傳感器在“植物呼吸作用產生二氧化碳”實驗中的運用

趙進

生物學是一門以實驗為基礎的科學，這就決定了生物實驗在生物教學中占有重要位置。中學生物實驗的教學，不但要使學生更有效地掌握生物知識，更要培養學生的實驗操作能力，逐步提高學生的生物科學素養，為學生以后的社會實踐能力和科研能力打下良好的基礎。探究式學習既是新課標的理念，又是新課程的培養目標。隨著科技的進步，傳感器和計算機組成數字化實驗系統逐步成為自主探究的重要陣地，特別是在研究性學習過程中，數字化實驗設備必將發揮其強大的功能。下面以江蘇教育出版社生物學七年級上冊第三單元中，“植物呼吸作用產生二氧化碳”實驗為例，說明如何有效地將傳感器和計算機組成數字化實驗系統運用到生物實驗中來，為生物課堂中的實驗教學增光添彩。

一、傳統“植物呼吸作用產生二氧化碳”實驗教學

在傳統“植物呼吸作用產生二氧化碳”實驗中，學生分組后，提前一天，將新鮮的和用沸水燙2—3分鐘的同一種蔬菜各100克，分別放入兩個不漏氣的黑色塑料袋中，插入軟管后適當扎緊袋口，軟管用止水夾夾緊，實驗時，每組隨機取一袋蔬菜，將軟管插入澄清石灰水中，松開止水夾，輕輕擠壓塑料袋，觀察石灰水的清濁有無變化，由此來推測袋中裝的蔬菜是新鮮的還是燙過的，再打開塑料袋驗證自己的推測是否正確。（如右圖）

存在問題：傳統做法中實驗必須提前一天準備，實驗準備時間較長，黑色塑料袋以及插入軟管后扎袋口時不能出現漏氣，塑料袋中所裝蔬菜的量應該與袋的容積大小相匹配，否則實驗容易失敗。澄清石灰水因為易與空氣中的二氧化碳反應生成碳酸鈣而變質，所以不能使用保存太長時間的石灰水，也不能使用剛配制的石灰水，因為氫氧化鈣微溶于水，溶解速度很慢，導致剛配置的澄清石灰水中氫氧化鈣的濃度太低，即使遇到一定量的二氧化碳氣體也不能變混濁。為確保實驗成功，澄清石灰水應該提前2-3天配制。因為學生對澄清石灰水不熟悉，而二氧化碳通入澄清石灰水變混濁的現象，需要相關的化學知識作鋪墊，實驗原理相對復雜，需要教師在實驗的基礎上再作進一步解釋才能說明問題，學生理解起來也較困難，增大了學生對實驗原理的認知難度，影響學生對植物呼吸作用等知識的構建。學生對實驗現象缺少理性認識，老師的講解缺乏說服力，必然增加學生記憶的負擔。本傳統實驗看似簡單，但是手工操作步驟繁多，對實驗技能要求較高，實驗現象不太明顯，甚至實驗失敗。據不完全調查統計，這個實驗在我區初中學校中，每年都做的學校不到一半。

二、運用傳感器進行“植物呼吸作用產生二氧化碳”實驗教學

如果將傳感器和計算機組成數字化實驗系統運用到“植物呼吸作用產生二氧化碳”實驗中操作會變得簡單、方便，而且實驗現象明顯。

實驗目的：說明植物呼吸作用產生二氧化碳。

實驗原理：通過傳感器實時采集氣液相密封實驗器內二氧化碳和氧氣的濃度，研究植物的呼吸作用。

實驗器材：器材：計算機，數據采集器，數據線，二氧化碳傳感器，氧氣傳感器，氣液相密封實驗器、遮光紙、橡皮塞等。材料：小型盆栽植物（如吊蘭、銅錢草等）

實驗裝置圖（如下圖）

實驗步驟：

1.按照實驗裝置圖搭建好實驗裝置；

2.向氣液相密封實驗器內放入適當大小的盆栽植物，將二氧化碳傳感器、氧氣傳感器與采集器相連，采集器與電腦相連；

3.將二氧化碳傳感器和氧氣傳感器的探頭通過橡膠塞與密封蓋連接完畢，蓋上密封蓋，調節探頭高度；

4.打開實驗系統軟件，選擇，點擊進入實驗平臺，點擊在單坐標系上建立“二氧化碳--時間”坐標關系，設置采集時間“10min”，采集間隔“100ms”；

5.觀察、分析二氧化碳傳感器采集的數據。

6.打開實驗系統軟件，選擇，點擊進入實驗平臺，點擊在單坐標系上建立“氧氣--時間”坐標關系，設置采集時間“10min”，采集間隔“100ms”；

7.觀察、分析氧氣傳感器采集的數據。

實驗結果

通過傳感器實時采集氣液相密封實驗器內二氧化碳和氧氣的濃度，學生能直觀地看到植物的呼吸作用消耗氧氣，產生二氧化碳，有利于學生對植物呼吸作用實質的理解。利用數字化信息技術—“傳感器”進行實驗教學的研究，把平時受干擾因素較多的實驗通過快速、高效的采集數據進行比較，通過計算機顯示各組數據，明顯實驗現象，不但有利于激發學生的好奇心和學習興趣，培養學生運用知識的能力，并且對解決教學難點也起到重要作用。課堂中，我還提供給學生如溫度傳感器、濕度傳感器等，繼續研究植物的呼吸作用，讓學生在課題的選擇、設計和操作過程中，有充分的自主，他們可以根據自己的興趣特長和認知水平，在動手中創新，在實驗中創新，為實現自我價值提供源頭活水。

實驗優點：

1.實驗現象直觀明了，實驗結論學生思考后能直接得出，不受沒有學習過的有關二氧化碳等化學知識的限制。

2.實驗材料如盆栽植物等能重復使用，有利于培養學生珍愛生命的意識，提高環境保護意識。

3.提高實驗的成功率。

三、本實驗教學后的反思

當今社會科學技術突飛猛進，許多高科技數字化產品進入了普通學生家庭，如智能家用電器，智能手機等。而我們的生物實驗還停留在傳統的實驗方法和落后的實驗器材上，會使學生產生生物學對當今社會沒有實用價值的錯覺，從而對生物學失去學習的興趣。只有把現代科學技術有機地融合到基礎生物學實驗中，學生才能夠學會解決實際問題，因為將來他們面對的將是先進的儀器和設備。采用數字化生物實驗教學，必將提高生物學在學生心目中的地位，體現生物學的先進性、科學性和實用性。

相信通過我們不斷地努力探索一定會有更多的收獲，使傳感器和計算機組成數字化實驗系統在初中生物實驗教學中發揮更大的作用。