李金月　李韶山　丁麗卿

摘要 采用手持技術(shù)開展“環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”的探究實(shí)驗(yàn)，通過(guò)溶解氧傳感器測(cè)定光合作用釋放的氧氣以反映光合作用強(qiáng)度，嘗試將數(shù)字化傳感器技術(shù)與中學(xué)生物科學(xué)探究相結(jié)合，為中學(xué)生物探究實(shí)驗(yàn)提供參考。

關(guān)鍵詞 溶解氧傳感器 光合作用 實(shí)驗(yàn)探究

中圖分類號(hào) Q-33 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

“探究環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”是人教版高中生物必修1中的一個(gè)重要的探究性實(shí)驗(yàn)，目的在于讓學(xué)生進(jìn)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(shí)間內(nèi)葉圓片浮起的數(shù)量，以此表示光合作用的強(qiáng)弱。該探究實(shí)驗(yàn)方案只是一個(gè)定性觀察實(shí)驗(yàn)，且耗時(shí)長(zhǎng)，操作復(fù)雜，在高中生物教學(xué)實(shí)踐中較難開展。

手持技術(shù)是指由數(shù)據(jù)采集器、傳感器和計(jì)算機(jī)及配套的軟件組成的定量采集數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)。本研究采用手持技術(shù)探究環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響，采用溶解氧傳感器可以較為簡(jiǎn)便檢測(cè)水中溶解氧含量的變化，定量測(cè)定光合作用強(qiáng)度，同時(shí)結(jié)合光照度和溫度傳感器，幫助學(xué)生進(jìn)一步深入理解環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響。探索將手持技術(shù)與高中生物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整合，為中學(xué)生物探究實(shí)驗(yàn)提供參考。

1實(shí)驗(yàn)原理

黑藻是一種常見的水生高等植物，在進(jìn)行光合作用過(guò)程中釋放氧氣，溶解在水中。溶解氧傳感器可精確測(cè)出水體中氧含量的變化，利用溶解氧傳感器測(cè)量植物光合作用中釋放的氧氣的量，就可以精確地檢測(cè)植物光合作用的強(qiáng)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(jìn)入黑藻葉片細(xì)胞內(nèi)，其反應(yīng)式為NaHCO₃=Na⁺+HCO₃^-，因此NaHCO₃可作為水生植物光合作用CO₂的來(lái)源。

2實(shí)驗(yàn)材料與儀器藥品

實(shí)驗(yàn)材料：黑藻。

實(shí)驗(yàn)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(shù)據(jù)采集器、溶解氧傳感器、光照度傳感器、溫度傳感器。

3探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程

反應(yīng)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(shù)設(shè)置：數(shù)據(jù)采集頻率10/s，測(cè)定1000個(gè)數(shù)據(jù)。

3.1探究二氧化碳濃度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響

（1）濃度梯度設(shè)定：配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(shù)據(jù)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(jìn)行參數(shù)設(shè)置，分別測(cè)定6個(gè)裝置中的溶解氧濃度，作為初始數(shù)據(jù)。

（3）光照培養(yǎng)：將6個(gè)裝置全部置于LED燈下光照處理一段時(shí)間，采用光照度傳感器測(cè)得光強(qiáng)約11000lx，采用溫度傳感器測(cè)定溶液溫度為26.5%。

（4）測(cè)定數(shù)據(jù)：在光照15min后，用溶解氧傳感器分別測(cè)定每個(gè)裝置中的溶解氧濃度。

3.2探究光照對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響

（1）溶液配制：質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%的NaHCO₃溶液。

（2）連接裝置：連接好實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)。分別測(cè)定4個(gè)裝置中的溶解氧濃度，作為初始數(shù)據(jù)。

（3）光照強(qiáng)度設(shè)定：將4個(gè)裝置分別放置于距LED燈5、10、15、20cm處，用光照度傳感器測(cè)定光照度數(shù)據(jù)。

（4）測(cè)定數(shù)據(jù)：在光照15min后，用溶解氧傳感器分別測(cè)定每個(gè)裝置中的溶解氧濃度。

3.3探究不同光質(zhì)對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響

（1）溶液配制：質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%的NaHCO₃溶液。

（2）連接裝置：連接好實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)。用光照度傳感器測(cè)得光照度數(shù)據(jù)，分別測(cè)定6個(gè)裝置中的溶解氧濃度，作為初始數(shù)據(jù)。

（3）光質(zhì)條件設(shè)定：用白色、紅色、藍(lán)色、紫色、黃色、綠色的玻璃紙罩住燒杯。

（4）測(cè)定數(shù)據(jù)：在光照15min后，用溶解氧傳感器分別測(cè)定每個(gè)裝置中的溶解氧濃度。

3.4探究溫度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響

（1）溶液配制：質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%的NaHCO₃溶液。

（2）連接裝置：連接好實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)。用光照度傳感器測(cè)得光照度數(shù)據(jù)，用溫度傳感器測(cè)定溫度數(shù)據(jù)，再測(cè)定3個(gè)裝置中的溶解氧濃度，作為初始數(shù)據(jù)。

（3）光照培養(yǎng)：將3個(gè)裝置分別置于冰浴（0℃）、常溫水?。?6.5℃）和高溫水?。?7℃）條件下，并置于LED燈下光照處理一段時(shí)間。

（4）測(cè)定數(shù)據(jù)：在光照15min后，用溶解氧傳感器分別測(cè)定每個(gè)裝置中的溶解氧濃度。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

不同濃度NaHCO₃溶液對(duì)光合作用影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。從表中數(shù)據(jù)可以看出6個(gè)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)組中溶解氧濃度均高于對(duì)照組，其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%的NaHCO₃溶液下光照培養(yǎng)15min溶解氧增加2.15mg·L^-，1.2%的NaHCO₃溶液對(duì)黑藻光合作用的促進(jìn)作用較明顯。

由表2可見，光合作用的實(shí)驗(yàn)裝置距離LED燈越近，即光照強(qiáng)度越大，溶解氧增加量越大。說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，植物光合作用強(qiáng)度隨著光照強(qiáng)度增加而增加。

從表3可知，不同光質(zhì)條件下黑藻的光合作用強(qiáng)度由強(qiáng)到弱依次是白光、黃光、紅光、紫光、藍(lán)光、綠光，可見不同光質(zhì)對(duì)光合作用強(qiáng)度影響不同。其中白光下溶解氧增加2.40mg·L^-，白光對(duì)黑藻光合作用的促進(jìn)作用最明顯。而綠光下溶解氧含量?jī)H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(qiáng)度由強(qiáng)到弱依次是常溫>高溫>低溫?？梢姕囟葧?huì)影響黑藻的光合作用速率。

5討論

通過(guò)與教材參考實(shí)驗(yàn)案例的比較可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用手持技術(shù)開展“探究植物光合作用的影響因素”實(shí)驗(yàn)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在：①培養(yǎng)學(xué)生的探究能力：本節(jié)實(shí)驗(yàn)課將以講解實(shí)驗(yàn)、演示實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為主的傳統(tǒng)教學(xué)方式改變?yōu)樘骄拷虒W(xué)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與探究學(xué)習(xí)。②培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)：將手持技術(shù)與生物實(shí)驗(yàn)課程整合，為學(xué)生探究學(xué)習(xí)提供數(shù)字化學(xué)習(xí)的環(huán)境、內(nèi)容和方式。③培養(yǎng)學(xué)生的定量思維：利用手持技術(shù)的數(shù)據(jù)采集和記錄的特點(diǎn)，教師可以向?qū)W生提供機(jī)會(huì)學(xué)習(xí)定量測(cè)定，引導(dǎo)學(xué)生實(shí)事求是地記錄、整理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、定量表述實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行圖表繪制，讓學(xué)生在量的變化中深入理解科學(xué)本質(zhì)。

將手持技術(shù)應(yīng)用于高中生物教學(xué)有利于培養(yǎng)學(xué)生的定量思維和科學(xué)探究能力，提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)?；谑殖旨夹g(shù)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和常規(guī)實(shí)驗(yàn)具有各自的優(yōu)勢(shì)和局限。教師在教學(xué)過(guò)程中可以結(jié)合教學(xué)內(nèi)容嘗試將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與常規(guī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整合，探索將兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的有效整合途徑，以期取得更好的教學(xué)效果。