用氧气传感器进行光合作用实验教学的探索

李乐峰　丁元元

摘 要 用氧气传感器进行实验，直观地观察到单位时间产生氧气量。通过控制外界条件的变化，结合氧气含量的变化值，探究光合作用的影响因素。不仅节约了课堂的有限时间，对于树立学生的实证意识，体验科学探究的乐趣，构建光合作用的概念都有重要作用。

关键词 义务教育 光合作用 氧气传感器

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

绿色植物的“光合作用”是生物学中的重要概念，义务教育教材选用多个验证性实验（验证绿叶在光下合成淀粉、检验光合作用释放氧气、检验光合作用需要二氧化碳、研究不同光谱成分对植物生活的影响等），意在引导学生通过分析和判断实验获得的证据、数据，让学生自我建构“光合作用”这一重要概念。实践证明，使用氧气传感器对本节实验教学有很好的辅助作用。

1 使用氧气传感器进行实验教学的思路

现行义务教育生物教材，大多利用“检验不同情况下天竺葵叶片中能否生成淀粉”，分别说明光合作用的原料、条件及影响因素。如利用“天竺葵在无二氧化碳条件下无法合成淀粉”，证明二氧化碳是光合作用的原料。淀粉存在于植物体中，检验其存在，要经过多个步骤，耗时较长，受每周课时量的影响，很多前期工作必须安排在课外完成。尤其是光合作用影响因素的探究，使用定量检验淀粉的方式更无法完成。学生不能当堂看到实验结果，或实验过程的连贯性不够，成果呈现滞后。光合作用的另一产物是氧气。用水草做材料时，学生能够看到气泡的冒出，采用计数单位时间气泡数目的方式，判断光合作用强度，结果很不准确。

氧气传感器能实时监测数据的变化，通过检测不同情况下（如缺少二氧化碳、无光、改变光强或光质等），水草释放氧气的相对量，为探究光合作用原料、条件及影响因素等方面，提供实证数据。

2 实验准备

2.1 实验装置

（1） 一套氧气传感器设备包括氧气传感器探头、数据采集器、电脑等构成。

（2） 容器的选择：根据氧气传感器探头直径的尺寸，宜选择规格为1 000 mL的细口瓶。在传感器探头外围，包裹多层保鲜膜，即可用于瓶口密合，而且气密性好。

（3） 瓶中的水量：细口瓶中加水以900 mL为宜。水过少，瓶内空气柱高，一定时间内水草释放的氧气量引起的传感器示数变化较小。若加水过多，操作过程中瓶子的晃动水容易溅到传感器探头上，影响示数。

2.2 实验材料

（1） 水草的种类：因课堂时间有限，选用获取、养殖方便，宜使用效果明显且易存活的苲藻。苲藻使用前应适当清洗，除去其上附着的泥土和其他附着物。

（2） 苲藻的放置量：以规格为1 000 mL的细口瓶为例，瓶中苲藻量，以鲜重20 g为宜。苲藻过少，光合作用能力有限，一定时间内氧气释放量少，传感器示数变化小。而苲藻过多，互相遮光，呼吸作用总量增加，会影响实验效果。

2.3 光源的选择

（1） 光合作用中的实验，很多版本的教材都是使用白炽灯。美国科学发现者教材中也是通过使用白炽灯控制光照强度，计数释放氧气的气泡数，衡量光合速率。

（2） 消除温度升高的方法：白炽灯在发光的同时会产生较高的热量，环境温度的升高会影响光合速率。因此，为消除温度差异对实验数据的影响，可以在细口瓶前加一个35×25×7 cm的玻璃水槽，其内加水，效果明显。

3 实验实施

3.1 二氧化碳是光合作用原料的实验

（1） 碳酸氢钠溶液浓度的选择见表1。

由表1可见，碳酸氢钠溶液的质量分数为0.1%，相对较好。

（2） 实验对照：取两个细口瓶，装等量的新鲜苲藻。一个瓶中加入烧开后密封冷却的凉开水，在课前短暂照光（约8 min），使瓶内保留的空气柱及水草体内因呼吸产生的少量二氧化碳充分消耗掉，保障实验装置内无二氧化碳；另一个细口瓶装入等量的0.1%碳酸氢钠溶液备用。

（3） 给予光照，同时点击计时开始。实验进行320 s，氧气传感器收集的数据，为瓶中气柱内氧气的百分比含量。收集的数据见表2。

由表2可见，碳酸氢钠溶液可为苲藻提供二氧化碳，凉开水中无二氧化碳，比较照光后两瓶内空气柱中氧气含量的变化，碳酸氢钠瓶中氧气含量不断上升，说明光合作用产生了氧气。凉开水瓶中氧气含量不变，则可说明：缺少二氧化碳时，光合作用不能进行，得出“二氧化碳是光合作用的原料”。

3.2 探究光照强度对光合作用的影响

（1） 光照强度的控制。利用白炽灯，通过改变光源与细口瓶之间的距离，以调整光照强度。两组实验中，实验装置距光源分别是10 cm和30 cm。使用光照强度传感器，实测光照强度分别为48 750 lx和15 565 lx。

（2） 实验结果见表3。

由表3可见，在相同时间内，光照强度大，产生的氧气多，光合作用比较强。

3.3 探究光质对光合作用的影响

（1） 分别使用红色与绿色玻璃纸包裹两个细口瓶。

（2） 实验数据收集如表4所示。

由表4数据分析可见，苲藻在红光下光合作用较强，释放较多氧气；在绿光下，细口瓶中的氧气含量下降，苲藻光合作用小于呼吸作用。

4 对利用氧气传感器进行光合作用实验的几点思考

4.1 利用氧气传感器作为测量工具有很大的优势

传感器灵敏度高，能够检测微弱信号的存在，并捕捉到信号的微小变化和瞬间变化，因此大幅度地增加实验可研究范围的深度、广度。使用氧气传感器，可在短时间内测得水草进行光合作用时释放的氧气量，解决现有教材中经典实验耗时长、结果呈现滞后、不能进行影响因素探究的问题。且水草进行光合作用时释放的气泡能看到，能读到传感器显示数字，可将抽象的“光合作用产生氧气”直观地呈现在学生眼前，对于影响因素的探究也能进行定量分析。

氧气传感器能实时测量密闭容器内氧气的百分比含量，相应软件可自动记录实验时容器内氧气含量的变化数据。通过分析实验组、对照组在实验前后氧气含量变化的差异，引导学生树立实证意识。传感器强大的功能对激发学生的科学兴趣也能起到积极地效果。由于信息技术与学科教学的深度融合，将传感器应用于课堂教学实验的案例会越来越多。

在实验课上，不同小组可以选做不同的实验，然后分享实验的成果，丰富了学生对光合作用影响因素、原料、产物的认识，以大量事实作为支撑的概念教学真正地落到了实处。

4.2 从不同的角度看待实验结果

（1） 课堂上，往往多组实验同时进行，每一组对照实验就要使用两个氧气传感器探头，而氧气传感器本身的灵敏度是有差异的，因此不同组的数据之间会存在差异。实际上，教师只要引导学生在分析数据时，使学生关注本组实验数据的“变化量”与实验条件即可得出科学结论。

（2） 实验材料的选取及实验持续的时间差异，对实验数据也有很大影响。如材料是否新鲜，选取苲藻的部位，是否剪断，照光后记录数据的时间段长短等。这些因素不同，氧气含量示数也会有差异。因此在教师引导学生分析数据时，仍应关注本组实验数据的前后变化，通过氧气变化量反映该实验条件对光合作用的影响。

（3） 设置凉开水证明“二氧化碳是原料”的一组装置，如果没有进行预先的照光实验，实验刚开始时也是有氧气产生的，这显然会增加干扰环节。因此，需要预先照光处理，主要是因为苲藻的茎中空，呼吸作用产生的二氧化碳会先贮存其中，光照适宜时也能产生氧气。

参考文献：

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[2] 王斌.中学生物实验室数字化建设刍议[J].教学仪器与实验.2010，（7）：13-14.