2023年利用传感器探究“影响光合作用和呼吸作用的因素”的实验设计.doc

利用传感器探究利用传感器探究“影响光合作用和呼吸影响光合作用和呼吸作用的因素作用的因素”的实验设计的实验设计 徐力 摘要：以探究“影响光合作用和呼吸作用的因素”实验为例，介绍了基于传感器的数字化实验在初中生物实验教学中的应用。关键词：传感器，实验教学，光合作用，呼吸作用 中图分类号 Q-337 文献标志码：B“光合作用”和“呼吸作用”是七年级生物教学中的两个重要概念，探究影响光合作用和呼吸作用的因素是在学完光合作用和呼吸作用的概念之后进一步深化概念的过程。实验可以帮助学生在理解影响光合作用和呼吸作用的因素的基础上，将光合作用和呼吸作用的原理应用到农业生产中。关注相关的知识在生活、生产上的应用，不仅可以提高学生的生物科学素养，还可以培养学生的社会责任感。传统的实验具有一定的局限性，并且往往是定性实验，并不能精确地反应出光合作用和呼吸作用速率的变化。教师将传感器应用到探究实验中，可以精确地测出光合作用释放的 O2含量及呼吸作用释放的 CO2含量，将定性实验转变为定量实验，使得实验的结果更加准确，更具有说服力。1 利用传感器探究“光照强度对植物光合作用的影响”1.1 实验设计背景 在学习光照强度对光合作用的影响时，教师往往是直接告知学生或者出示一些资料让学生了解光照强度对光合作用是有影响的。学生无法通过真实的数据直观感受，也无法发展科学思维。在之前的实验设计中，笔者曾使用金鱼藻为探究材料，用烧杯和试管组装装置，通过改变灯与烧杯间的距离，分别测金鱼藻一定时间内放出的气泡数。但是该实验操作起来复杂，气泡的计数容易受到人为影响，实验并不能很精确地说明问题。因此，教师可以借助传感器设备来设计实验，让学生探究光照强度对光合作用的影响。1.2 实验材料 塑料箱、天竺葵（喜光植物）、LED 灯带、凡士林（用于密封处理）、碳酸氢钠溶液（用于维持箱内 CO2含量的相对稳定）、氧气传感器、光照强度传感器。1.3 实验过程 将 LED 灯带围绕塑料箱内部上方一圈。在塑料箱中放入天竺葵和装有一定量碳酸氢钠溶液的烧杯，将光照强度传感器和氧气传感器的探头放入塑料箱中。然后，将两个传感器与数据采集器和计算机相连。先测定室内自然光照下光合作用的速率，采集数据后，打开 LED 灯带，重复以上实验过程，记录打开照明灯后采集的实验数据，进行数据的统计和分析。1.4 实验結果 学生测定了一定时间内在室内自然光和打开照明灯两种不同的光照处理下，天竺葵光合作用释放 O2的量，并且将实验数据汇总处理（表 1）。1.5 试验分析 根据表 1 中的数据，光照强度增加后，O2的浓度增加，光合作用的强度也增加。同时，光照的时间也会影响光合作用，一定时间内，随着光照时间增加，光合作用强度也会增加.但光照强度会限制光合作用的强度，因此在 100min 后，光合作用强度几乎不再变化。当增加光照强度之后，会发现 O2浓度再次增加。通过数据采集，系统可以测量到具体的光照强度，并可以监测到一定时间内 O2浓度的变化。通过列表，可以很直观地看出光照强度对于光合作用强度的影响，学生可以发现不同光照强度下 O2的释放量是不同的。由此，教师可引导学生得出结论：光照强度是影响光合作用的重要因素，在一定范围内，光照强度越强，光合作用的速率越快。该实验设计结合了现代化的数字设备，也体现了信息技术和生物学科的融合。学生通过探究不仅可以理解光合作用这个重要概念的内涵，也可以掌握光合作用的原理在农业生产上的应用。2 利用传感器探究“温度对植物呼吸作用的影响”2.1 实验设计背景 CO2是植物细胞呼吸作用的产物之一，教师往往通过 CO2释放的多少来展示细胞呼吸作用的強弱。传统的实验往往是将不同温度下植物细胞呼吸作用产生的 CO2通入澄清石灰水，通过对比澄清石灰水的浑浊程度来对比呼吸作用的强度。但这样操作时，往往会出现各种各样的问题，如塑料袋的密封性可能会影响实验效果，澄清石灰水的质量也会影响浑浊程度的变化。而对于不同温度下植物细胞通过呼吸作用究竟释放了多少 CO2，学生并不清楚。因此，在探究温度对植物呼吸作用的影响时，教师可以借助 CO2传感器，设计探究实验的装置，精确测量实验数据，得到科学准确的实验结果。2.2 实验材料 带孔的塑料容器、CO2传感器、黑色塑料袋、新鲜青菜。2.3 实验过程 在塑料容器中装入一定量新鲜的青菜，将 CO2传感器的探头插入塑料容器中，将该装置密封，并且用黑色塑料袋遮盖容器，避免青菜进行光合作用。按照此方法设置 A、B 两组装置。注意 A、B 两组装置中青菜的质量要基本相等。教师引导学生将两组装置分别置于不同温度的环境中，如一组置于室温下，一组置于空调环境温度下。先利用 CO2传感器测量到起始状态装置内 CO2浓度，然后再测得一段时间后装置内 CO2浓度。接着，计算 CO2浓度的变化值，比较不同温度下 CO2释放量的不同，得出结论。教学中，学生可分多个小组进行测量，使结果更加精确。2.4 实验结果 表 2 是小组学生测得的一次实验结果。2.5 实验分析 根据表中的数据可以分析得知，在 22.3的环境下，青菜细胞呼吸作用 3h 共释放 CO2为 4405ppm;在 10.1的环境下，青菜细胞呼吸作用 3h 共释放 CO2为3046ppm。教师利用这样的教具进行教学，减少了实验的人为干扰，提高了学生的实验数据处理的能力和数据分析的理性思维。学生可以得到结论：在一定条件下，温度越高，植物的呼吸作用越强。学生会加深对“呼吸作用”这个概念的理解，明确呼吸作用的条件和产物，掌握光合作用和呼吸作用联系与区别，并能将呼吸作用的原理运用到生产实践中。3 总结 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息转换成所需形式输出，以满足显示、记录等要求。目前，传感器应用于初中生物课堂探究实验的案例还不是很多，相比于传统的探究实验，利用传感器进行生物实验探究可以得到更加精确的数据，通过对图表的绘制，也能够更直观地显示实验结果，帮助学生得出实验结论。学生在对数据的处理和分析中，也提高了自己的思维能力。