光照度對(duì)金魚藻光合作用影響的數(shù)字化探究

李樂峰　張小穎　鐘燕婷

探究實(shí)驗(yàn)是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的有效途徑。《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下稱“課標(biāo)”）指出，探究實(shí)踐是源于對(duì)自然界的好奇心、求知欲和現(xiàn)實(shí)需求，解決真實(shí)情境中的問題或完成實(shí)踐項(xiàng)目的能力與品格^[1]。“光合作用”教學(xué)中，師生需要利用金魚藻探究植物光合作用產(chǎn)生氧氣。學(xué)生在開展定性實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)遇到一些問題和困惑。例如：實(shí)驗(yàn)受天氣影響，需要溫暖而充足的陽光；實(shí)驗(yàn)時(shí)間過長，收集1/2試管的氣體，需要兩三個(gè)小時(shí)，以至于學(xué)生在課堂上不能完整參與實(shí)驗(yàn)。為此，筆者在班級(jí)組建興趣小組，共同對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。整體思路是：用智能光照培養(yǎng)箱控制光照度、溫度和濕度，突破該實(shí)驗(yàn)受天氣條件的限制；使用氧氣傳感器快速檢測(cè)氧氣的含量變化，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間。筆者以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)和智能光照培養(yǎng)箱，探究光照度對(duì)金魚藻光合作用的影響，證明在一定范圍內(nèi)，光照度越大，金魚藻光合作用越強(qiáng)，并借此發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維，增強(qiáng)證據(jù)意識(shí)。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）實(shí)驗(yàn)原理

水生植物在光合作用過程中會(huì)產(chǎn)生氧氣，引起水中溶解氧含量的變化。筆者給學(xué)生布置的任務(wù)是：設(shè)定不同光照條件，測(cè)定實(shí)驗(yàn)瓶內(nèi)水中溶解氧數(shù)值，探究光照度對(duì)植物光合作用的影響。

（二）實(shí)驗(yàn)方案

為測(cè)量水中的溶解氧量，將氧氣傳感器插入水中，對(duì)錐形瓶進(jìn)行密封處理。每組實(shí)驗(yàn)時(shí)選用生長狀態(tài)一致且質(zhì)量相等的金魚藻。配制濃度相同的碳酸氫鈉溶液，每組實(shí)驗(yàn)結(jié)束進(jìn)行更換。每組實(shí)驗(yàn)，設(shè)定相同溫度條件，使用智能光照培養(yǎng)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中使用磁力攪拌器使水處于流動(dòng)狀態(tài)（如圖1）。

準(zhǔn)備以下實(shí)驗(yàn)材料、試劑和儀器：金魚藻、碳酸氫鈉（0.03 g）、蒸餾水、可密封的錐形瓶（250 mL）、燒杯（500 mL）、玻璃棒、分析天平、智能光照培養(yǎng)箱、氧氣傳感器、磁力攪拌器等。

筆者讓學(xué)生學(xué)習(xí)儀器、設(shè)備的使用方法：觀看視頻學(xué)習(xí)氧氣傳感器、DISLab 8.0傳感器軟件和智能光照培養(yǎng)箱的使用方法，組裝實(shí)驗(yàn)裝置，知曉操作步驟。

二、注意事項(xiàng)

（一）實(shí)驗(yàn)材料的選擇

盡量選擇生長健壯、長度相同的金魚藻。金魚藻主要從主莖的切口釋放氧氣，選擇時(shí)應(yīng)盡量保證切口數(shù)量相同，減少干擾。實(shí)驗(yàn)過程中需要不斷攪拌，在不斷流動(dòng)的水中，生長健壯的金魚藻分枝和絲狀的葉不易掉落。

學(xué)生參與每組實(shí)驗(yàn)，都要更換質(zhì)量相等的金魚藻和濃度相同的碳酸氫鈉溶液，減少無關(guān)變量對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾，保證實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性。

（二）科學(xué)采集數(shù)據(jù)，減小實(shí)驗(yàn)誤差

待數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定時(shí)開始記錄，每隔1 min記錄一次數(shù)據(jù)，共10次。氧氣傳感器比較靈敏，剛打開DISLab 8.0傳感器軟件時(shí)，傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)快速變化，此時(shí)記錄的數(shù)據(jù)是不準(zhǔn)確的。傳感器可以連續(xù)、實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)。在相對(duì)穩(wěn)定時(shí)開始記錄，獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更可信。

實(shí)驗(yàn)時(shí)間不宜過長。此實(shí)驗(yàn)裝置是密封的，隨著金魚藻進(jìn)行光合作用，錐形瓶內(nèi)水中的二氧化碳濃度會(huì)不斷降低，金魚藻的光合作用也會(huì)逐漸減弱，甚至不能進(jìn)行光合作用，從而導(dǎo)致水中溶解氧不增反減。同時(shí)，金魚藻的代謝和光源發(fā)光會(huì)在一定程度上影響溫度變化從而影響光合作用，干擾實(shí)驗(yàn)。另外，水的氧氣溶解量是有一定飽和度的，也會(huì)不斷釋放到空氣中。多次實(shí)驗(yàn)，記錄10 min既能得到理想的數(shù)據(jù)，又能縮短實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)的可行性。

（三）增加磁力攪拌器，正確使用傳感器

溶解氧的測(cè)量是一個(gè)消耗氧氣的過程（待測(cè)液中氧氣穿過選擇性透氣膜參與電極內(nèi)部發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)），如電極和溶液均靜止不動(dòng)，則電極薄膜位置周圍氧氣會(huì)被不斷消耗，數(shù)值發(fā)生變化（變小）。此外，為保證電極工作，溶液流速不能小于2.5 cm/s，故需要使用磁力攪拌器不斷攪拌。

三、實(shí)驗(yàn)過程

（一）材料預(yù)處理

選擇生長狀況良好的金魚藻，清洗干凈，稱取鮮重5 g，并剪成5～8 cm長的條塊備用。配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的碳酸氫鈉溶液。

（二）設(shè)置自變量

利用智能光照培養(yǎng)箱設(shè)置光照度：高強(qiáng)光組，15 000 lx；中強(qiáng)光組，10 000 lx；低強(qiáng)光組，5 000 lx。溫度均設(shè)置為25 ℃，濕度設(shè)置為80%。

（三）組裝實(shí)驗(yàn)裝置

首先，將橡膠塞打孔插入氧氣傳感器探頭，并將氧氣傳感器的另一端連接電腦；其次，向錐形瓶內(nèi)依次加入磁力攪拌器的轉(zhuǎn)子、300 ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的碳酸氫鈉溶液和5 g新鮮的金魚藻，并用插有傳感器探頭的橡膠塞密封；最后，將錐形瓶放于磁力攪拌器中央并將整個(gè)裝置放入智能光照培養(yǎng)箱中。

（四）實(shí)驗(yàn)并采集數(shù)據(jù)

測(cè)量三組光照度下實(shí)驗(yàn)瓶內(nèi)的溶解氧含量變化。設(shè)置智能光照培養(yǎng)箱的相關(guān)數(shù)值為低強(qiáng)光組（光照度5 000 lx），保持溫度25℃和濕度80%的環(huán)境條件不變，開啟DISLab 8.0軟件系統(tǒng)，待數(shù)值相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，設(shè)置每隔1 min記錄實(shí)驗(yàn)瓶內(nèi)溶解氧的數(shù)據(jù)。在更換等量的新金魚藻和碳酸氫鈉溶液之后，分別測(cè)量中強(qiáng)光組（光照度10 000 lx）和高強(qiáng)光組（光照度15 000 lx）實(shí)驗(yàn)瓶內(nèi)溶解氧的數(shù)據(jù)（見表1）。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

分析數(shù)據(jù)可知，三種光照條件下，水中的溶解氧都是逐漸增多的，光合作用產(chǎn)生了氧氣，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)論。另外，學(xué)生將三種光照度下水中溶解氧的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為曲線圖（如圖2），發(fā)現(xiàn)光照度越大，實(shí)驗(yàn)瓶內(nèi)溶解氧的含量增加越快，說明在一定范圍，增大光照度，氧氣的產(chǎn)生速度加快。推理可知，在一定范圍內(nèi)，光照度會(huì)影響金魚藻光合作用，光照度越大，光合作用越強(qiáng)。師生對(duì)“光合作用產(chǎn)生氧氣”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)步驟，縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)成功率的同時(shí)，也使得實(shí)驗(yàn)效果更加明顯^[2]。

五、總結(jié)與建議

（一）推進(jìn)信息技術(shù)與教學(xué)深度融合

興趣小組的學(xué)生針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的問題，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合設(shè)計(jì)并實(shí)施了此實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，巧妙地選擇水生綠色植物產(chǎn)生、收集氧氣，將無形的、微小的、不可見的現(xiàn)象轉(zhuǎn)化有形且可見的現(xiàn)象，同時(shí)利用帶火星的衛(wèi)生香復(fù)燃檢驗(yàn)氧氣。這樣實(shí)驗(yàn)有一定的趣味性，但受到許多條件的限制。

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)更加精準(zhǔn)——將學(xué)生感官感受到的信息即時(shí)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，大幅縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間。此外，傳感器可以連續(xù)記錄數(shù)據(jù)，學(xué)生利用這些連續(xù)變化的數(shù)據(jù)可以了解植物光合作用受光照度影響的動(dòng)態(tài)變化過程，將定性實(shí)驗(yàn)定量化，更容易發(fā)現(xiàn)規(guī)律。教師在趣味實(shí)驗(yàn)中借助數(shù)字化手段教學(xué)，用傳感器讓學(xué)生“看”到其內(nèi)在發(fā)生的反應(yīng)，不僅讓他們覺得有趣，而且更深層次地了解反應(yīng)的原理^[3]。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合，既能讓學(xué)生在感受實(shí)驗(yàn)帶來趣味性時(shí)又能快速得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有利于信息技術(shù)與生物學(xué)教學(xué)深度融合。

（二）積極開展探究實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生核心素養(yǎng)

課標(biāo)注重學(xué)生自身價(jià)值的發(fā)展，倡導(dǎo)構(gòu)建以學(xué)生發(fā)展為本的生物學(xué)課堂。筆者以學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)遇到的困惑為背景，以真實(shí)情境中的問題激發(fā)學(xué)生的探究欲。在此基礎(chǔ)上，筆者引導(dǎo)興趣小組學(xué)生查閱資料探究植物光合作用的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，獲得了啟發(fā)，設(shè)計(jì)并實(shí)施了方案，獲得證據(jù)從而解決問題。在這個(gè)過程中，學(xué)生積極、主動(dòng)思考，不僅發(fā)展了科學(xué)思維，而且學(xué)會(huì)了創(chuàng)造條件解決問題，提升了能力。教師利用“實(shí)驗(yàn)”的問題引導(dǎo)學(xué)生做“實(shí)驗(yàn)”有利于提升學(xué)生核心素養(yǎng)。

（三）利用傳感器開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，有助于促進(jìn)跨學(xué)科實(shí)踐

課標(biāo)提出，跨學(xué)科實(shí)踐是擴(kuò)展視野、增強(qiáng)本領(lǐng)的重要途徑。在跨學(xué)科實(shí)踐中，學(xué)生要能夠理解學(xué)科間的關(guān)系，并嘗試運(yùn)用多學(xué)科的知識(shí)和方法，解決現(xiàn)實(shí)問題，發(fā)展核心素養(yǎng)。教師改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生使用氧氣傳感器、DISLab 8.0傳感器軟件和智能光照培養(yǎng)箱等儀器進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為曲線圖進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可以幫助他們將解決問題的想法或創(chuàng)意付諸實(shí)踐。在此過程中，學(xué)生基于真實(shí)情境，使用物理儀器（氧氣傳感器）和信息軟件（DISLab 8.0傳感器軟件）收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并運(yùn)用數(shù)學(xué)方法或工具（曲線圖）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出了具有科學(xué)可信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，解除了困惑。總之，教師科學(xué)地開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生跨學(xué)科實(shí)踐。

注：本文系2022年安徽省教育科學(xué)規(guī)劃立項(xiàng)課題“基于核心備課組的IMA區(qū)域教研模式創(chuàng)新研究”（項(xiàng)目編號(hào)：JK22092）的階段性成果之一。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳成軍.義務(wù)教育生物學(xué)核心素養(yǎng)的內(nèi)涵及分析[J].生物學(xué)教學(xué)，2022（7）：2-5.

[2] 鮑永娟，梁旭.對(duì)實(shí)驗(yàn)“光合作用產(chǎn)生氧氣”的探究與改進(jìn)[J].中學(xué)生物學(xué)，2020（10）：49-50.

[3] 龐紅梅.傳感器“眼”中的“藍(lán)瓶子”[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2020（7）：47-49.

（作者李樂峰系安徽省淮北市教育科學(xué)研究所正高級(jí)教師；張小穎系安徽省淮北實(shí)驗(yàn)學(xué)校教師；鐘燕婷系淮北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究生）

責(zé)任編輯：祝元志