用氧氣傳感器進(jìn)行光合作用實驗教學(xué)的探索

李樂峰　丁元元

摘 要 用氧氣傳感器進(jìn)行實驗，直觀地觀察到單位時間產(chǎn)生氧氣量。通過控制外界條件的變化，結(jié)合氧氣含量的變化值，探究光合作用的影響因素。不僅節(jié)約了課堂的有限時間，對于樹立學(xué)生的實證意識，體驗科學(xué)探究的樂趣，構(gòu)建光合作用的概念都有重要作用。

關(guān)鍵詞 義務(wù)教育 光合作用 氧氣傳感器

中圖分類號 G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

綠色植物的“光合作用”是生物學(xué)中的重要概念，義務(wù)教育教材選用多個驗證性實驗（驗證綠葉在光下合成淀粉、檢驗光合作用釋放氧氣、檢驗光合作用需要二氧化碳、研究不同光譜成分對植物生活的影響等），意在引導(dǎo)學(xué)生通過分析和判斷實驗獲得的證據(jù)、數(shù)據(jù)，讓學(xué)生自我建構(gòu)“光合作用”這一重要概念。實踐證明，使用氧氣傳感器對本節(jié)實驗教學(xué)有很好的輔助作用。

1 使用氧氣傳感器進(jìn)行實驗教學(xué)的思路

現(xiàn)行義務(wù)教育生物教材，大多利用“檢驗不同情況下天竺葵葉片中能否生成淀粉”，分別說明光合作用的原料、條件及影響因素。如利用“天竺葵在無二氧化碳條件下無法合成淀粉”，證明二氧化碳是光合作用的原料。淀粉存在于植物體中，檢驗其存在，要經(jīng)過多個步驟，耗時較長，受每周課時量的影響，很多前期工作必須安排在課外完成。尤其是光合作用影響因素的探究，使用定量檢驗淀粉的方式更無法完成。學(xué)生不能當(dāng)堂看到實驗結(jié)果，或?qū)嶒炦^程的連貫性不夠，成果呈現(xiàn)滯后。光合作用的另一產(chǎn)物是氧氣。用水草做材料時，學(xué)生能夠看到氣泡的冒出，采用計數(shù)單位時間氣泡數(shù)目的方式，判斷光合作用強(qiáng)度，結(jié)果很不準(zhǔn)確。

氧氣傳感器能實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化，通過檢測不同情況下（如缺少二氧化碳、無光、改變光強(qiáng)或光質(zhì)等），水草釋放氧氣的相對量，為探究光合作用原料、條件及影響因素等方面，提供實證數(shù)據(jù)。

2 實驗準(zhǔn)備

2.1 實驗裝置

（1） 一套氧氣傳感器設(shè)備包括氧氣傳感器探頭、數(shù)據(jù)采集器、電腦等構(gòu)成。

（2） 容器的選擇：根據(jù)氧氣傳感器探頭直徑的尺寸，宜選擇規(guī)格為1 000 mL的細(xì)口瓶。在傳感器探頭外圍，包裹多層保鮮膜，即可用于瓶口密合，而且氣密性好。

（3） 瓶中的水量：細(xì)口瓶中加水以900 mL為宜。水過少，瓶內(nèi)空氣柱高，一定時間內(nèi)水草釋放的氧氣量引起的傳感器示數(shù)變化較小。若加水過多，操作過程中瓶子的晃動水容易濺到傳感器探頭上，影響示數(shù)。

2.2 實驗材料

（1） 水草的種類：因課堂時間有限，選用獲取、養(yǎng)殖方便，宜使用效果明顯且易存活的苲藻。苲藻使用前應(yīng)適當(dāng)清洗，除去其上附著的泥土和其他附著物。

（2） 苲藻的放置量：以規(guī)格為1 000 mL的細(xì)口瓶為例，瓶中苲藻量，以鮮重20 g為宜。苲藻過少，光合作用能力有限，一定時間內(nèi)氧氣釋放量少，傳感器示數(shù)變化小。而苲藻過多，互相遮光，呼吸作用總量增加，會影響實驗效果。

2.3 光源的選擇

（1） 光合作用中的實驗，很多版本的教材都是使用白熾燈。美國科學(xué)發(fā)現(xiàn)者教材中也是通過使用白熾燈控制光照強(qiáng)度，計數(shù)釋放氧氣的氣泡數(shù)，衡量光合速率。

（2） 消除溫度升高的方法：白熾燈在發(fā)光的同時會產(chǎn)生較高的熱量，環(huán)境溫度的升高會影響光合速率。因此，為消除溫度差異對實驗數(shù)據(jù)的影響，可以在細(xì)口瓶前加一個35×25×7 cm的玻璃水槽，其內(nèi)加水，效果明顯。

3 實驗實施

3.1 二氧化碳是光合作用原料的實驗

（1） 碳酸氫鈉溶液濃度的選擇見表1。

由表1可見，碳酸氫鈉溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%，相對較好。

（2） 實驗對照：取兩個細(xì)口瓶，裝等量的新鮮苲藻。一個瓶中加入燒開后密封冷卻的涼開水，在課前短暫照光（約8 min），使瓶內(nèi)保留的空氣柱及水草體內(nèi)因呼吸產(chǎn)生的少量二氧化碳充分消耗掉，保障實驗裝置內(nèi)無二氧化碳；另一個細(xì)口瓶裝入等量的0.1%碳酸氫鈉溶液備用。

（3） 給予光照，同時點擊計時開始。實驗進(jìn)行320 s，氧氣傳感器收集的數(shù)據(jù)，為瓶中氣柱內(nèi)氧氣的百分比含量。收集的數(shù)據(jù)見表2。

由表2可見，碳酸氫鈉溶液可為苲藻提供二氧化碳，涼開水中無二氧化碳，比較照光后兩瓶內(nèi)空氣柱中氧氣含量的變化，碳酸氫鈉瓶中氧氣含量不斷上升，說明光合作用產(chǎn)生了氧氣。涼開水瓶中氧氣含量不變，則可說明：缺少二氧化碳時，光合作用不能進(jìn)行，得出“二氧化碳是光合作用的原料”。

3.2 探究光照強(qiáng)度對光合作用的影響

（1） 光照強(qiáng)度的控制。利用白熾燈，通過改變光源與細(xì)口瓶之間的距離，以調(diào)整光照強(qiáng)度。兩組實驗中，實驗裝置距光源分別是10 cm和30 cm。使用光照強(qiáng)度傳感器，實測光照強(qiáng)度分別為48 750 lx和15 565 lx。

（2） 實驗結(jié)果見表3。

由表3可見，在相同時間內(nèi)，光照強(qiáng)度大，產(chǎn)生的氧氣多，光合作用比較強(qiáng)。

3.3 探究光質(zhì)對光合作用的影響

（1） 分別使用紅色與綠色玻璃紙包裹兩個細(xì)口瓶。

（2） 實驗數(shù)據(jù)收集如表4所示。

由表4數(shù)據(jù)分析可見，苲藻在紅光下光合作用較強(qiáng)，釋放較多氧氣；在綠光下，細(xì)口瓶中的氧氣含量下降，苲藻光合作用小于呼吸作用。

4 對利用氧氣傳感器進(jìn)行光合作用實驗的幾點思考

4.1 利用氧氣傳感器作為測量工具有很大的優(yōu)勢

傳感器靈敏度高，能夠檢測微弱信號的存在，并捕捉到信號的微小變化和瞬間變化，因此大幅度地增加實驗可研究范圍的深度、廣度。使用氧氣傳感器，可在短時間內(nèi)測得水草進(jìn)行光合作用時釋放的氧氣量，解決現(xiàn)有教材中經(jīng)典實驗耗時長、結(jié)果呈現(xiàn)滯后、不能進(jìn)行影響因素探究的問題。且水草進(jìn)行光合作用時釋放的氣泡能看到，能讀到傳感器顯示數(shù)字，可將抽象的“光合作用產(chǎn)生氧氣”直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，對于影響因素的探究也能進(jìn)行定量分析。

氧氣傳感器能實時測量密閉容器內(nèi)氧氣的百分比含量，相應(yīng)軟件可自動記錄實驗時容器內(nèi)氧氣含量的變化數(shù)據(jù)。通過分析實驗組、對照組在實驗前后氧氣含量變化的差異，引導(dǎo)學(xué)生樹立實證意識。傳感器強(qiáng)大的功能對激發(fā)學(xué)生的科學(xué)興趣也能起到積極地效果。由于信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)的深度融合，將傳感器應(yīng)用于課堂教學(xué)實驗的案例會越來越多。

在實驗課上，不同小組可以選做不同的實驗，然后分享實驗的成果，豐富了學(xué)生對光合作用影響因素、原料、產(chǎn)物的認(rèn)識，以大量事實作為支撐的概念教學(xué)真正地落到了實處。

4.2 從不同的角度看待實驗結(jié)果

（1） 課堂上，往往多組實驗同時進(jìn)行，每一組對照實驗就要使用兩個氧氣傳感器探頭，而氧氣傳感器本身的靈敏度是有差異的，因此不同組的數(shù)據(jù)之間會存在差異。實際上，教師只要引導(dǎo)學(xué)生在分析數(shù)據(jù)時，使學(xué)生關(guān)注本組實驗數(shù)據(jù)的“變化量”與實驗條件即可得出科學(xué)結(jié)論。

（2） 實驗材料的選取及實驗持續(xù)的時間差異，對實驗數(shù)據(jù)也有很大影響。如材料是否新鮮，選取苲藻的部位，是否剪斷，照光后記錄數(shù)據(jù)的時間段長短等。這些因素不同，氧氣含量示數(shù)也會有差異。因此在教師引導(dǎo)學(xué)生分析數(shù)據(jù)時，仍應(yīng)關(guān)注本組實驗數(shù)據(jù)的前后變化，通過氧氣變化量反映該實驗條件對光合作用的影響。

（3） 設(shè)置涼開水證明“二氧化碳是原料”的一組裝置，如果沒有進(jìn)行預(yù)先的照光實驗，實驗剛開始時也是有氧氣產(chǎn)生的，這顯然會增加干擾環(huán)節(jié)。因此，需要預(yù)先照光處理，主要是因為苲藻的莖中空，呼吸作用產(chǎn)生的二氧化碳會先貯存其中，光照適宜時也能產(chǎn)生氧氣。

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