利用手持技術探究“環境因素對光合作用強度的影響”

李金月　李韶山　丁麗卿

摘要 采用手持技術開展“環境因素對光合作用強度的影響”的探究實驗，通過溶解氧傳感器測定光合作用釋放的氧氣以反映光合作用強度，嘗試將數字化傳感器技術與中學生物科學探究相結合，為中學生物探究實驗提供參考。

關鍵詞 溶解氧傳感器 光合作用 實驗探究

中圖分類號 Q-33 文獻標志碼 B

“探究環境因素對光合作用強度的影響”是人教版高中生物必修1中的一個重要的探究性實驗，目的在于讓學生進一步深入理解光合作用這一核心概念。人教版教材的參考案例使用的植物材料是菠菜葉圓片，采用真空滲水法將葉圓片沉入燒杯底部，光照處理后，觀察同一時間內葉圓片浮起的數量，以此表示光合作用的強弱。該探究實驗方案只是一個定性觀察實驗，且耗時長，操作復雜，在高中生物教學實踐中較難開展。

手持技術是指由數據采集器、傳感器和計算機及配套的軟件組成的定量采集數據的實驗技術系統。本研究采用手持技術探究環境因素對光合作用強度的影響，采用溶解氧傳感器可以較為簡便檢測水中溶解氧含量的變化，定量測定光合作用強度，同時結合光照度和溫度傳感器，幫助學生進一步深入理解環境因素對光合作用強度的影響。探索將手持技術與高中生物實驗進行整合，為中學生物探究實驗提供參考。

1實驗原理

黑藻是一種常見的水生高等植物，在進行光合作用過程中釋放氧氣，溶解在水中。溶解氧傳感器可精確測出水體中氧含量的變化，利用溶解氧傳感器測量植物光合作用中釋放的氧氣的量，就可以精確地檢測植物光合作用的強度。

影響植物光合作用的因素很多，主要是光、C02和溫度等。碳酸氫鈉在水中電離出碳酸氫根離子并進入黑藻葉片細胞內，其反應式為NaHCO₃=Na⁺+HCO₃^-，因此NaHCO₃可作為水生植物光合作用CO₂的來源。

2實驗材料與儀器藥品

實驗材料：黑藻。

實驗藥品和器材：碳酸氫鈉、天平、量筒、250mL燒杯、12W歐普LED燈、直尺、不同顏色的玻璃紙。

手持儀器：數據采集器、溶解氧傳感器、光照度傳感器、溫度傳感器。

3探究實驗過程

反應體系：稱取0.5g鮮重的黑藻放入裝有100mL碳酸氫鈉溶液的燒杯中。

溶解氧傳感器采集參數設置：數據采集頻率10/s，測定1000個數據。

3.1探究二氧化碳濃度對光合作用強度的影響

（1）濃度梯度設定：配制質量分數分別為0%、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%的NaHCO₃溶液。

（2）連接裝置：將數據采集器和光照度傳感器、溶解氧傳感器以及電腦連接好，并進行參數設置，分別測定6個裝置中的溶解氧濃度，作為初始數據。

（3）光照培養：將6個裝置全部置于LED燈下光照處理一段時間，采用光照度傳感器測得光強約11000lx，采用溫度傳感器測定溶液溫度為26.5%。

（4）測定數據：在光照15min后，用溶解氧傳感器分別測定每個裝置中的溶解氧濃度。

3.2探究光照對光合作用強度的影響

（1）溶液配制：質量分數1.2%的NaHCO₃溶液。

（2）連接裝置：連接好實驗裝置，設置數據采集參數。分別測定4個裝置中的溶解氧濃度，作為初始數據。

（3）光照強度設定：將4個裝置分別放置于距LED燈5、10、15、20cm處，用光照度傳感器測定光照度數據。

（4）測定數據：在光照15min后，用溶解氧傳感器分別測定每個裝置中的溶解氧濃度。

3.3探究不同光質對光合作用強度的影響

（1）溶液配制：質量分數1.2%的NaHCO₃溶液。

（2）連接裝置：連接好實驗裝置，設置數據采集參數。用光照度傳感器測得光照度數據，分別測定6個裝置中的溶解氧濃度，作為初始數據。

（3）光質條件設定：用白色、紅色、藍色、紫色、黃色、綠色的玻璃紙罩住燒杯。

（4）測定數據：在光照15min后，用溶解氧傳感器分別測定每個裝置中的溶解氧濃度。

3.4探究溫度對光合作用強度的影響

（1）溶液配制：質量分數1.2%的NaHCO₃溶液。

（2）連接裝置：連接好實驗裝置，設置數據采集參數。用光照度傳感器測得光照度數據，用溫度傳感器測定溫度數據，再測定3個裝置中的溶解氧濃度，作為初始數據。

（3）光照培養：將3個裝置分別置于冰浴（0℃）、常溫水浴（26.5℃）和高溫水浴（37℃）條件下，并置于LED燈下光照處理一段時間。

（4）測定數據：在光照15min后，用溶解氧傳感器分別測定每個裝置中的溶解氧濃度。

4實驗結果與分析

不同濃度NaHCO₃溶液對光合作用影響的實驗結果見表1。從表中數據可以看出6個實驗裝置中溶解氧濃度均有所上升，其中未加碳酸氫鈉的空白對照組溶解氧的濃度增加量最小，僅增加0.67mg·L^-。不同濃度NaHCO₃溶液的實驗組中溶解氧濃度均高于對照組，其中質量分數為1.2%的NaHCO₃溶液下光照培養15min溶解氧增加2.15mg·L^-，1.2%的NaHCO₃溶液對黑藻光合作用的促進作用較明顯。

由表2可見，光合作用的實驗裝置距離LED燈越近，即光照強度越大，溶解氧增加量越大。說明在一定范圍內，植物光合作用強度隨著光照強度增加而增加。

從表3可知，不同光質條件下黑藻的光合作用強度由強到弱依次是白光、黃光、紅光、紫光、藍光、綠光，可見不同光質對光合作用強度影響不同。其中白光下溶解氧增加2.40mg·L^-，白光對黑藻光合作用的促進作用最明顯。而綠光下溶解氧含量僅增加1.62mg·L^-。

從表4可以看出，不同溫度條件下黑藻的光合作用強度由強到弱依次是常溫>高溫>低溫。可見溫度會影響黑藻的光合作用速率。

5討論

通過與教材參考實驗案例的比較可以發現，應用手持技術開展“探究植物光合作用的影響因素”實驗具有明顯的優勢，主要體現在：①培養學生的探究能力：本節實驗課將以講解實驗、演示實驗、驗證實驗為主的傳統教學方式改變為探究教學，引導學生主動參與探究學習。②培養學生的信息素養：將手持技術與生物實驗課程整合，為學生探究學習提供數字化學習的環境、內容和方式。③培養學生的定量思維：利用手持技術的數據采集和記錄的特點，教師可以向學生提供機會學習定量測定，引導學生實事求是地記錄、整理和分析實驗數據、定量表述實驗結果并進行圖表繪制，讓學生在量的變化中深入理解科學本質。

將手持技術應用于高中生物教學有利于培養學生的定量思維和科學探究能力，提高學生的生物科學素養。基于手持技術的數字化實驗和常規實驗具有各自的優勢和局限。教師在教學過程中可以結合教學內容嘗試將數字化實驗與常規實驗進行整合，探索將兩者優勢互補的有效整合途徑，以期取得更好的教學效果。