基于數(shù)字化信息系統(tǒng)的光合作用實(shí)驗(yàn)教學(xué)

袁 誼 劉?；?/p>

(北京市高井中學(xué) 100041)

2015年北京市義務(wù)教育課程計(jì)劃指出要加強(qiáng)學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)課程建設(shè)。學(xué)科實(shí)踐課程的開(kāi)發(fā)和實(shí)施，要避免用學(xué)科教學(xué)內(nèi)容簡(jiǎn)單替代，突出實(shí)踐性、探究性，鼓勵(lì)學(xué)生采取觀察實(shí)驗(yàn)、合作探究等方式學(xué)習(xí)。旨在使學(xué)生通過(guò)親身實(shí)踐，提高綜合運(yùn)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力、交流與合作的能力、創(chuàng)新意識(shí)與實(shí)踐能力。

基于此，本校對(duì)北京版七年級(jí)生物學(xué)教材中光合作用的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展，利用學(xué)校的數(shù)字化信息系統(tǒng)(digital information system，DIS)實(shí)驗(yàn)室資源，組織學(xué)生對(duì)光合作用進(jìn)行DIS實(shí)驗(yàn)探究。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題并繼續(xù)探究，促使學(xué)生深入理解光合作用的概念，提高學(xué)生的學(xué)科實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，學(xué)以致用，用科學(xué)知識(shí)指導(dǎo)生活實(shí)踐。

1 探究光合作用中氧氣和二氧化碳含量的變化

1.1 設(shè)計(jì)思路 學(xué)生通過(guò)生物學(xué)教材中的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，觀察到光合作用的現(xiàn)象和過(guò)程，但難以進(jìn)行定量分析。本實(shí)驗(yàn)使用氧氣和二氧化碳傳感器，測(cè)量光合作用中氧氣和二氧化碳含量的變化，可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的定量分析。

實(shí)驗(yàn)中將學(xué)生分4大組，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下分別測(cè)量君子蘭、吊蘭、大葉黃楊和綠蘿4種葉片在光合作用中氧氣和二氧化碳含量的變化，使用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)和生成圖線(xiàn)。學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)到光合作用是綠色植物基本的生理活動(dòng)，并為之后的探究活動(dòng)做好準(zhǔn)備。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 應(yīng)用朗威DISLab 7.0數(shù)據(jù)采集器、氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、袖珍密封采集瓶、單孔橡膠塞、綠色植物(君子蘭、綠蘿、吊蘭、大葉黃楊)、托盤(pán)天平、解剖剪等。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)選擇生長(zhǎng)旺盛的待測(cè)葉片，將其剪成5 cm左右的條狀葉片，分別稱(chēng)取2.5 g[1]。

(2)在袖珍密封采集瓶加入少量水(光合作用原料)，將條形葉片置于瓶壁四周，使其均勻受光(圖1所示)。

(3)將傳感器與數(shù)據(jù)采集器及計(jì)算機(jī)相連，進(jìn)入V7.1實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)。點(diǎn)擊“通用軟件”，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別所接入的傳感器，并顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

圖1 光合作用DIS實(shí)驗(yàn)連接圖

(4)打開(kāi)“組合圖線(xiàn)”，分別添加“二氧化碳含量-時(shí)間”和“氧氣含量-時(shí)間”圖線(xiàn)，表示葉片光合作用過(guò)程中采集瓶?jī)?nèi)二氧化碳和氧氣含量的變化。通過(guò)“圖線(xiàn)控制”設(shè)置合適的坐標(biāo)軸間距，便于長(zhǎng)時(shí)間觀察記錄。

(5)點(diǎn)擊“計(jì)算表格”，使用自動(dòng)記錄，設(shè)定記數(shù)時(shí)間間隔為60 s，系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄于表格。打開(kāi)日光燈，開(kāi)始記錄(環(huán)境溫度22℃)。實(shí)驗(yàn)操作界面如圖2所示。

圖2 光合作用DIS實(shí)驗(yàn)操作界面

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：4種植物葉片在記錄的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行光合作用，二氧化碳含量呈下降趨勢(shì)，氧氣含量有不同程度的增高。其中君子蘭葉片光合作用中，在記錄的6 h內(nèi)，二氧化碳含量由603 ppm降低到364 ppm；氧氣的含量由初始值20.7%增加到22.1%。這說(shuō)明植物在光合作用中需要二氧化碳，制造出氧氣。

2 比較幾種綠色植物光合作用產(chǎn)氧量

2.1 設(shè)計(jì)思路 學(xué)生通過(guò)上述分組實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同的植物光合作用產(chǎn)氧量有所區(qū)別，促使他們思考：哪種植物產(chǎn)氧量最高？教師引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，并作出“氧氣含量增長(zhǎng)值-時(shí)間”折線(xiàn)圖。通過(guò)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，不僅可以得出正確實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也培養(yǎng)了學(xué)生的數(shù)據(jù)處理和分析的能力。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程 本實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)1的延伸，匯總各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在總記錄時(shí)間內(nèi)，以30 min為間隔，將氧氣含量的增長(zhǎng)值用Excel作出折線(xiàn)圖，比較幾種綠色植物光合作用產(chǎn)氧量。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 數(shù)據(jù)分析如圖3所示。在記錄的7 h內(nèi)，君子蘭、大葉黃楊、吊蘭和綠蘿葉片產(chǎn)氧量為分別1.6%、0.7%、0.4%和0.2%。其中，君子蘭在第0.5 h后開(kāi)始產(chǎn)生氧氣，氧氣含量的增長(zhǎng)速率明顯高于其他三種植物。吊蘭在統(tǒng)計(jì)的前5 h，氧氣含量只增長(zhǎng)了0.1%，而大葉黃楊和綠蘿，則在第3 h和第4 h才開(kāi)始產(chǎn)生氧氣。

圖3 幾種綠色植物光合作用氧氣含量增長(zhǎng)值-時(shí)間圖

學(xué)生通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，君子蘭有較高的產(chǎn)氧量。部分學(xué)生繼續(xù)查閱資料并加以討論：君子蘭為半陰性植物，葉片寬厚，氣孔多，在極其微弱的光線(xiàn)下也能發(fā)生光合作用。由此可見(jiàn)，君子蘭除了具有很高的觀賞價(jià)值之外，在合理的栽培條件下，可起到調(diào)節(jié)空氣的作用。這一發(fā)現(xiàn)激發(fā)了學(xué)生種植君子蘭的熱情。

3 反思與討論

實(shí)驗(yàn)中需要注意的問(wèn)題：①課堂上采取分組實(shí)驗(yàn)，每組使用不同的氧氣和二氧化碳傳感器，由于傳感器記錄的數(shù)據(jù)起點(diǎn)是有差異的，在作數(shù)據(jù)的對(duì)比分析時(shí)，應(yīng)分析每組數(shù)據(jù)的變化量，才能得出科學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；②實(shí)驗(yàn)選用的葉片需有一定的硬度，剪成條狀之后能直立于密封采集瓶中，使葉片互不遮擋，有足夠的空間接觸周?chē)諝?，并能均勻受光?/p>

本次探究活動(dòng)的開(kāi)展，充分利用了學(xué)校的教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與生物學(xué)科的有效整合。學(xué)生通過(guò)分組實(shí)驗(yàn)、查閱資料、分析數(shù)據(jù)等活動(dòng)，不僅能熟練使用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，提高了學(xué)科實(shí)踐能力，更為可貴的是學(xué)生能在探究的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并想辦法去解決，并用所學(xué)知識(shí)指導(dǎo)生活實(shí)踐，這正是生物學(xué)科育人價(jià)值的體現(xiàn)。在今后的教學(xué)實(shí)踐中，教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，提供更多的使用現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的機(jī)會(huì)，促使學(xué)生主動(dòng)探究、積極體驗(yàn)。