何東慧

一、教具的教學(xué)意義和價值

人教版(新課程標準)《高中生物(必修1)》《分子與細胞》模塊、細胞呼吸和光合作用兩個章節(jié)中提出，呼吸作用是由一系列酶催化的化學(xué)反應(yīng)，所以，溫度對呼吸作用有很大影響，一般情況下，呼吸作用的強弱主要受溫度、水分、氧氣、二氧化碳濃度等條件的影響[1]。而植物的光合作用也受多種環(huán)境因素的影響，其中主要影響因素是光照強度、光質(zhì)、溫度、二氧化碳濃度及光照時間等[2]。目前，在高中生物實驗教學(xué)中尚無用于探究這些影響細胞呼吸及光合作用因素的方便、快捷的實驗儀器，為了解決這一實驗教學(xué)難點，設(shè)計了“植物呼吸、光合作用探究儀”。

用此自制教具進行實驗，實驗方法簡單、易操作，且能10 min左右快速、直觀地觀察到實驗結(jié)果，實驗數(shù)據(jù)精準度高(定性、定量)。該教具又與現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，使探究儀內(nèi)的實驗過程及長期的種植實驗觀察都能時時掌握在學(xué)生的視野范圍內(nèi)，同時可以遠程控制箱內(nèi)的溫度、濕度、光強及開關(guān)，既提高了教具的穩(wěn)定性和安全性，又提高了學(xué)習(xí)生物的興趣，使學(xué)生的主動參與性更強?；橄鬄橹庇^，學(xué)生更容易理解，實驗效果非常的好。

二、教具裝置圖

具體實驗裝置圖如圖1、圖2所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的傳感器控制系統(tǒng)

圖2 植物呼吸、光合作用探究儀前視圖、頂視圖以及立體圖

三、儀器特點及用途

1.教具創(chuàng)新點

(1)填補實驗教具空白

在高中生物實驗教學(xué)中尚無用于探究影響細胞呼吸及光合作用因素的方便、快捷、綜合的實驗儀器。填補了探究“植物細胞呼吸、光合作用”實驗教具的空白，具有探究性強的特點。

(2)簡單快捷 多種實驗方法可選

用此自制教具進行實驗，實驗方法簡單、易操作，且能在10 min左右快速、直觀地觀察到實驗結(jié)果，實驗數(shù)據(jù)精準度高(定性、定量)。傳感器法、目測比色法和種植觀察法3種實驗方法供選擇，操作簡單方便，既可用于演示實驗，也可用于分組實驗，還可以用于水培或土培的種植觀察探究實驗。

(3)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

教具與現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，使探究儀內(nèi)的實驗過程及長期的種植實驗觀察都能時時掌握在學(xué)生的視野范圍內(nèi)，同時可以遠程控制箱內(nèi)的溫度、濕度、光強及開關(guān)，既提高了教具的穩(wěn)定性和安全性，又提高了學(xué)習(xí)生物的興趣，使學(xué)生的主動參與性更強。

(4)隨意組合 探究內(nèi)容全面

教具可以依據(jù)“探究影響植物細胞呼吸、光合作用的因素”實驗設(shè)計，隨意組合使用，完成實驗內(nèi)容。

(5)安全性強

教具采用冷光源，長時間進行實驗也不會使光室內(nèi)的溫度明顯升高，既增加了實驗的安全性，又減少了對實驗的干擾。

(6)穩(wěn)定性強

保證光照強度、溫度的穩(wěn)定，提高實驗的效率，使實驗在短時間10 min內(nèi)完成，看到明顯的實驗結(jié)果。

(7)方便攜帶

儀器裝置：長×寬×高＝200 mm×320 mm×350 mm，小巧、精致、便于攜帶。

2.教具用途

主要用于探究以下幾個方面。

(1)光質(zhì)對光合作用的影響(包括可見光和不可見光)。

(2)光照強度對光合作用的影響。

(3)溫度對光合作用的影響(0 ℃～50 ℃ 可測出植物光合作用的最適溫度)。

(4)二氧化碳濃度對植物光合作用的影響。

(5)探究光照強度及溫度等環(huán)境因素對光合作用的影響是綜合性的。

(6)探究不同類型植物光合速率的差異。

(7)溫度對植物細胞呼吸的影響(0 ℃～50 ℃)。

(8)氧氣濃度對植物細胞呼吸的影響。

(9)光質(zhì)對植物向光性的影響(包括可見光和不可見光)。

四、教具制作材料

教具的主要材料包括以下幾類。

(1)2 mm厚的硬塑板或金屬板(1 m×2 m；制作保溫層)。

(2)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控儀(觀察儀；控制器、溫濕度傳感器、光電傳感器、12 V加熱片、半導(dǎo)體制冷片、OLED屏幕各1個、繼電器4個、12 V及5 V電源、路由器)，溫控儀(帶數(shù)字顯示)。

(4)紅外光、紅光、黃光、綠光、藍紫光、紫外光、白光LED光源(1 W)若干個，散熱器1個，電源開關(guān)3個，小型排風(fēng)扇，半導(dǎo)體制冷片若干個。

五、教具制作方法

(1)取1張2 mm厚的金屬板或硬塑板(1 m×2 m)，制成一個(長×寬×高＝200 mm×320 mm×350 mm)的儀器箱。

(2)在箱內(nèi)背板安裝溫控儀、遠程物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控儀、小型排風(fēng)扇、散熱器、半導(dǎo)體制冷片和2個可拆卸燈條。

(3)配備2～3套可拆卸燈條，每套包括：紅外光、紅光、黃光、綠光、藍紫光、紫外光、白光LED光源(1 W)，共14～21條。

(4)在教具的上頂部安裝有2個指示燈開關(guān)、1個溫控儀調(diào)節(jié)數(shù)字顯示器，以方便控制調(diào)節(jié)室內(nèi)光源及溫度。

六、教具使用方法

1.探究光質(zhì)對光合作用的影響

(1)傳感器法

①儀器：1臺植物呼吸、光合作用探究儀(或4臺，或7臺)，7種光質(zhì)(紫外光、藍紫光、綠光、黃光、紅光、紅外光、白光)，1～7套CO2濃度傳感器。

②植物：銅錢草、三葉草、食用穿心蓮、綠蘿等植物葉片。

③不變量：溫度恒定(25 ℃)。

④變量：光質(zhì)。

⑤操作方法：開啟植物呼吸、光合作用探究儀，設(shè)定好溫度，待溫度升高至設(shè)定值并穩(wěn)定后開始實驗。在采集瓶里放入植物葉片，安裝CO2傳感器，放入探究儀里，連接好采集器及電腦，打開燈光(紫外光、藍紫光、綠光、黃光、紅光、紅外光、白光)，記錄10 min(或20 min)內(nèi)CO2濃度的變化，同樣換其他顏色的光，分別記錄10 min(或20 min)內(nèi)CO2濃度的變化。比較不同光質(zhì)下植物的光合速率。

⑥結(jié)論：定量檢測出哪種光質(zhì)條件下對植物的光合作用影響最大？哪種影響最?。?/p>

(2)目測比色法

實驗器材：二氧化碳發(fā)生裝置、稀鹽酸、碳酸鈣、燒杯、試管架、剪刀、鑷子、滴管、5 mL移液器、8個試管(直徑17 mm，長80 mm)、茁壯的水草(黑藻或金魚藻等小型水生植物)若干；溴百里酚藍指示劑(pH6.0～7.6，黃色～藍色)：0.05 g指示劑溶于100 mL 20%乙醇中。

①用燒杯取約50～100 mL水，加入幾滴管溴百里酚藍指示劑，此時燒杯中的水呈藍色。往水中通入CO2氣體，直至水呈黃色為止，備用。

②取8支試管，分別加入5 mL已制備的水；在其中7支試管中放入一棵水草，另一支試管作為對照(如圖3、圖4所示)。

圖3

圖4

③將以上7支試管分別放在7臺探究儀的光室內(nèi)，1支試管作對照試管(如圖5所示)。

圖5

④打開探究儀電源開關(guān)，開始實驗。

⑤光照10 min，取出試管中的水草，目測觀察實驗結(jié)果，并記錄。

實驗現(xiàn)象非常明顯。1支對照試管中的水溶液無明顯顏色變化；藍紫光條件下，水草試管中的水溶液顏色最藍；其次是白光；再次是紅光；綠光、紫外光及紅外光條件下，水草試管中的水溶液顏色變化最小。

⑥結(jié)論：說明水草在藍光條件下有最大吸收，其光合速率最快；水草在綠光、紫外光及紅外光條件下吸收最少，其光合速率最慢。

(3)種植觀察法

①儀器：2臺植物呼吸、光合作用探究儀(或4臺，或7臺)，7種光質(zhì)(紫外光、藍紫光、綠光、黃光、紅光、紅外光、白光)。

②植物：小麥、大麥、大蒜、各種豆類、銅錢草、三葉草等。

③不變量：溫度恒定(25 ℃)。

④變量：光質(zhì)。

⑤操作方法：選取長勢一致的植物(小麥、大麥、大蒜、各種豆類、銅錢草、三葉草等)，用于水培或土培，放入探究儀箱體內(nèi)，進行5～10 d種植觀察探究實驗，目測植物長勢或稱重測量，其實驗周期短，效果明顯(如圖6所示)。

圖6 無土栽培實驗材料案例

(4)遠程智能控制及觀察(在線模式)

①按照標示用USB線連接控制器(在線模式)、傳感器、執(zhí)行裝置、顯示屏模塊，用網(wǎng)線連接網(wǎng)絡(luò)模塊、接通電源模塊。

②打開電源。

③系統(tǒng)連接網(wǎng)絡(luò)之后登錄網(wǎng)站http://www.lewei50.com/查看當前傳感器值，使用手機瀏覽器登錄上述兩個網(wǎng)址也可，如果沒有上述設(shè)備，通過OLED屏幕，也可以清晰顯示傳感器數(shù)值。

④登入第③步網(wǎng)站之后，還可以對加熱裝置以及補光裝置進行控制(如圖7所示)。

圖7

2.探究光照強度對光合作用的影響

①儀器：2臺植物呼吸、光合作用探究儀，2套CO2濃度傳感器。

②植物：銅錢草、三葉草、食用穿心蓮、綠蘿等植物葉片。

③不變量：溫度恒定(25℃)。

④變量：光照強度。

⑤操作方法：開啟植物呼吸、光合作用探究儀，設(shè)定相同溫度、不同光照強度，待溫度升高至設(shè)定值并穩(wěn)定后開始實驗。分別在2個采集瓶里放入等量、去根植物葉片，安裝CO2傳感器，分別放入2個探究儀里，連接好采集器及電腦，打開燈光(使用白光)，分別記錄10 min內(nèi)CO2濃度的變化。比較不同光照強度下植物的光合速率。

⑥結(jié)論：對于所探究的植物，在測定的兩種光照強度下，光照強度大時，植物的光合速率較快；光照強度小時，植物的光合速率低。

3.探究溫度對光合作用的影響

①儀器：6臺植物呼吸、光合作用探究儀，6套CO2濃度傳感器。

②植物：銅錢草、三葉草、食用穿心蓮、綠蘿等植物葉片。

③不變量：光照強度、光質(zhì)、植物的質(zhì)量。

④變量：溫度(0℃～50℃)。

⑤操作方法：6臺植物呼吸、光合作用探究儀設(shè)定溫度梯度為：25℃，30℃，35℃，40℃，45℃，50℃，待溫度升高至設(shè)定值并穩(wěn)定后開始實驗。在6個采集瓶里放入植物葉片(植物的質(zhì)量一樣)，安裝CO2傳感器，分別放入探究儀里，連接好采集器及電腦。打開白光，分別記錄10 min(或20 min)內(nèi)CO2濃度的變化，比較不同溫度對植物光合速率的影響。

⑥結(jié)論：哪種溫度是該植物光合速率最快溫度(最適溫度)？哪種溫度下光合速率最低？趨勢是光合速率隨著溫度的上升而增加，達到一定程度后溫度升高光合速率會下降(繪制溫度-CO2濃度曲線圖)。

4.探究二氧化碳濃度對植物光合作用的影響

①儀器：5臺植物呼吸、光合作用探究儀、二氧化碳發(fā)生裝置(如圖3所示)，5套CO2濃度傳感器。

②植物：銅錢草、三葉草、食用穿心蓮、綠蘿等植物葉片。

③不變量：溫度(25℃)、光照強度、植物的質(zhì)量。

④變量：二氧化碳濃度。

⑤操作方法：開啟5臺植物呼吸、光合作用探究儀，設(shè)定好溫度，待溫度升高至設(shè)定值并穩(wěn)定后開始實驗。在5個采集瓶里分別放入等量的植物葉片，并編號1～5，1號瓶中用吸管插入瓶底，吹入兩大口空氣，2號瓶吸管插入底部吹一大口空氣，3號瓶不做處理，4號瓶用管在底部擠入1份純二氧化碳氣體，5號瓶用管在底部擠入2份純二氧化碳氣體，將做完處理的采集瓶迅速安裝CO2傳感器，分別放入探究儀里，連接好接收器及電腦。打開燈光(白光)，分別記錄10 min(或20 min)內(nèi)CO2濃度的變化，比較二氧化碳濃度對植物光合作用的影響。

⑥結(jié)論：二氧化碳濃度會影響植物的光合作用，一般情況下，隨著二氧化碳濃度的增加，植物的光合速率會加快(繪制二氧化碳濃度-光合速率曲線圖)。

5.探究光照強度及溫度等環(huán)境對光合作用的影響是綜合性的

①儀器：3臺植物呼吸、光合作用探究儀，3套CO2濃度傳感器。

②植物：銅錢草、三葉草、食用穿心蓮、綠蘿等植物葉片。

③不變量：植物的質(zhì)量。

④變量：光照強度、溫度(0℃～50℃)。

⑤操作方法：3臺植物光合、呼吸作用探究儀設(shè)定溫度梯度為：25℃，30℃，35℃，待溫度升高至設(shè)定值并穩(wěn)定后開始實驗。在3個采集瓶里放入植物葉片(植物的質(zhì)量一樣)，安裝CO2傳感器，將其分別放入探究儀里，連接好采集器及電腦。打開一組白光，分別記錄10 min(或20 min)內(nèi)CO2濃度的變化；打開兩組白光，分別記錄10 min(或20 min)內(nèi)CO2濃度的變化；比較不同溫度及不同光照強度對植物光合速率的影響。

⑥結(jié)論：植物的光合速率受光照強度、溫度等綜合因素影響(繪制溫度-CO2濃度曲線圖)。

6.探究不同類型植物光合速率的差異

①儀器：1臺植物呼吸、光合作用探究儀，3套CO2濃度傳感器。

②植物：銅錢草、三葉草、食用穿心蓮、常青藤、綠蘿等植物葉片。

③不變量：溫度(25℃)、光照強度、植物葉片量等。

④變量：選取不同植物葉片。

⑤操作方法：開啟植物呼吸、光合作用探究儀，設(shè)定好溫度及光照強度，待溫度升高至設(shè)定值并穩(wěn)定后開始實驗。分別在3個采集瓶里放入等量、去根植物葉片，安裝CO2傳感器后，同時放入探究儀里，連接好采集器及電腦。打開2組燈光(使用白光)，記錄10分鐘內(nèi)3個采集瓶中CO2濃度的變化。比較不同類型植物光合速率的差異。

⑥結(jié)論：對于所探究的植物，不同類型植物的光合速率不同。

7.探究溫度對植物細胞呼吸的影響

①儀器：6臺植物呼吸、光合作用探究儀，6套CO2濃度傳感器。

②植物：小型花朵；植物萌發(fā)種子；銅錢草或三葉草或食用穿心蓮或綠蘿等植物葉片。

③不變量：植物的質(zhì)量。

④變量：溫度(0℃～50℃)。

⑤操作方法：6臺植物呼吸、光合作用探究儀設(shè)定溫度梯度為：25℃，30℃，35℃，40℃，45℃，50℃，待溫度升高至設(shè)定值并穩(wěn)定后開始實驗。在6個氣體瓶里放入花朵(或植物萌發(fā)種子或植物葉片)，植物的質(zhì)量一樣，安裝CO2傳感器，分別放入探究儀里，連接好采集器及電腦。(在黑暗條件下)分別記錄10 min(或20 min)內(nèi)CO2濃度的變化，比較不同溫度下植物的呼吸速率。

⑥結(jié)論：哪個溫度下植物的呼吸速率最高？哪個溫度下植物的呼吸速率最低？隨著溫度的增高，植物細胞呼吸速率增加，當達到一定程度后，隨著溫度的增加，植物的呼吸速率降低(繪制溫度-CO2呼吸作用的相對速率曲線圖)。

8.探究氧氣濃度對植物細胞呼吸的影響

①儀器：5臺植物呼吸、光合作用探究儀、裝滿氧氣的氧氣袋(如圖8所示)，5套CO2濃度傳感器。

②植物：各種小型花朵；各種植物萌發(fā)種子；銅錢草或三葉草或食用穿心蓮或綠蘿等植物葉片。

③不變量：溫度(25℃)、植物的質(zhì)量。

④變量：氧氣濃度。

圖8 氧氣袋

⑤操作方法：開啟5臺植物呼吸、光合作用探究儀，設(shè)定好溫度，待溫度升高至設(shè)定值并穩(wěn)定后開始實驗。在5個采集瓶里分別放入花朵(或植物萌發(fā)種子或植物葉片)，植物的質(zhì)量相同，并編號1～5，1號瓶中用吸管插入瓶底，吹入兩大口空氣，2號瓶吸管插入底部吹一大口空氣，3號瓶不做處理，4號瓶用管在底部擠入1份純氧氣，5號瓶用管在底部擠入2份純氧氣，將做完處理的采集瓶迅速安裝CO2傳感器，分別放入探究儀里，連接好接收器及電腦。(在黑暗條件下)分別記錄10 min(或20 min)內(nèi)CO2濃度的變化，比較氧氣濃度對植物細胞呼吸的影響。

⑥結(jié)論：氧氣濃度會影響植物細胞的呼吸，一般情況下，隨著氧氣濃度的增加，植物細胞的呼吸速率會增加(繪制O2濃度-CO2釋放的相對值曲線圖)。

9.探究光質(zhì)對植物向光性的影響

①設(shè)備：7臺植物呼吸、光合作用探究儀，7個植物向光性實驗盒，LED光源7種(紫外光、藍紫光、綠光、黃光、紅光、紅外光、白光)。

②植物：盆栽植物(小型土培或水培：鴨跖草、豆科植物等)。

③操作方法：將長勢基本一致的7盆同種植物分別放入實驗盒內(nèi)(如圖9、圖10所示)，在盒外開口處分別對著不同光質(zhì)的光源，每星期給植物澆水，一個月后觀察植物是否向光源處生長(如圖11、圖12所示)。

④結(jié)論：各種顏色的光對植物的向光性都有影響。

圖9

圖10

圖11

圖12

七、結(jié)語

教育部《普通高中生物學(xué)課程標準(2017年版)》在《分子與細胞》模塊中明確要求，學(xué)生在完成本模塊學(xué)習(xí)后應(yīng)能夠“從物質(zhì)與能量視角，探索光合作用與呼吸作用，闡明細胞生命活動過程中貫穿著物質(zhì)與能量的變化?！倍摻叹吣軐ⅰ坝绊懼参锛毎粑肮夂献饔弥饕蛩亍钡亩鄠€探究性實驗通過科學(xué)的設(shè)計方案得以實現(xiàn)。學(xué)生在探究性實踐活動過程中，生物學(xué)核心素養(yǎng)(生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、社會責(zé)任)也將得到全面發(fā)展。目前，在高中生物實驗教學(xué)中尚無用于“探究影響細胞呼吸及光合作用因素”的高效、方便、快捷、新技術(shù)應(yīng)用、綜合一體的實驗儀器，本文的研究填補了這方面實驗教具的空白。