利用手持技術(shù)探究“環(huán)境因素對光合作用強度的影響”

李金月　李韶山　丁麗卿

摘要 采用手持技術(shù)開展“環(huán)境因素對光合作用強度的影響”的探究實驗，通過溶解氧傳感器測定光合作用釋放的氧氣以反映光合作用強度，嘗試將數(shù)字化傳感器技術(shù)與中學生物科學探究相結(jié)合，為中學生物探究實驗提供參考。

關(guān)鍵詞 溶解氧傳感器 光合作用 實驗探究

中圖分類號 Q-33 文獻標志碼 B

“探究環(huán)境因素對光合作用強度的影響”是人教版高中生物必修1中的一個重要的探究性實驗，目的在于讓學生進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，觀察同一時間內(nèi)葉圓片浮起的數(shù)量，以此表示光合作用的強弱。該探究實驗方案只是一個定性觀察實驗，且耗時長，操作復雜，在高中生物教學實踐中較難開展。

手持技術(shù)是指由數(shù)據(jù)采集器、傳感器和計算機及配套的軟件組成的定量采集數(shù)據(jù)的實驗技術(shù)系統(tǒng)。本研究采用手持技術(shù)探究環(huán)境因素對光合作用強度的影響，采用溶解氧傳感器可以較為簡便檢測水中溶解氧含量的變化，定量測定光合作用強度，同時結(jié)合光照度和溫度傳感器，幫助學生進一步深入理解環(huán)境因素對光合作用強度的影響。探索將手持技術(shù)與高中生物實驗進行整合，為中學生物探究實驗提供參考。

1實驗原理

黑藻是一種常見的水生高等植物，在進行光合作用過程中釋放氧氣，溶解在水中。溶解氧傳感器可精確測出水體中氧含量的變化，利用溶解氧傳感器測量植物光合作用中釋放的氧氣的量，就可以精確地檢測植物光合作用的強度。

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入黑藻葉片細胞內(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的來源。

2實驗材料與儀器藥品

實驗材料：黑藻。

實驗藥品和器材：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探究實驗過程

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，測定1000個數(shù)據(jù)。

3.1探究二氧化碳濃度對光合作用強度的影響

（1）濃度梯度設(shè)定：配制質(zhì)量分數(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，并進行參數(shù)設(shè)置，分別測定6個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個裝置全部置于LED燈下光照處理一段時間，采用光照度傳感器測得光強約11000lx，采用溫度傳感器測定溶液溫度為26.5%。

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

3.2探究光照對光合作用強度的影響

（1）溶液配制：質(zhì)量分數(shù)1.2%的NaHCO₃溶液。

（2）連接裝置：連接好實驗裝置，設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)。分別測定4個裝置中的溶解氧濃度，作為初始數(shù)據(jù)。

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

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

3.3探究不同光質(zhì)對光合作用強度的影響

（1）溶液配制：質(zhì)量分數(shù)1.2%的NaHCO₃溶液。

（2）連接裝置：連接好實驗裝置，設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)。用光照度傳感器測得光照度數(shù)據(jù)，分別測定6個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、藍色、紫色、黃色、綠色的玻璃紙罩住燒杯。

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

3.4探究溫度對光合作用強度的影響

（1）溶液配制：質(zhì)量分數(shù)1.2%的NaHCO₃溶液。

（2）連接裝置：連接好實驗裝置，設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)。用光照度傳感器測得光照度數(shù)據(jù)，用溫度傳感器測定溫度數(shù)據(jù)，再測定3個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個裝置分別置于冰?。?℃）、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間。

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

4實驗結(jié)果與分析

不同濃度NaHCO₃溶液對光合作用影響的實驗結(jié)果見表1。從表中數(shù)據(jù)可以看出6個實驗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溶液的實驗組中溶解氧濃度均高于對照組，其中質(zhì)量分數(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溶液對黑藻光合作用的促進作用較明顯。

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

從表3可知，不同光質(zhì)條件下黑藻的光合作用強度由強到弱依次是白光、黃光、紅光、紫光、藍光、綠光，可見不同光質(zhì)對光合作用強度影響不同。其中白光下溶解氧增加2.40mg·L^-，白光對黑藻光合作用的促進作用最明顯。而綠光下溶解氧含量僅增加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度由強到弱依次是常溫>高溫>低溫。可見溫度會影響黑藻的光合作用速率。

5討論

通過與教材參考實驗案例的比較可以發(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”實驗具有明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：①培養(yǎng)學生的探究能力：本節(jié)實驗課將以講解實驗、演示實驗、驗證實驗為主的傳統(tǒng)教學方式改變?yōu)樘骄拷虒W，引導學生主動參與探究學習。②培養(yǎng)學生的信息素養(yǎng)：將手持技術(shù)與生物實驗課程整合，為學生探究學習提供數(shù)字化學習的環(huán)境、內(nèi)容和方式。③培養(yǎng)學生的定量思維：利用手持技術(shù)的數(shù)據(jù)采集和記錄的特點，教師可以向?qū)W生提供機會學習定量測定，引導學生實事求是地記錄、整理和分析實驗數(shù)據(jù)、定量表述實驗結(jié)果并進行圖表繪制，讓學生在量的變化中深入理解科學本質(zhì)。

將手持技術(shù)應(yīng)用于高中生物教學有利于培養(yǎng)學生的定量思維和科學探究能力，提高學生的生物科學素養(yǎng)?；谑殖旨夹g(shù)的數(shù)字化實驗和常規(guī)實驗具有各自的優(yōu)勢和局限。教師在教學過程中可以結(jié)合教學內(nèi)容嘗試將數(shù)字化實驗與常規(guī)實驗進行整合，探索將兩者優(yōu)勢互補的有效整合途徑，以期取得更好的教學效果。