光照度對金魚藻光合作用影響的數字化探究

李樂峰　張小穎　鐘燕婷

探究實驗是發展學生核心素養的有效途徑。《義務教育生物學課程標準（2022年版）》（以下稱“課標”）指出，探究實踐是源于對自然界的好奇心、求知欲和現實需求，解決真實情境中的問題或完成實踐項目的能力與品格^[1]。“光合作用”教學中，師生需要利用金魚藻探究植物光合作用產生氧氣。學生在開展定性實驗時會遇到一些問題和困惑。例如：實驗受天氣影響，需要溫暖而充足的陽光；實驗時間過長，收集1/2試管的氣體，需要兩三個小時，以至于學生在課堂上不能完整參與實驗。為此，筆者在班級組建興趣小組，共同對實驗進行改進。整體思路是：用智能光照培養箱控制光照度、溫度和濕度，突破該實驗受天氣條件的限制；使用氧氣傳感器快速檢測氧氣的含量變化，縮短實驗時間。筆者以傳統實驗為基礎，引導學生使用數字化實驗技術和智能光照培養箱，探究光照度對金魚藻光合作用的影響，證明在一定范圍內，光照度越大，金魚藻光合作用越強，并借此發展學生科學思維，增強證據意識。

一、實驗設計

（一）實驗原理

水生植物在光合作用過程中會產生氧氣，引起水中溶解氧含量的變化。筆者給學生布置的任務是：設定不同光照條件，測定實驗瓶內水中溶解氧數值，探究光照度對植物光合作用的影響。

（二）實驗方案

為測量水中的溶解氧量，將氧氣傳感器插入水中，對錐形瓶進行密封處理。每組實驗時選用生長狀態一致且質量相等的金魚藻。配制濃度相同的碳酸氫鈉溶液，每組實驗結束進行更換。每組實驗，設定相同溫度條件，使用智能光照培養箱進行實驗。實驗過程中使用磁力攪拌器使水處于流動狀態（如圖1）。

準備以下實驗材料、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、智能光照培養箱、氧氣傳感器、磁力攪拌器等。

筆者讓學生學習儀器、設備的使用方法：觀看視頻學習氧氣傳感器、DISLab 8.0傳感器軟件和智能光照培養箱的使用方法，組裝實驗裝置，知曉操作步驟。

二、注意事項

（一）實驗材料的選擇

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，選擇時應盡量保證切口數量相同，減少干擾。實驗過程中需要不斷攪拌，在不斷流動的水中，生長健壯的金魚藻分枝和絲狀的葉不易掉落。

學生參與每組實驗，都要更換質量相等的金魚藻和濃度相同的碳酸氫鈉溶液，減少無關變量對實驗的干擾，保證實驗的科學性。

（二）科學采集數據，減小實驗誤差

待數據相對穩定時開始記錄，每隔1 min記錄一次數據，共10次。氧氣傳感器比較靈敏，剛打開DISLab 8.0傳感器軟件時，傳感器測得的數據會出現快速變化，此時記錄的數據是不準確的。傳感器可以連續、實時測量數據。在相對穩定時開始記錄，獲取的實驗數據更可信。

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

（三）增加磁力攪拌器，正確使用傳感器

溶解氧的測量是一個消耗氧氣的過程（待測液中氧氣穿過選擇性透氣膜參與電極內部發生電化學反應），如電極和溶液均靜止不動，則電極薄膜位置周圍氧氣會被不斷消耗，數值發生變化（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、實驗過程

（一）材料預處理

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。配制質量分數為0.1%的碳酸氫鈉溶液。

（二）設置自變量

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

（三）組裝實驗裝置

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，向錐形瓶內依次加入磁力攪拌器的轉子、300 ml質量分數為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裝置放入智能光照培養箱中。

（四）實驗并采集數據

測量三組光照度下實驗瓶內的溶解氧含量變化。設置智能光照培養箱的相關數值為低強光組（光照度5 000 lx），保持溫度25℃和濕度80%的環境條件不變，開啟DISLab 8.0軟件系統，待數值相對穩定時，設置每隔1 min記錄實驗瓶內溶解氧的數據。在更換等量的新金魚藻和碳酸氫鈉溶液之后，分別測量中強光組（光照度10 000 lx）和高強光組（光照度15 000 lx）實驗瓶內溶解氧的數據（見表1）。

四、實驗結果與分析

分析數據可知，三種光照條件下，水中的溶解氧都是逐漸增多的，光合作用產生了氧氣，驗證了實驗結論。另外，學生將三種光照度下水中溶解氧的數據轉化為曲線圖（如圖2），發現光照度越大，實驗瓶內溶解氧的含量增加越快，說明在一定范圍，增大光照度，氧氣的產生速度加快。推理可知，在一定范圍內，光照度會影響金魚藻光合作用，光照度越大，光合作用越強。師生對“光合作用產生氧氣”實驗進行改進，簡化了實驗步驟，縮短了實驗時間，提高了實驗成功率的同時，也使得實驗效果更加明顯^[2]。

五、總結與建議

（一）推進信息技術與教學深度融合

興趣小組的學生針對傳統實驗的問題，將傳統實驗與數字化實驗有機結合設計并實施了此實驗。傳統實驗中，巧妙地選擇水生綠色植物產生、收集氧氣，將無形的、微小的、不可見的現象轉化有形且可見的現象，同時利用帶火星的衛生香復燃檢驗氧氣。這樣實驗有一定的趣味性，但受到許多條件的限制。

與傳統實驗相比，數字化實驗更加精準——將學生感官感受到的信息即時轉化為數據，大幅縮短了實驗時間。此外，傳感器可以連續記錄數據，學生利用這些連續變化的數據可以了解植物光合作用受光照度影響的動態變化過程，將定性實驗定量化，更容易發現規律。教師在趣味實驗中借助數字化手段教學，用傳感器讓學生“看”到其內在發生的反應，不僅讓他們覺得有趣，而且更深層次地了解反應的原理^[3]。傳統實驗和數字化實驗的有機結合，既能讓學生在感受實驗帶來趣味性時又能快速得到實驗結果，有利于信息技術與生物學教學深度融合。

（二）積極開展探究實驗，提高學生核心素養

課標注重學生自身價值的發展，倡導構建以學生發展為本的生物學課堂。筆者以學生實驗時遇到的困惑為背景，以真實情境中的問題激發學生的探究欲。在此基礎上，筆者引導興趣小組學生查閱資料探究植物光合作用的相關實驗，獲得了啟發，設計并實施了方案，獲得證據從而解決問題。在這個過程中，學生積極、主動思考，不僅發展了科學思維，而且學會了創造條件解決問題，提升了能力。教師利用“實驗”的問題引導學生做“實驗”有利于提升學生核心素養。

（三）利用傳感器開展數字化實驗，有助于促進跨學科實踐

課標提出，跨學科實踐是擴展視野、增強本領的重要途徑。在跨學科實踐中，學生要能夠理解學科間的關系，并嘗試運用多學科的知識和方法，解決現實問題，發展核心素養。教師改進傳統實驗的教學方法，引導學生使用氧氣傳感器、DISLab 8.0傳感器軟件和智能光照培養箱等儀器進行數字化實驗，并將實驗數據轉化為曲線圖進行數據分析，可以幫助他們將解決問題的想法或創意付諸實踐。在此過程中，學生基于真實情境，使用物理儀器（氧氣傳感器）和信息軟件（DISLab 8.0傳感器軟件）收集實驗數據，并運用數學方法或工具（曲線圖）進行數據分析，得出了具有科學可信的實驗結果，解除了困惑。總之，教師科學地開展數字化實驗有助于學生跨學科實踐。

注：本文系2022年安徽省教育科學規劃立項課題“基于核心備課組的IMA區域教研模式創新研究”（項目編號：JK22092）的階段性成果之一。

參考文獻

[1] 吳成軍.義務教育生物學核心素養的內涵及分析[J].生物學教學，2022（7）：2-5.

[2] 鮑永娟，梁旭.對實驗“光合作用產生氧氣”的探究與改進[J].中學生物學，2020（10）：49-50.

[3] 龐紅梅.傳感器“眼”中的“藍瓶子”[J].中學化學教學參考，2020（7）：47-49.

（作者李樂峰系安徽省淮北市教育科學研究所正高級教師；張小穎系安徽省淮北實驗學校教師；鐘燕婷系淮北師范大學生命科學學院研究生）

責任編輯：祝元志