用傳感器探究環境因素對光合作用強度的影響

肖云

數字化實驗是通過采用傳感器實驗設備，將實驗數據轉入電腦，進行實驗分析和探究的新型實驗形式，主要設備由“可控源+傳感器+數據采集器+計算機+處理軟件”組成。教師利用數字化實驗設備，通過簡單的手段獲得精確的實驗結果，同時對數據進行分析整理，可以節省課堂學時，更好地闡述原理，提高課堂效率，也是信息技術與生命科學教學整合的新途徑。但如何充分利用好該系統，生物學實驗教學，是生物教師值得探索的內容。在此，筆者利用所任教學校友高數字化實驗室V6.0進行了有關實驗的嘗試。

1 實驗思路

探究“環境因素對光合作用強度的影響”是高中生物必修一中開展探究性活動的基本素材。人教版教材中提供的參考案例的實施和實驗效果有一定的局限性，如葉圓片真空滲入法操作困難，向清水吹氣不利于控制變量CO2的濃度，實驗過程連貫性不夠，結果呈現滯后性等。于是在教學過程中，筆者引入傳感器測量，與傳統實驗相輔相成。基于傳感器的優勢，從教材中對實驗定性描述提升到通過表格曲線進行定量分析，同時也培養學生數據分析和處理的能力，為探究影響光合作用強度的因素提供更多的實證數據。教師將學生分成兩組，分別探究光照強度和光質對光合作用強度的影響。

2 課程準備

2.1 實驗材料

查閱資料，發現用菠菜、綠蘿、吊蘭、大葉黃楊均可做為光合作用相關實驗的實驗材料。但經過多次嘗試，發現外來入侵植物水花生和綠籬植物珊瑚樹葉效果較好，而且兩種植物都很常見，取材方便。如以水花生為實驗材料，實驗5 min后水中氣泡就非常明顯。

2.2 傳感器

兩組實驗中，分別選用氧氣傳感器和溶解氧傳感器測量氧氣的變化量，并用光強傳感器輔助檢測光照強度，將其控制在一定范圍內。

2.3 光源

光合作用中的實驗，很多版本的教材都是使用白熾燈。但白熾燈在發光的同時會產生較高的熱量，因此要設立隔水槽以消除溫度升高對實驗數據的影響。

2.4 其他

保鮮膜、彩色玻璃紙、凡士林、寬透明膠帶、數據采集器、托盤天平、單孔橡皮塞等。

3 實驗實施

3.1 光照強度對光合作用的影響

實驗過程：

（1） 在3個500 mL的錐形瓶中均加入400 mL的蒸餾水，再分別加入10 g生長旺盛的珊瑚樹葉。注意葉柄朝下，葉片朝不同方向，避免相互遮光。

（2） 將每組的光強傳感器和氧氣濃度傳感器與數據采集器、計算機相連，然后將氧氣傳感器的探頭插入錐形瓶塞后分別伸入錐形瓶中，可以在瓶口涂少量凡士林或者裹幾層保鮮膜，使密閉效果更好。注意氧氣傳感器探頭很靈敏，操作過程中不能使瓶子的晃動讓水濺到探頭上影響示數。光強傳感器放在錐形瓶旁邊，注意傳感器的感光區域朝向光源。可以利用三套設備同時操作，也可以一套設備輪流做，但由于傳感器靈敏度的差異，得到的數據之間可能存在一定誤差。

（3） 進入電腦V6.0系統，點擊“通用軟件”，系統自動識別所介入的傳感器，并顯示相應的數據。調節臺燈的距離和強度，輔助光強傳感器檢測，控制三組光照強度分別在100 lx、1 000 lx、10 000 lx左右。

（4） 待光強數據穩定后通過“圖線控制”設置合適的坐標軸間距，并設置計數間隔時間為2 s，時長500 s，點擊“開始實驗”，自動記錄數據。

學生實驗結果如圖1、2、3所示。

由曲線圖可見，3條曲線前100 s基本都保持平穩，可能是學生操作前傳感器沒有穩定就開始計數的原因，也有可能是量變積累不夠。學生將曲線圖經過分析處理得到表1。

由表1可見，相同時間內，光照強度越大，珊瑚樹葉產生的氧氣越多，光合作用越強。其中光照強度在100 lx條件下，珊瑚樹葉500 s前后氧氣濃度為負增長，可能是弱光下植物光合作用小于呼吸作用。

3.2 光質對光合作用的影響

實驗過程：

（1） 將紅色、綠色、藍色的單層玻璃紙剪成合適大小，分別包裹住500 mL的錐形瓶，用寬透明膠帶粘住接口，注意緊密包裹不能漏光，且接口處盡量不要重疊。向3個錐形瓶中各加入200 mL的蒸餾水，再向每瓶中加入水花生幼嫩部分5或6段，鮮重大約10 g為宜。若植物過多，葉片遮擋，而呼吸作用總量增加，會影響實驗效果。由于水花生葉片較小，不需要將葉片摘下，可以連帶幼莖一起放入錐形瓶中。

（2） 將每組的光強傳感器和溶解氧濃度傳感器與數據采集器、計算機相連，然后將溶解氧傳感器的探頭放入錐形瓶水中，并在瓶口裹幾層保鮮膜達到密閉的效果。光強傳感器放在錐形瓶旁邊，注意傳感器的感光區域朝向光源。

（3） 進入電腦V6.0系統點擊“通用軟件”，系統自動識別所介入的傳感器，并顯示相應的數據。調節臺燈的距離和強度，輔助光強傳感器檢測，控制三組光照強度均在1 000 lx左右。

（4） 待光強數據穩定后通過“圖線控制”設置坐標軸間距，并設置計數間隔時間為2 s，時長500 s，點擊“開始實驗”，自動記錄數據。

學生實驗結果如圖4～圖6所示。

將曲線圖經過分析處理得到表2。

由表2數據分析可見，相同時間內，在藍光下瓶中溶解了較多的氧氣，光合作用較強，其次是紅光，最弱的是綠光。比較500 s前后，在綠光下，瓶中的溶解氧含量下降，說明綠光下水花生光合作用較弱，小于呼吸作用。

4 反思與討論

4.1 瓶中的水量

經過反復實驗，發現使用氧氣傳感器時，需要在瓶中加入較多的水，使瓶中空氣較少。這樣氧氣量的變化較大，傳感器的示數變化才更加明顯。而在使用溶解氧傳感器時，水量的影響則不及前者明顯，但也不宜過少，以基本沒過水花生葉片為宜。

4.2 傳感器

使用傳感器前一定要先校正以消除誤差，并讓傳感器穩定5 min再開始測量。傳感器本身的靈敏度是有差異的，數據分析中教師要引導學生關注本組數據的變化量，而不是實驗起點和止點的絕對值。另外，每個數據采集器上都有4個通道，可以同時連接4個傳感器。這意味著實驗過程中還可以同時測定多個生理指標，減小實驗誤差，提高實驗效率，還能確保實驗結果的準確性。

4.3 其他因素的探究

本次實驗測量的為凈光合作用強度值，有時間可以結合二氧化碳傳感器和溫度傳感器，繼續探究二氧化碳濃度、溫度對光合作用強度，甚至對呼吸作用強度的影響，延伸實驗的深度和廣度。

教師需要根據教學內容，充分利用學校的教學資源，讓信息技術與生物學科有效結合，不斷思考和創新，才能提高學生學科實踐能力。綜上，傳感器為生命科學實驗的拓展和探究打開了一扇窗。