蔡三娟

(江蘇省南京市第九初級中學 210018)

在實驗過程中使用傳感器，能利用數(shù)字、圖表等直觀的數(shù)據(jù)精確反映出定量實驗的結(jié)果，將以往的定性實驗提高為定量實驗，使傳統(tǒng)實驗中無法完成的實驗得到很好的改進，具有非常獨到的優(yōu)點。但是，目前為止，有關傳感器應用于中學生物實驗教學中的實踐并不多[1]。為此，筆者嘗試將生物傳感器運用在植物呼吸作用實驗中，實驗結(jié)果表明，使用傳感器對本節(jié)實驗教學有很好的輔助作用。

蘇教版七年級上冊“植物的呼吸作用”一節(jié)安排了“植物呼吸作用產(chǎn)生CO2”和“植物呼吸作用消耗氧氣”兩個實驗，均采用傳統(tǒng)的實驗方法，且為定性實驗。在教學過程中，引入傳感器測量，與傳統(tǒng)實驗相輔相成，可使實驗結(jié)果更科學，更有說服力。此外，應用濕度傳感器和溫度傳感器，檢測植物呼吸作用引起的環(huán)境CO2濃度、濕度和溫度的變化，引導學生分析植物呼吸作用過程中物質(zhì)和能量的變化，將傳統(tǒng)的定性實驗上升為定量實驗，能使學生深刻地理解和掌握知識，取得更佳的教學效果。

1 植物呼吸作用產(chǎn)生CO2的檢測

傳統(tǒng)的實驗方法是用澄清石灰水來檢測CO2，通過觀察澄清石灰水的渾濁程度來判斷植物是否產(chǎn)生了CO2。但是，具體釋放了多少CO2，無從得知。另外，實驗過程中受到塑料袋的氣密性和石灰水的質(zhì)量等因素的限制，且CO2的含量要達到一定的量才能觀察到實驗現(xiàn)象，操作起來比較繁瑣，使得實驗的實施和實驗效果有一定的局限性。采用CO2傳感器能精確測定植物一段時間內(nèi)進行呼吸作用產(chǎn)生CO2的量，還能反應植物呼吸作用的過程，實驗操作更方便、結(jié)果更直接。

1.1 實驗方法 實驗步驟如下：

(1)處理實驗材料 選取兩份20g菠菜，其中實驗組為新鮮菠菜，對照組菠菜用開水燙過；分別裝入500mL的錐形瓶，錐形瓶外包裹一層黑色塑料袋，放置3h。

(2)連接裝置 將兩個CO2傳感器與數(shù)據(jù)采集器、計算機連接，然后將傳感器的探頭插入錐形瓶塞后分別伸入兩個錐形瓶中。

(3)數(shù)據(jù)采集 打開實驗系統(tǒng)軟件TriE ilab ，進入數(shù)據(jù)采集頁面，設置數(shù)據(jù)采集時間為1 min，選擇相應模板和曲線名稱后，點擊“開始實驗”按鈕，開始采集數(shù)據(jù)，這時界面上就會顯示錐形瓶內(nèi)CO2的含量值和變化曲線。

1.2 實驗結(jié)果與分析 數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，可得到1min內(nèi)CO2的含量變化數(shù)值(表1)和CO2含量隨時間變化的曲線(圖1)。從表1可以看出，黑暗處理3h后，實驗組CO2含量明顯高于對照組，說明植物呼吸作用產(chǎn)生了CO2。根據(jù)兩者的差值可準確得出植物在一定時間內(nèi)呼吸作用產(chǎn)生CO2的含量，這一點在曲線(圖1)上也能直觀地體現(xiàn)出來。同時，觀察圖1發(fā)現(xiàn)，實驗組曲線傾斜向上，而對照組是一條水平的直線，說明實驗組植物在測定時間內(nèi)仍然在進行呼吸作用產(chǎn)生CO2?？梢?，通過CO2傳感器，不僅能測定植物一段時間內(nèi)產(chǎn)生的CO2的含量，還能記錄植物呼吸作用的過程，與傳統(tǒng)實驗方法相比，這種實驗方法更加精確和客觀。

表1 兩個錐形瓶內(nèi)CO2含量的比較

圖1 暗處理3h后CO2含量變化曲線

(注：ppm的計量單位為μL/L)

2 植物呼吸作用產(chǎn)生水的檢測

植物在有氧條件下進行的呼吸作用，不僅會產(chǎn)生CO2，還會產(chǎn)生水。為了說明這一點，通常是在課堂上引導學生觀察裝有新鮮植物材料的容器內(nèi)壁上是否產(chǎn)生水珠，方法簡單明了。但問題是，如果看不到水珠就肯定沒有水產(chǎn)生嗎？濕度傳感器的使用就可以使問題迎刃而解。

2.1 實驗方法 實驗步驟如下：

(1)處理實驗材料 選取兩份綠豆種子，各30g；一份萌發(fā)，另一份烤熟；分別裝入500mL的錐形瓶，在室溫下放置3h。

(2)連接裝置 將兩個濕度傳感器與數(shù)據(jù)采集器、計算機連接，然后將傳感器的探頭插入錐形瓶塞后分別伸入兩個錐形瓶中。

(3)數(shù)據(jù)采集 打開實驗系統(tǒng)軟件TriE ilab ，進入數(shù)據(jù)采集頁面，設置數(shù)據(jù)采集時間為1min，選擇相應模板和曲線名稱后，點擊“開始實驗”按鈕，開始采集數(shù)據(jù)，這時界面上就會顯示錐形瓶內(nèi)濕度值和濕度的變化曲線。

2.2 實驗結(jié)果與分析 在實驗進行1min后，可得到兩個錐形瓶內(nèi)的濕度值(表2)和濕度隨時間變化曲線(圖2)，從表2可以看出，1min后實驗組錐形瓶內(nèi)的濕度為93.5%，而對照組錐形瓶內(nèi)的濕度為50.0%，濕度可間接反應了產(chǎn)生水的含量，分析實驗組和對照組濕度的差異，可得出植物呼吸作用產(chǎn)生了水。同樣，觀察圖2中的曲線變化趨勢，發(fā)現(xiàn)測定的1min內(nèi)，實驗組中植物的呼吸作用仍在繼續(xù)，并有水生成(第60s的濕度比剛開始測定時的濕度高2.5%)，實驗結(jié)果更準確直觀，讓學生有更直觀、更深刻的認識，還能在短時間內(nèi)(還未形成明顯水珠時)檢測到植物呼吸作用產(chǎn)生了水。

表2 兩個錐形瓶內(nèi)濕度的比較

圖2 室溫下放置3h后濕度變化曲線

3 植物呼吸作用釋放能量的檢測

在前兩個實驗進行的同時，可同步探究植物呼吸作用釋放能量，即用溫度傳感器測定實驗裝置內(nèi)的溫度。測得的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器上傳到計算機，在分析CO2含量、濕度的同時，分析溫度的變化，以說明植物呼吸作用是否釋放了能量，測定的原理與傳統(tǒng)實驗中用溫度計測定裝有植物的保溫瓶內(nèi)的溫度是一樣的。由于該實驗比較特殊，需要用到保溫裝置，且在測定過程中不能與外界環(huán)境發(fā)生溫度傳遞，受到實驗裝置的限制，不宜分組實驗，采用教師演示實驗。

3.1 實驗方法 實驗材料和方法步驟參考2.1所述，不同的是將錐形瓶換成保溫瓶，將濕度傳感器換成溫度傳感器。

3.2 實驗結(jié)果與分析 從溫度傳感器測得的數(shù)據(jù)(表3)可以看出，實驗組測定結(jié)束時的溫度是56.1℃，對照組測定結(jié)束時的溫度是25.4℃(接近當時的室溫)，在測定的1min內(nèi)，實驗組溫度略有上升，對照組溫度保持不變，比較可知，植物呼吸作用釋放了能量，且測定時間內(nèi)植物呼吸作用的過程仍在進行。由于傳感器反應靈敏，能在短時間內(nèi)迅速測得容器內(nèi)的溫度，且數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點后一位，比溫度計更快捷準確。另一方面，每個數(shù)據(jù)采集器上都有4個通道，可同時連接4個傳感器，且實驗系統(tǒng)軟件中有多個復合模板可選，這就意味著實驗過程中可同時測定兩個或兩個以上的生理指標。同時，分析不同指標的變化情況，節(jié)省實驗時間，提高實驗效率，還能確保實驗結(jié)果的準確性，能取得更佳的教學效果。

表3 兩個保溫瓶內(nèi)溫度的比較