李樂峰　丁元元

摘 要 用氧氣傳感器進行實驗，直觀地觀察到單位時間產生氧氣量。通過控制外界條件的變化，結合氧氣含量的變化值，探究光合作用的影響因素。不僅節(jié)約了課堂的有限時間，對于樹立學生的實證意識，體驗科學探究的樂趣，構建光合作用的概念都有重要作用。

關鍵詞 義務教育 光合作用 氧氣傳感器

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

綠色植物的“光合作用”是生物學中的重要概念，義務教育教材選用多個驗證性實驗（驗證綠葉在光下合成淀粉、檢驗光合作用釋放氧氣、檢驗光合作用需要二氧化碳、研究不同光譜成分對植物生活的影響等），意在引導學生通過分析和判斷實驗獲得的證據、數據，讓學生自我建構“光合作用”這一重要概念。實踐證明，使用氧氣傳感器對本節(jié)實驗教學有很好的輔助作用。

1 使用氧氣傳感器進行實驗教學的思路

現行義務教育生物教材，大多利用“檢驗不同情況下天竺葵葉片中能否生成淀粉”，分別說明光合作用的原料、條件及影響因素。如利用“天竺葵在無二氧化碳條件下無法合成淀粉”，證明二氧化碳是光合作用的原料。淀粉存在于植物體中，檢驗其存在，要經過多個步驟，耗時較長，受每周課時量的影響，很多前期工作必須安排在課外完成。尤其是光合作用影響因素的探究，使用定量檢驗淀粉的方式更無法完成。學生不能當堂看到實驗結果，或實驗過程的連貫性不夠，成果呈現滯后。光合作用的另一產物是氧氣。用水草做材料時，學生能夠看到氣泡的冒出，采用計數單位時間氣泡數目的方式，判斷光合作用強度，結果很不準確。

氧氣傳感器能實時監(jiān)測數據的變化，通過檢測不同情況下（如缺少二氧化碳、無光、改變光強或光質等），水草釋放氧氣的相對量，為探究光合作用原料、條件及影響因素等方面，提供實證數據。

2 實驗準備

2.1 實驗裝置

（1） 一套氧氣傳感器設備包括氧氣傳感器探頭、數據采集器、電腦等構成。

（2） 容器的選擇：根據氧氣傳感器探頭直徑的尺寸，宜選擇規(guī)格為1 000 mL的細口瓶。在傳感器探頭外圍，包裹多層保鮮膜，即可用于瓶口密合，而且氣密性好。

（3） 瓶中的水量：細口瓶中加水以900 mL為宜。水過少，瓶內空氣柱高，一定時間內水草釋放的氧氣量引起的傳感器示數變化較小。若加水過多，操作過程中瓶子的晃動水容易濺到傳感器探頭上，影響示數。

2.2 實驗材料

（1） 水草的種類：因課堂時間有限，選用獲取、養(yǎng)殖方便，宜使用效果明顯且易存活的苲藻。苲藻使用前應適當清洗，除去其上附著的泥土和其他附著物。

（2） 苲藻的放置量：以規(guī)格為1 000 mL的細口瓶為例，瓶中苲藻量，以鮮重20 g為宜。苲藻過少，光合作用能力有限，一定時間內氧氣釋放量少，傳感器示數變化小。而苲藻過多，互相遮光，呼吸作用總量增加，會影響實驗效果。

2.3 光源的選擇

（1） 光合作用中的實驗，很多版本的教材都是使用白熾燈。美國科學發(fā)現者教材中也是通過使用白熾燈控制光照強度，計數釋放氧氣的氣泡數，衡量光合速率。

（2） 消除溫度升高的方法：白熾燈在發(fā)光的同時會產生較高的熱量，環(huán)境溫度的升高會影響光合速率。因此，為消除溫度差異對實驗數據的影響，可以在細口瓶前加一個35×25×7 cm的玻璃水槽，其內加水，效果明顯。

3 實驗實施

3.1 二氧化碳是光合作用原料的實驗

（1） 碳酸氫鈉溶液濃度的選擇見表1。

由表1可見，碳酸氫鈉溶液的質量分數為0.1%，相對較好。

（2） 實驗對照：取兩個細口瓶，裝等量的新鮮苲藻。一個瓶中加入燒開后密封冷卻的涼開水，在課前短暫照光（約8 min），使瓶內保留的空氣柱及水草體內因呼吸產生的少量二氧化碳充分消耗掉，保障實驗裝置內無二氧化碳；另一個細口瓶裝入等量的0.1%碳酸氫鈉溶液備用。

（3） 給予光照，同時點擊計時開始。實驗進行320 s，氧氣傳感器收集的數據，為瓶中氣柱內氧氣的百分比含量。收集的數據見表2。

由表2可見，碳酸氫鈉溶液可為苲藻提供二氧化碳，涼開水中無二氧化碳，比較照光后兩瓶內空氣柱中氧氣含量的變化，碳酸氫鈉瓶中氧氣含量不斷上升，說明光合作用產生了氧氣。涼開水瓶中氧氣含量不變，則可說明：缺少二氧化碳時，光合作用不能進行，得出“二氧化碳是光合作用的原料”。

3.2 探究光照強度對光合作用的影響

（1） 光照強度的控制。利用白熾燈，通過改變光源與細口瓶之間的距離，以調整光照強度。兩組實驗中，實驗裝置距光源分別是10 cm和30 cm。使用光照強度傳感器，實測光照強度分別為48 750 lx和15 565 lx。

（2） 實驗結果見表3。

由表3可見，在相同時間內，光照強度大，產生的氧氣多，光合作用比較強。

3.3 探究光質對光合作用的影響

（1） 分別使用紅色與綠色玻璃紙包裹兩個細口瓶。

（2） 實驗數據收集如表4所示。

由表4數據分析可見，苲藻在紅光下光合作用較強，釋放較多氧氣；在綠光下，細口瓶中的氧氣含量下降，苲藻光合作用小于呼吸作用。

4 對利用氧氣傳感器進行光合作用實驗的幾點思考

4.1 利用氧氣傳感器作為測量工具有很大的優(yōu)勢

傳感器靈敏度高，能夠檢測微弱信號的存在，并捕捉到信號的微小變化和瞬間變化，因此大幅度地增加實驗可研究范圍的深度、廣度。使用氧氣傳感器，可在短時間內測得水草進行光合作用時釋放的氧氣量，解決現有教材中經典實驗耗時長、結果呈現滯后、不能進行影響因素探究的問題。且水草進行光合作用時釋放的氣泡能看到，能讀到傳感器顯示數字，可將抽象的“光合作用產生氧氣”直觀地呈現在學生眼前，對于影響因素的探究也能進行定量分析。

氧氣傳感器能實時測量密閉容器內氧氣的百分比含量，相應軟件可自動記錄實驗時容器內氧氣含量的變化數據。通過分析實驗組、對照組在實驗前后氧氣含量變化的差異，引導學生樹立實證意識。傳感器強大的功能對激發(fā)學生的科學興趣也能起到積極地效果。由于信息技術與學科教學的深度融合，將傳感器應用于課堂教學實驗的案例會越來越多。

在實驗課上，不同小組可以選做不同的實驗，然后分享實驗的成果，豐富了學生對光合作用影響因素、原料、產物的認識，以大量事實作為支撐的概念教學真正地落到了實處。

4.2 從不同的角度看待實驗結果

（1） 課堂上，往往多組實驗同時進行，每一組對照實驗就要使用兩個氧氣傳感器探頭，而氧氣傳感器本身的靈敏度是有差異的，因此不同組的數據之間會存在差異。實際上，教師只要引導學生在分析數據時，使學生關注本組實驗數據的“變化量”與實驗條件即可得出科學結論。

（2） 實驗材料的選取及實驗持續(xù)的時間差異，對實驗數據也有很大影響。如材料是否新鮮，選取苲藻的部位，是否剪斷，照光后記錄數據的時間段長短等。這些因素不同，氧氣含量示數也會有差異。因此在教師引導學生分析數據時，仍應關注本組實驗數據的前后變化，通過氧氣變化量反映該實驗條件對光合作用的影響。

（3） 設置涼開水證明“二氧化碳是原料”的一組裝置，如果沒有進行預先的照光實驗，實驗剛開始時也是有氧氣產生的，這顯然會增加干擾環(huán)節(jié)。因此，需要預先照光處理，主要是因為苲藻的莖中空，呼吸作用產生的二氧化碳會先貯存其中，光照適宜時也能產生氧氣。

參考文獻：

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