傳感器在中學生物學實驗中的應用

蔡三娟

(江蘇省南京市第九初級中學 210018)

在實驗過程中使用傳感器，能利用數字、圖表等直觀的數據精確反映出定量實驗的結果，將以往的定性實驗提高為定量實驗，使傳統實驗中無法完成的實驗得到很好的改進，具有非常獨到的優點。但是，目前為止，有關傳感器應用于中學生物實驗教學中的實踐并不多[1]。為此，筆者嘗試將生物傳感器運用在植物呼吸作用實驗中，實驗結果表明，使用傳感器對本節實驗教學有很好的輔助作用。

蘇教版七年級上冊“植物的呼吸作用”一節安排了“植物呼吸作用產生CO2”和“植物呼吸作用消耗氧氣”兩個實驗，均采用傳統的實驗方法，且為定性實驗。在教學過程中，引入傳感器測量，與傳統實驗相輔相成，可使實驗結果更科學，更有說服力。此外，應用濕度傳感器和溫度傳感器，檢測植物呼吸作用引起的環境CO2濃度、濕度和溫度的變化，引導學生分析植物呼吸作用過程中物質和能量的變化，將傳統的定性實驗上升為定量實驗，能使學生深刻地理解和掌握知識，取得更佳的教學效果。

1 植物呼吸作用產生CO2的檢測

傳統的實驗方法是用澄清石灰水來檢測CO2，通過觀察澄清石灰水的渾濁程度來判斷植物是否產生了CO2。但是，具體釋放了多少CO2，無從得知。另外，實驗過程中受到塑料袋的氣密性和石灰水的質量等因素的限制，且CO2的含量要達到一定的量才能觀察到實驗現象，操作起來比較繁瑣，使得實驗的實施和實驗效果有一定的局限性。采用CO2傳感器能精確測定植物一段時間內進行呼吸作用產生CO2的量，還能反應植物呼吸作用的過程，實驗操作更方便、結果更直接。

1.1 實驗方法 實驗步驟如下：

(1)處理實驗材料 選取兩份20g菠菜，其中實驗組為新鮮菠菜，對照組菠菜用開水燙過；分別裝入500mL的錐形瓶，錐形瓶外包裹一層黑色塑料袋，放置3h。

(2)連接裝置 將兩個CO2傳感器與數據采集器、計算機連接，然后將傳感器的探頭插入錐形瓶塞后分別伸入兩個錐形瓶中。

(3)數據采集 打開實驗系統軟件TriE ilab ，進入數據采集頁面，設置數據采集時間為1 min，選擇相應模板和曲線名稱后，點擊“開始實驗”按鈕，開始采集數據，這時界面上就會顯示錐形瓶內CO2的含量值和變化曲線。

1.2 實驗結果與分析 數據采集結束后，可得到1min內CO2的含量變化數值(表1)和CO2含量隨時間變化的曲線(圖1)。從表1可以看出，黑暗處理3h后，實驗組CO2含量明顯高于對照組，說明植物呼吸作用產生了CO2。根據兩者的差值可準確得出植物在一定時間內呼吸作用產生CO2的含量，這一點在曲線(圖1)上也能直觀地體現出來。同時，觀察圖1發現，實驗組曲線傾斜向上，而對照組是一條水平的直線，說明實驗組植物在測定時間內仍然在進行呼吸作用產生CO2。可見，通過CO2傳感器，不僅能測定植物一段時間內產生的CO2的含量，還能記錄植物呼吸作用的過程，與傳統實驗方法相比，這種實驗方法更加精確和客觀。

表1 兩個錐形瓶內CO2含量的比較

圖1 暗處理3h后CO2含量變化曲線

(注：ppm的計量單位為μL/L)

2 植物呼吸作用產生水的檢測

植物在有氧條件下進行的呼吸作用，不僅會產生CO2，還會產生水。為了說明這一點，通常是在課堂上引導學生觀察裝有新鮮植物材料的容器內壁上是否產生水珠，方法簡單明了。但問題是，如果看不到水珠就肯定沒有水產生嗎？濕度傳感器的使用就可以使問題迎刃而解。

2.1 實驗方法 實驗步驟如下：

(1)處理實驗材料 選取兩份綠豆種子，各30g；一份萌發，另一份烤熟；分別裝入500mL的錐形瓶，在室溫下放置3h。

(2)連接裝置 將兩個濕度傳感器與數據采集器、計算機連接，然后將傳感器的探頭插入錐形瓶塞后分別伸入兩個錐形瓶中。

(3)數據采集 打開實驗系統軟件TriE ilab ，進入數據采集頁面，設置數據采集時間為1min，選擇相應模板和曲線名稱后，點擊“開始實驗”按鈕，開始采集數據，這時界面上就會顯示錐形瓶內濕度值和濕度的變化曲線。

2.2 實驗結果與分析 在實驗進行1min后，可得到兩個錐形瓶內的濕度值(表2)和濕度隨時間變化曲線(圖2)，從表2可以看出，1min后實驗組錐形瓶內的濕度為93.5%，而對照組錐形瓶內的濕度為50.0%，濕度可間接反應了產生水的含量，分析實驗組和對照組濕度的差異，可得出植物呼吸作用產生了水。同樣，觀察圖2中的曲線變化趨勢，發現測定的1min內，實驗組中植物的呼吸作用仍在繼續，并有水生成(第60s的濕度比剛開始測定時的濕度高2.5%)，實驗結果更準確直觀，讓學生有更直觀、更深刻的認識，還能在短時間內(還未形成明顯水珠時)檢測到植物呼吸作用產生了水。

表2 兩個錐形瓶內濕度的比較

圖2 室溫下放置3h后濕度變化曲線

3 植物呼吸作用釋放能量的檢測

在前兩個實驗進行的同時，可同步探究植物呼吸作用釋放能量，即用溫度傳感器測定實驗裝置內的溫度。測得的數據通過數據采集器上傳到計算機，在分析CO2含量、濕度的同時，分析溫度的變化，以說明植物呼吸作用是否釋放了能量，測定的原理與傳統實驗中用溫度計測定裝有植物的保溫瓶內的溫度是一樣的。由于該實驗比較特殊，需要用到保溫裝置，且在測定過程中不能與外界環境發生溫度傳遞，受到實驗裝置的限制，不宜分組實驗，采用教師演示實驗。

3.1 實驗方法 實驗材料和方法步驟參考2.1所述，不同的是將錐形瓶換成保溫瓶，將濕度傳感器換成溫度傳感器。

3.2 實驗結果與分析 從溫度傳感器測得的數據(表3)可以看出，實驗組測定結束時的溫度是56.1℃，對照組測定結束時的溫度是25.4℃(接近當時的室溫)，在測定的1min內，實驗組溫度略有上升，對照組溫度保持不變，比較可知，植物呼吸作用釋放了能量，且測定時間內植物呼吸作用的過程仍在進行。由于傳感器反應靈敏，能在短時間內迅速測得容器內的溫度，且數據精確到小數點后一位，比溫度計更快捷準確。另一方面，每個數據采集器上都有4個通道，可同時連接4個傳感器，且實驗系統軟件中有多個復合模板可選，這就意味著實驗過程中可同時測定兩個或兩個以上的生理指標。同時，分析不同指標的變化情況，節省實驗時間，提高實驗效率，還能確保實驗結果的準確性，能取得更佳的教學效果。

表3 兩個保溫瓶內溫度的比較