李樂(lè)峰　丁元元

摘 要 用氧氣傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直觀地觀察到單位時(shí)間產(chǎn)生氧氣量。通過(guò)控制外界條件的變化，結(jié)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(shí)間，對(duì)于樹(shù)立學(xué)生的實(shí)證意識(shí)，體驗(yàn)科學(xué)探究的樂(lè)趣，構(gòu)建光合作用的概念都有重要作用。

關(guān)鍵詞 義務(wù)教育 光合作用 氧氣傳感器

中圖分類(lèi)號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

綠色植物的“光合作用”是生物學(xué)中的重要概念，義務(wù)教育教材選用多個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)（驗(yàn)證綠葉在光下合成淀粉、檢驗(yàn)光合作用釋放氧氣、檢驗(yàn)光合作用需要二氧化碳、研究不同光譜成分對(duì)植物生活的影響等），意在引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)分析和判斷實(shí)驗(yàn)獲得的證據(jù)、數(shù)據(jù)，讓學(xué)生自我建構(gòu)“光合作用”這一重要概念。實(shí)踐證明，使用氧氣傳感器對(duì)本節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有很好的輔助作用。

1 使用氧氣傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思路

現(xiàn)行義務(wù)教育生物教材，大多利用“檢驗(yàn)不同情況下天竺葵葉片中能否生成淀粉”，分別說(shuō)明光合作用的原料、條件及影響因素。如利用“天竺葵在無(wú)二氧化碳條件下無(wú)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(yàn)其存在，要經(jīng)過(guò)多個(gè)步驟，耗時(shí)較長(zhǎng)，受每周課時(shí)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(yàn)淀粉的方式更無(wú)法完成。學(xué)生不能當(dāng)堂看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，或?qū)嶒?yàn)過(guò)程的連貫性不夠，成果呈現(xiàn)滯后。光合作用的另一產(chǎn)物是氧氣。用水草做材料時(shí)，學(xué)生能夠看到氣泡的冒出，采用計(jì)數(shù)單位時(shí)間氣泡數(shù)目的方式，判斷光合作用強(qiáng)度，結(jié)果很不準(zhǔn)確。

氧氣傳感器能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化，通過(guò)檢測(cè)不同情況下（如缺少二氧化碳、無(wú)光、改變光強(qiáng)或光質(zhì)等），水草釋放氧氣的相對(duì)量，為探究光合作用原料、條件及影響因素等方面，提供實(shí)證數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

（1） 一套氧氣傳感器設(shè)備包括氧氣傳感器探頭、數(shù)據(jù)采集器、電腦等構(gòu)成。

（2） 容器的選擇：根據(jù)氧氣傳感器探頭直徑的尺寸，宜選擇規(guī)格為1 000 mL的細(xì)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(xì)口瓶中加水以900 mL為宜。水過(guò)少，瓶?jī)?nèi)空氣柱高，一定時(shí)間內(nèi)水草釋放的氧氣量引起的傳感器示數(shù)變化較小。若加水過(guò)多，操作過(guò)程中瓶子的晃動(dòng)水容易濺到傳感器探頭上，影響示數(shù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

（1） 水草的種類(lèi)：因課堂時(shí)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(yīng)適當(dāng)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(xì)口瓶為例，瓶中苲藻量，以鮮重20 g為宜。苲藻過(guò)少，光合作用能力有限，一定時(shí)間內(nèi)氧氣釋放量少，傳感器示數(shù)變化小。而苲藻過(guò)多，互相遮光，呼吸作用總量增加，會(huì)影響實(shí)驗(yàn)效果。

2.3 光源的選擇

（1） 光合作用中的實(shí)驗(yàn)，很多版本的教材都是使用白熾燈。美國(guó)科學(xué)發(fā)現(xiàn)者教材中也是通過(guò)使用白熾燈控制光照強(qiáng)度，計(jì)數(shù)釋放氧氣的氣泡數(shù)，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(shí)會(huì)產(chǎn)生較高的熱量，環(huán)境溫度的升高會(huì)影響光合速率。因此，為消除溫度差異對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，可以在細(xì)口瓶前加一個(gè)35×25×7 cm的玻璃水槽，其內(nèi)加水，效果明顯。

3 實(shí)驗(yàn)實(shí)施

3.1 二氧化碳是光合作用原料的實(shí)驗(yàn)

（1） 碳酸氫鈉溶液濃度的選擇見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，碳酸氫鈉溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%，相對(duì)較好。

（2） 實(shí)驗(yàn)對(duì)照：取兩個(gè)細(xì)口瓶，裝等量的新鮮苲藻。一個(gè)瓶中加入燒開(kāi)后密封冷卻的涼開(kāi)水，在課前短暫照光（約8 min），使瓶?jī)?nèi)保留的空氣柱及水草體內(nèi)因呼吸產(chǎn)生的少量二氧化碳充分消耗掉，保障實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)無(wú)二氧化碳；另一個(gè)細(xì)口瓶裝入等量的0.1%碳酸氫鈉溶液備用。

（3） 給予光照，同時(shí)點(diǎn)擊計(jì)時(shí)開(kāi)始。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行320 s，氧氣傳感器收集的數(shù)據(jù)，為瓶中氣柱內(nèi)氧氣的百分比含量。收集的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)，碳酸氫鈉溶液可為苲藻提供二氧化碳，涼開(kāi)水中無(wú)二氧化碳，比較照光后兩瓶?jī)?nèi)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(shuō)明光合作用產(chǎn)生了氧氣。涼開(kāi)水瓶中氧氣含量不變，則可說(shuō)明：缺少二氧化碳時(shí)，光合作用不能進(jìn)行，得出“二氧化碳是光合作用的原料”。

3.2 探究光照強(qiáng)度對(duì)光合作用的影響

（1） 光照強(qiáng)度的控制。利用白熾燈，通過(guò)改變光源與細(xì)口瓶之間的距離，以調(diào)整光照強(qiáng)度。兩組實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)裝置距光源分別是10 cm和30 cm。使用光照強(qiáng)度傳感器，實(shí)測(cè)光照強(qiáng)度分別為48 750 lx和15 565 lx。

（2） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可見(jiàn)，在相同時(shí)間內(nèi)，光照強(qiáng)度大，產(chǎn)生的氧氣多，光合作用比較強(qiáng)。

3.3 探究光質(zhì)對(duì)光合作用的影響

（1） 分別使用紅色與綠色玻璃紙包裹兩個(gè)細(xì)口瓶。

（2） 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集如表4所示。

由表4數(shù)據(jù)分析可見(jiàn)，苲藻在紅光下光合作用較強(qiáng)，釋放較多氧氣；在綠光下，細(xì)口瓶中的氧氣含量下降，苲藻光合作用小于呼吸作用。

4 對(duì)利用氧氣傳感器進(jìn)行光合作用實(shí)驗(yàn)的幾點(diǎn)思考

4.1 利用氧氣傳感器作為測(cè)量工具有很大的優(yōu)勢(shì)

傳感器靈敏度高，能夠檢測(cè)微弱信號(hào)的存在，并捕捉到信號(hào)的微小變化和瞬間變化，因此大幅度地增加實(shí)驗(yàn)可研究范圍的深度、廣度。使用氧氣傳感器，可在短時(shí)間內(nèi)測(cè)得水草進(jìn)行光合作用時(shí)釋放的氧氣量，解決現(xiàn)有教材中經(jīng)典實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)、結(jié)果呈現(xiàn)滯后、不能進(jìn)行影響因素探究的問(wèn)題。且水草進(jìn)行光合作用時(shí)釋放的氣泡能看到，能讀到傳感器顯示數(shù)字，可將抽象的“光合作用產(chǎn)生氧氣”直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，對(duì)于影響因素的探究也能進(jìn)行定量分析。

氧氣傳感器能實(shí)時(shí)測(cè)量密閉容器內(nèi)氧氣的百分比含量，相應(yīng)軟件可自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)時(shí)容器內(nèi)氧氣含量的變化數(shù)據(jù)。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組在實(shí)驗(yàn)前后氧氣含量變化的差異，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立實(shí)證意識(shí)。傳感器強(qiáng)大的功能對(duì)激發(fā)學(xué)生的科學(xué)興趣也能起到積極地效果。由于信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)的深度融合，將傳感器應(yīng)用于課堂教學(xué)實(shí)驗(yàn)的案例會(huì)越來(lái)越多。

在實(shí)驗(yàn)課上，不同小組可以選做不同的實(shí)驗(yàn)，然后分享實(shí)驗(yàn)的成果，豐富了學(xué)生對(duì)光合作用影響因素、原料、產(chǎn)物的認(rèn)識(shí)，以大量事實(shí)作為支撐的概念教學(xué)真正地落到了實(shí)處。

4.2 從不同的角度看待實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1） 課堂上，往往多組實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，每一組對(duì)照實(shí)驗(yàn)就要使用兩個(gè)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(shù)據(jù)之間會(huì)存在差異。實(shí)際上，教師只要引導(dǎo)學(xué)生在分析數(shù)據(jù)時(shí)，使學(xué)生關(guān)注本組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的“變化量”與實(shí)驗(yàn)條件即可得出科學(xué)結(jié)論。

（2） 實(shí)驗(yàn)材料的選取及實(shí)驗(yàn)持續(xù)的時(shí)間差異，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的時(shí)間段長(zhǎng)短等。這些因素不同，氧氣含量示數(shù)也會(huì)有差異。因此在教師引導(dǎo)學(xué)生分析數(shù)據(jù)時(shí)，仍應(yīng)關(guān)注本組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的前后變化，通過(guò)氧氣變化量反映該實(shí)驗(yàn)條件對(duì)光合作用的影響。

（3） 設(shè)置涼開(kāi)水證明“二氧化碳是原料”的一組裝置，如果沒(méi)有進(jìn)行預(yù)先的照光實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí)也是有氧氣產(chǎn)生的，這顯然會(huì)增加干擾環(huán)節(jié)。因此，需要預(yù)先照光處理，主要是因?yàn)槠z藻的莖中空，呼吸作用產(chǎn)生的二氧化碳會(huì)先貯存其中，光照適宜時(shí)也能產(chǎn)生氧氣。

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