基于數字化信息系統的光合作用實驗教學

袁 誼 劉福花

(北京市高井中學 100041)

2015年北京市義務教育課程計劃指出要加強學科實踐活動課程建設。學科實踐課程的開發和實施，要避免用學科教學內容簡單替代，突出實踐性、探究性，鼓勵學生采取觀察實驗、合作探究等方式學習。旨在使學生通過親身實踐，提高綜合運用知識解決問題的能力、交流與合作的能力、創新意識與實踐能力。

基于此，本校對北京版七年級生物學教材中光合作用的傳統實驗進行拓展，利用學校的數字化信息系統(digital information system，DIS)實驗室資源，組織學生對光合作用進行DIS實驗探究。學生在實驗的過程中發現新問題并繼續探究，促使學生深入理解光合作用的概念，提高學生的學科實踐能力，培養學生的科學素養，學以致用，用科學知識指導生活實踐。

1 探究光合作用中氧氣和二氧化碳含量的變化

1.1 設計思路 學生通過生物學教材中的傳統實驗，觀察到光合作用的現象和過程，但難以進行定量分析。本實驗使用氧氣和二氧化碳傳感器，測量光合作用中氧氣和二氧化碳含量的變化，可實現對實驗對象的定量分析。

實驗中將學生分4大組，在相同的實驗條件下分別測量君子蘭、吊蘭、大葉黃楊和綠蘿4種葉片在光合作用中氧氣和二氧化碳含量的變化，使用DIS實驗系統自動記錄數據和生成圖線。學生通過實驗認識到光合作用是綠色植物基本的生理活動，并為之后的探究活動做好準備。

1.2 實驗過程 應用朗威DISLab 7.0數據采集器、氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、袖珍密封采集瓶、單孔橡膠塞、綠色植物(君子蘭、綠蘿、吊蘭、大葉黃楊)、托盤天平、解剖剪等。實驗步驟如下：

(1)選擇生長旺盛的待測葉片，將其剪成5 cm左右的條狀葉片，分別稱取2.5 g[1]。

(2)在袖珍密封采集瓶加入少量水(光合作用原料)，將條形葉片置于瓶壁四周，使其均勻受光(圖1所示)。

(3)將傳感器與數據采集器及計算機相連，進入V7.1實驗軟件系統。點擊“通用軟件”，系統自動識別所接入的傳感器，并顯示相應的數據。

圖1 光合作用DIS實驗連接圖

(4)打開“組合圖線”，分別添加“二氧化碳含量-時間”和“氧氣含量-時間”圖線，表示葉片光合作用過程中采集瓶內二氧化碳和氧氣含量的變化。通過“圖線控制”設置合適的坐標軸間距，便于長時間觀察記錄。

(5)點擊“計算表格”，使用自動記錄，設定記數時間間隔為60 s，系統將實驗數據記錄于表格。打開日光燈，開始記錄(環境溫度22℃)。實驗操作界面如圖2所示。

圖2 光合作用DIS實驗操作界面

1.3 實驗結果與分析 實驗結果顯示：4種植物葉片在記錄的時間內進行光合作用，二氧化碳含量呈下降趨勢，氧氣含量有不同程度的增高。其中君子蘭葉片光合作用中，在記錄的6 h內，二氧化碳含量由603 ppm降低到364 ppm；氧氣的含量由初始值20.7%增加到22.1%。這說明植物在光合作用中需要二氧化碳，制造出氧氣。

2 比較幾種綠色植物光合作用產氧量

2.1 設計思路 學生通過上述分組實驗，發現不同的植物光合作用產氧量有所區別，促使他們思考：哪種植物產氧量最高？教師引導學生將實驗系統記錄的數據進行匯總，并作出“氧氣含量增長值-時間”折線圖。通過數據的統計分析，不僅可以得出正確實驗結果，也培養了學生的數據處理和分析的能力。

2.2 實驗過程 本實驗是實驗1的延伸，匯總各組實驗數據，在總記錄時間內，以30 min為間隔，將氧氣含量的增長值用Excel作出折線圖，比較幾種綠色植物光合作用產氧量。

2.3 實驗結果與分析 數據分析如圖3所示。在記錄的7 h內，君子蘭、大葉黃楊、吊蘭和綠蘿葉片產氧量為分別1.6%、0.7%、0.4%和0.2%。其中，君子蘭在第0.5 h后開始產生氧氣，氧氣含量的增長速率明顯高于其他三種植物。吊蘭在統計的前5 h，氧氣含量只增長了0.1%，而大葉黃楊和綠蘿，則在第3 h和第4 h才開始產生氧氣。

圖3 幾種綠色植物光合作用氧氣含量增長值-時間圖

學生通過數據分析發現，君子蘭有較高的產氧量。部分學生繼續查閱資料并加以討論：君子蘭為半陰性植物，葉片寬厚，氣孔多，在極其微弱的光線下也能發生光合作用。由此可見，君子蘭除了具有很高的觀賞價值之外，在合理的栽培條件下，可起到調節空氣的作用。這一發現激發了學生種植君子蘭的熱情。

3 反思與討論

實驗中需要注意的問題：①課堂上采取分組實驗，每組使用不同的氧氣和二氧化碳傳感器，由于傳感器記錄的數據起點是有差異的，在作數據的對比分析時，應分析每組數據的變化量，才能得出科學的實驗結果；②實驗選用的葉片需有一定的硬度，剪成條狀之后能直立于密封采集瓶中，使葉片互不遮擋，有足夠的空間接觸周圍空氣，并能均勻受光。

本次探究活動的開展，充分利用了學校的教學資源，實現了信息技術與生物學科的有效整合。學生通過分組實驗、查閱資料、分析數據等活動，不僅能熟練使用DIS實驗系統，提高了學科實踐能力，更為可貴的是學生能在探究的過程中發現問題并想辦法去解決，并用所學知識指導生活實踐，這正是生物學科育人價值的體現。在今后的教學實踐中，教師應根據教學內容與學生的認知特點，提供更多的使用現代化實驗系統的機會，促使學生主動探究、積極體驗。