“綠色植物有助于維持生物圈中的碳氧平衡”實驗的改進

王思玲

2011版《生物學課程標準》關于“綠色植物有助于維持生物圈中的碳—氧平衡”部分內容的目標要求是“說明綠色植物有助于維持生物圈中的碳—氧平衡”。但許多版本教材中安排的實驗只能證明植物光下產生氧氣消耗二氧化碳，而不能說明白天和夜晚一個周期的時間內，植物向大氣中釋放的氧氣多于自己呼吸作用消耗的，從而有助于維持生物圈中的碳—氧平衡。因此，筆者對原來的實驗加以改進，以幫助達成此教學目標。

一、實驗內容

1.實驗原理

該實驗需要能夠證明一種量的關系，即植物自身產生的氧氣多于消耗的氧氣，消耗的二氧化碳多于產生的二氧化碳。這樣就要測量氧氣和二氧化碳量的變化，方法如下：

受教材實驗的啟發，筆者選用水生植物金魚藻作為實驗植物，利用氧氣不易溶于水的性質，用排水法收集氧氣，排出的水的體積就是氧氣的體積。二氧化碳能溶于水，通過測水的PH，確定水中二氧化碳含量的變化，依據的原理是：H2O+CO2=H2CO3。二氧化碳越多，PH越小；二氧化碳越少，PH越大。

2.實驗裝置

為排除外界空氣對實驗的影響，以及定量測量氣體的變化的要求，筆者設計了下面的裝置（圖1）；為排除溫度變化等其他因素對氧氣體積和水的PH的影響，又設置了對照實驗（圖2）。

3.實驗過程

將實驗組和對照組的礦泉水瓶中裝滿水，不留空氣，保證裝置有良好的氣密性。實驗前測實驗用水的PH，將裝置放在陽光下，24小時后，測氧氣體積和水的PH，記錄結果。

特別要強調實驗開始時間最好在上午，因為實驗用水的PH一般為中性，或略偏堿性，而金魚藻，適合在偏堿性的水中生存。白天植物光合作用消耗二氧化碳，水的PH會升高，夜晚呼吸作用產生二氧化碳，水的PH會下降。這樣保證了水的PH先升后降，但始終大于7。如果在傍晚以后開始，水的PH會先降后升，這樣就會出現PH小于7的階段，不利于金魚藻的生存。

4.實驗結果

24小時后實驗組（含植物）注射器活塞的位置升高，水的PH增大；對照組幾乎沒有變化。

5.實驗結論

金魚藻一天當中放出的氧氣多于消耗的氧氣，消耗的二氧化碳多于產生的二氧化碳。

二、實驗方法

1.材料選擇

遵循來源廣和科學性的原則。金魚藻是當地水域常見水生植物，且適應性較強，在PH為7.1～9.2的水中均可正常生長。測水中二氧化碳的變化選用PH計，因為PH計能測出溶液中二氧化碳含量的細微變化。注射器的使用使實驗更加便攜，便于測量氧氣體積，測量數值比較準確，并且可將裝置平放，從而增大氧氣和水的接觸面積。礦泉水瓶的使用則安全方便。

2.規格用量

礦泉水瓶容積可選用500毫升，金魚藻用量以裝滿礦泉水瓶且能充分見光為宜，注射器的容積選10～20毫升。

3.創新點

（1）準定量實驗。本實驗裝置密閉，使得原有氧氣和二氧化碳以及植物的量一定，保證了裝置中氣體量的變化只與植物自身的光合作用和呼吸作用有關。

（2）拓展了學生的思路。實驗過程中從材料選擇到實驗過程設計，都引領學生體驗了科學探究的過程和方法，開闊了學生的眼界，極大地激發了學生的學習興趣和探究欲望。

三、教學實施

1.第一課時：問題導入，提出質疑

在學習完光合作用和呼吸作用的相關內容之后，拋出問題：生物圈中的生物呼吸和物質燃燒都消耗氧氣，呼出二氧化碳，為什么我們沒有感覺到缺氧呢？引發學生思考并說出依據。學生提出的依據多是植物能進行光合作用產生氧氣，消耗二氧化碳的兩個實驗。教師追問：上述依據能否證明你的推測？經過深度思考和討論，最終達成共識，光合作用的相關實驗不能證明植物自身產生的氧氣多于消耗的氧氣，消耗的二氧化碳多于自身產生的二氧化碳這種量的關系，因而也就不能準確地解釋上述問題。

那么，上述量的關系是否真的成立呢？我們可以通過準定量實驗來探究。此時將實驗方法和步驟教給學生，以小組為單位進行實驗，并測量記錄實驗數據。在實驗過程中的疑惑或問題可請教老師或上網查閱資料解決。

本課時通過找證據到質疑證據，再到尋找新的證據的自主-合作-交流的過程，引發學生深入思考，培養學生的實證意識和積極的科學態度，使學生產生探求真相的欲望。

2.第二課時第一部分：演示交流，得出結論

各小組演示裝置并測量最終數據，通過分析收集的數據，對比前后的變化，得出結論。即植物一天（24小時）當中，光合作用產生的氧氣多于自身呼吸作用消耗的氧氣，光合作用消耗的二氧化碳多于自身呼吸作用產生的二氧化碳。通過眼見為實，加深學生對概念的理解，認同植物在碳—氧平衡中的重要作用。同時培養學生的動手能力、觀察能力和分析能力。

3.第二課時第二部分：拓展應用，能力提升

首先讓學生用實驗結論解讀碳—氧平衡示意圖的含義，接下來嘗試用表達式的方式表示出二氧化碳和氧氣之間的關系，最終歸納碳—氧平衡的概念。這樣既評價了學生對實驗結論的理解，又培養了學生的理性思維能力。同時，進一步讓學生認同綠色植物對生物圈的存在和發展起著決定性的作用，樹立保護環境的意識。

四、教學效果

1.目標達成度較高

通過課堂過程性評價和終結性的評測練習評價，證明了創新實驗設計的必要性。在教學過程中，通過問題導入發現學生對“綠色植物與生物圈的碳-氧平衡之間的關系”的理解確實存在障礙。而創新實驗的設計直指問題之所在，突破了教學難點，是很有價值的。通過創新實驗，學生對概念的認知由“知道是什么”，達到了“能解釋為什么”的層次。理解了植物在碳-氧平衡中的作用，認同植物在生物圈中的不可替代性。效果明顯優于以教材實驗為基礎的教學。

2.培養了學生積極的科學態度

在實驗過程中，剛開始學生對實驗原理理解并不透徹，但通過實驗，學生在實踐中會遇到很多問題，在思考和解決問題的過程中對相關實驗原理逐漸理清，提高了學生的理性思維能力。同時，許多科學實驗都需要漫長的時間和不斷重復，其過程實際上是很枯燥的。本實驗周期也較長，通過這個實驗，鍛煉了學生的耐心和責任心。實驗過程的設計考慮比較周全，由開放到密閉、由定性到定量，保證了實驗的縝密性，培養了學生科學嚴謹的習慣。

【責任編輯 郭振玲】