巧用溶解氧傳感器探究“光強對光合作用強度的影響”

禹萍 袁曉娟

摘要：基于“數好”數字化實驗室中相關設備優勢，利用“溶解氧傳感器”探究黑藻在不同光照強度下的光合作用強度影響實驗。將教材實驗從“定性”描述提升到“定量”分析，不僅節省時間還提高了學生數據分析能力和科學思維、科學探究能力。

關鍵詞：數字化實驗;溶解氧傳感器;光照強度;光合作用

中圖分類號：G633.91 文獻標志碼：B

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》特別關注“信息化環境下的教學改革”。雖然沒有直接出現“數字化實驗”這樣的表述，但信息化與數字化密不可分，處處為生物數字化教學留下了廣闊的期待空間。相較于傳統生物實驗教學，數字化實驗教學也是在實驗室里完成的真實實驗，區別為后者是基于傳感器、數據采集器、計算機、處理軟件等新型設備，將生物實驗過程中某些特定變化通過一定的數據采集將結果定量地呈現在電腦上，使得原來不方便測量、不能精準測量甚至無法測量的實驗數據都能實時記錄。它能將一些傳統實驗從通過現象“定性”描述提升到通過數據曲線“定量”分析，不但提高了學生數據分析和處理的能力，還提升了學生的科學思維和科學探究能力。

人教版高中生物必修一第五章第四節的實驗“探究環境因素對光合作用強度的影響”所探究的問題對于學生來說有一定的難度。影響綠色植物的光合作用的因素很多，主要受外界環境因素（如光強、二氧化碳、溫度等）的影響。如果按照教材中提供的參考方案實施，耗時較長，一般難以在一節課時間內完成探究。為了進一步提高課堂效率，筆者在教材提供的參考方案基礎上，借助學校配備的數字化實驗室選取“光照強度”這一環境因素對本實驗進行改進，取得了很好的效果。

1實驗思路

綠色植物進行光合作用會釋放氧氣。對于水生植物來說，植物釋放的氧氣溶于水，會導致水體溶解氧含量增加。利用溶解氧傳感器可測量水體中溶解氧的變化值，為實驗分析提供精確的數據證據，定量比較不同光照強度下植物光合作用強度，還為引導學生在課堂中完成探究活動節省了大量時間。

溶解氧傳感器能精確直接地定量測量。實驗前，要對傳感器進行標定，減小誤差。不同傳感器的靈敏度是有差異的，數據分析時，教師要引導學生關注該組實驗數據的變化量，而非實驗起點值和終點值。光照度傳感器可避免自變量“光照強度”用“強光、中光、弱光”這種模糊的界定，使之精確到具體光強數值。測定光照強度時，將傳感器的前端對準光源，減小誤差。

相對于白熾燈，光照培養箱的LED光源亮度高，散熱量少，極大地減少溫度對實驗的影響。LED可以點陣式排列在培養箱底部，使植物受光更充分均勻。因本實驗選用的是溶解氧傳感器，故要選擇初始溶氧量低的水體培養植物。原因是當水體溶解氧過于飽和時，易形成氣泡，產生實驗誤差。預實驗時，用溶解氧傳感器測量幾種水樣的溶解氧含量，發現選取清晨的湖水進行實驗效果更好。

2實驗材料與儀器藥品

數字化實驗儀器：溶解氧傳感器、光照度傳感器。

實驗材料用具：光照培養箱（LED燈）、量筒、燒杯（250mL）、天平、鑷子、量筒（100mL）、玻璃棒、NaHC03溶液、黑藻、清晨的湖水等。

3實驗改進

3.1實驗步驟

（1）溶液配制：用清晨的湖水配置質量分數為1%的NaHC03溶液，在5個250mL的燒杯中均加入100mL溶液，分別標號。

（2）黑藻處理：選取生長旺盛的黑藻，剪取頂端10節，瀝水后稱重，將1～4號燒杯中分別加入2g黑藻。5號燒杯不放黑藻，起空白對照作用。

（3）連接裝置：連接好實驗裝置，進入“數好”V2.0系統，點擊“通用軟件”，系統自動識別所介入的傳感器，設置參數采集數據。

（4）光照強度設定：調節1、2、3號裝置距LED燈的距離和強度，控制光照強度。借助光照度傳感器檢測光照強度值分別為18369Lx、11642Lx、2371Lx。將4號、5號裝置放在黑暗條件下。

（5）測定數據：點擊“開始實驗”，用溶解氧傳感器測定每個裝置中的溶解氧濃度，計算機自動記錄實驗數據（圖1）。在圖1中，在900～2200s這段時間內，自上而下的曲線依次為光照強度為18369Lx的1號、光照強度為11642Lx的2號、光照強度為2371Lx的3號，黑暗條件下5號和4號的溶解氧濃度變化值。

3.2實驗結果與分析

對實驗數據的分析至關重要，教師要引導學生對計算機記錄的實驗數據進行識別、比較后合理的篩選。據圖1，在0～900s這段時間內，不同的光照強度對5組裝置的溶解氧含量變化影響不大。學生查閱相關資料后，分析原因可能是黑藻在實驗初期還處于光適應狀態，此段實驗數據要舍去。而在1600s后，學生觀察發現1號裝置中黑藻表面陸續有明顯氣泡產生。分析原因可能是水體溶解氧濃度達到飽和，會造成實驗誤差，此段實驗數據也要舍去。最終學生選取了900～1600s這段時間內實驗數據進行統計、處理、討論（表1）。

實驗表明，在900～1600s這段時間內，隨著光照強度增大，水體中的溶解氧增加量越大。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。且通過4號、5號的實驗設置更加深了學生對光合作用理解，還能親身感受科學研究的嚴謹性。

4實驗拓展

溶解氧傳感器法除了能探究“光照強度”這一因素外，還可探究二氧化碳濃度（配制質量分數分別為0%、0.5%、1%、1.5%的NaHCO3溶液）、不同光質（用透明、紅色、藍色、綠色的玻璃紙蓋在LED燈上）、溫度（將裝置分別置于0℃冰浴、22℃常溫水浴和37℃高溫水浴）等環境因素對光合作用強度的影響。

綜上，利用數字化實驗室中的傳感器等設備能準確靈敏地捕獲實驗過程的微小變化，大大節約了實驗時間，輕松解決了傳統實驗方法無法在課堂有限的時間中完整開展“探究環境因素對光合作用強度的影響”的難題，使實驗操作簡單化、實驗過程高效化、實驗結果定量化。學生在實驗過程中，鍛煉實踐操作技能，提升數據分析能力，體驗科學探究過程，培養科學思維和科學探究能力。