供精確的數(shù)據(jù)證據(jù)，定量比較不同光照強度下植物光合作用強度，還為引導(dǎo)學(xué)生在課堂中完成探究活動節(jié)省了大量時間。

溶解氧傳感器能精確直接地定量測量。實驗前，要對傳感器進行標(biāo)定，減小誤差。不同傳感器的靈敏度是有差異的，數(shù)據(jù)分析時，教師要引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注該組實驗數(shù)據(jù)的變化量，而非實驗起點值和終點值。光照度傳感器可避免自變量“光照強度”用“強光、中光、弱光”這種模糊的界定，使之精確到具體光強數(shù)值。測定光照強度時，將傳感器的前端對準(zhǔn)光源，減小誤差。

相對于白熾燈，光照培養(yǎng)箱的LED光源亮度高，散熱量少，極大地減少溫度對實驗的影響。LED可以點陣式排列在培養(yǎng)箱底部，使植物受光更充分均勻。因本實驗選用的是溶解氧傳感器，故要選擇初始溶氧量低的水體培養(yǎng)植物。原因是當(dāng)水體溶解氧過于飽和時，易形成氣泡，產(chǎn)生實驗誤差。預(yù)實驗時，用溶解氧傳感器測量幾種水樣的溶解氧含量，發(fā)現(xiàn)選取清晨的湖水進行實驗效果更好。

2實驗材料與儀器藥品

數(shù)字化實驗儀器：溶解氧傳感器、光照度傳感器。

實驗材料用具：光照培養(yǎng)箱（LED燈）、量筒、燒杯（250mL）、天平、鑷子、量筒（100mL）、玻璃棒、NaHC03溶液、黑藻、清晨的湖水等。

3實驗改進

3.1實驗步驟

（1）溶液配制：用清晨的湖水配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的NaHC03溶液，在5個250mL的燒杯中均加入100mL溶液，分別標(biāo)號。

（2）黑藻處理：選取生長旺盛的黑藻，剪取頂端10節(jié)，瀝水后稱重，將1～4號燒杯中分別加入2g黑藻。5號燒杯不放黑藻，起空白對照作用。

（3）連接裝置：連接好實驗裝置，進入“數(shù)好”V2.0系統(tǒng)，點擊“通用軟件”，系統(tǒng)自動識別所介入的傳感器，設(shè)置參數(shù)采集數(shù)據(jù)。

（4）光照強度設(shè)定：調(diào)節(jié)1、2、3號裝置距LED燈的距離和強度，控制光照強度。借助光照度傳感器檢測光照強度值分別為18369Lx、11642Lx、2371Lx。將4號、5號裝置放在黑暗條件下。

（5）測定數(shù)據(jù)：點擊“開始實驗”，用溶解氧傳感器測定每個裝置中的溶解氧濃度，計算機自動記錄實驗數(shù)據(jù)（圖1）。在圖1中，在900～2200s這段時間內(nèi)，自上而下的曲線依次為光照強度為18369Lx的1號、光照強度為11642Lx的2號、光照強度為2371Lx的3號，黑暗條件下5號和4號的溶解氧濃度變化值。

3.2實驗結(jié)果與分析

對實驗數(shù)據(jù)的分析至關(guān)重要，教師要引導(dǎo)學(xué)生對計算機記錄的實驗數(shù)據(jù)進行識別、比較后合理的篩選。據(jù)圖1，在0～900s這段時間內(nèi)，不同的光照強度對5組裝置的溶解氧含量變化影響不大。學(xué)生查閱相關(guān)資料后，分析原因可能是黑藻在實驗初期還處于光適應(yīng)狀態(tài)，此段實驗數(shù)據(jù)要舍去。而在1600s后，學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)1號裝置中黑藻表面陸續(xù)有明顯氣泡產(chǎn)生。分析原因可能是水體溶解氧濃度達(dá)到飽和，會造成實驗誤差，此段實驗數(shù)據(jù)也要舍去。最終學(xué)生選取了900～1600s這段時間內(nèi)實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、處理、討論（表1）。

實驗表明，在900～1600s這段時間內(nèi)，隨著光照強度增大，水體中的溶解氧增加量越大。說明在一定范圍內(nèi)，植物光合作用強度隨著光照強度增加而增加。且通過4號、5號的實驗設(shè)置更加深了學(xué)生對光合作用理解，還能親身感受科學(xué)研究的嚴(yán)謹(jǐn)性。

4實驗拓展

溶解氧傳感器法除了能探究“光照強度”這一因素外，還可探究二氧化碳濃度（配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、0.5%、1%、1.5%的NaHCO3溶液）、不同光質(zhì)（用透明、紅色、藍(lán)色、綠色的玻璃紙蓋在LED燈上）、溫度（將裝置分別置于0℃冰浴、22℃常溫水浴和37℃高溫水?。┑拳h(huán)境因素對光合作用強度的影響。

綜上，利用數(shù)字化實驗室中的傳感器等設(shè)備能準(zhǔn)確靈敏地捕獲實驗過程的微小變化，大大節(jié)約了實驗時間，輕松解決了傳統(tǒng)實驗方法無法在課堂有限的時間中完整開展“探究環(huán)境因素對光合作用強度的影響”的難題，使實驗操作簡單化、實驗過程高效化、實驗結(jié)果定量化。學(xué)生在實驗過程中，鍛煉實踐操作技能，提升數(shù)據(jù)分析能力，體驗科學(xué)探究過程，培養(yǎng)科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。