传感器在初中植物呼吸作用实验教学中的应用

谷 青

(江苏省常熟实验中学 常熟 215500)

苏科版七年级生物学上册第3单元第7章“能量的释放和利用”一课中利用O2的助燃性和CO2使澄清石灰水变浑浊的特性，通过两个传统实验来突破重难点，让学生通过实验现象的观察最后总结出植物呼吸作用的实质。教材中的传统实验方法只能够定性检测植物呼吸作用后气体变化的最终结果，而对于植物呼吸作用过程中气体的变化过程无法得知。利用传感器和计算机组成的数字化实验系统实时监测植物呼吸过程中各指标的变化，颠覆传统的教学思路，成为实验教学的一种新手段[1]。

1 背景分析

1.1 教学背景 教材中“植物呼吸过程产生CO2”这一实验将等量的新鲜菠菜和烫过的菠菜分别放入两个密封完好的黑色塑料袋中，将软管一端插入袋口并系紧，用止水夹夹紧另一端，放置24 h。学生实验时，分别使每一袋蔬菜的软管插入澄清石灰水中，松开止水夹，轻轻挤压塑料袋，通过观察石灰水的浑浊程度来判断CO2的释放量。“植物呼吸作用消耗O2”实验中，将等量的新鲜菠菜和烫过的菠菜放入两个广口瓶。将其放在温暖的地方，封闭、遮光处理24 h，学生分别将点燃的蜡烛迅速伸入甲、乙两瓶中，观察蜡烛的燃烧情况。

这两个实验涉及的材料较多，准备时间较长。装置的密闭性和澄清石灰水的质量都会对实验结果造成一定影响。且CO2的释放量和O2消耗量都要达到一定程度才能观察到明显的实验现象，使得实验的实施有很大的局限性[2]。实验结果只能呈现最终时刻CO2和O2的有无，无法对这段时间内气体的变化过程做实时监测。且教材中重点对呼吸作用消耗O2释放CO2这两个结论进行了实验验证，而学生通过这两个实验并不能得出呼吸作用产生水、释放能量的结论。如果利用温度和湿度传感器就可以检测出植物呼吸作用过程中温度和湿度的变化，通过直观的实验数据来得出结论，能使学生更深刻地理解呼吸作用的实质。

1.2 生物传感器 结合计算机与传感器的数字化实验系统进入中学生物学实验室，这是信息技术与生物学课程相整合的突破口和教育手段现代化的标志[3]。通过pH、 O2、 CO2等传感器测量实验数据，利用计算机强大的数据处理功能绘制曲线，通过数字和图表等直观数据的分析来准确反映定量实验的结果[4]。这一方法将复杂实验简单化，有效地缩短了实验时间，同时在极短的时间内大量采集并处理实验数据，确保实验结果的可靠性。传统实验得到的数据只是某个时刻的，而传感器可以在一段时间内不间断地采集数据，具有持续性。通过这些连续的数据就可以展示出实验中某个指标的动态变化。例如，植物的呼吸作用过程中，利用传感器检测就可以看出CO2或O2的含量在24 h中的变化过程[5]，有助于更好地分析实验，根据实验现象来反思原理、归纳总结。同时利用现代化实验技术，使得枯燥的实验过程变得有趣，学生乐于参与其中，改变以往被动按部就班做实验的状态，真正实现学生的主动探究，有利于提高实验教学效率，培养学生的主动探索、自主探究的创新能力。

2 实验设计与实施

2.1 实验设备与材料 器材： 带USB接口的计算机，数据采集器，数据线，CO2传感器，O2传感器，温度传感器，湿度传感器，密封罐，密封盖，橡胶塞。材料： 菠菜。

2.2 实验步骤 具体包括以下三个步骤：

(1) 材料处理 选取等量的生长状况相似的菠菜两份。其中一份新鲜菠菜为实验组，另一份菠菜用开水烫过为对照组。分别放入两个密封罐中，盖好密封盖，在密封罐外套上黑色塑料袋，营造黑暗环境，并将密封罐保温。

(2) 连接装置 按照实验装置图(图1)连接好实验装置。将CO2传感器、O2传感器、温度传感器、湿度传感器的探头通过橡胶塞与密封盖连接，盖上密封盖，调节探头高度。各传感器与采集器相连，采集器与电脑相连。

(3) 采集数据 打开实验系统软件Dis，选择“教材通用软件”，进入实验平台，选择相应的模板和曲线建立CO2—时间、O2—时间、温度—时间、湿度—时间等坐标关系，设置采集时间为24 h，采集间隔为20 s。

图1 实验器材连接装置图

2.3 结果与讨论 具体如下：

2.3.1 呼吸作用中CO2的变化 黑暗处理24 h，实验组和对照组的CO2变化情况如图2所示。从图中曲线可以看出用开水烫过的菠菜在24 h内CO2值基本维持不变，说明烫过的菠菜没有进行呼吸作用产生CO2，而实验组中新鲜的菠菜内CO2浓度从初始值1 640 ppm上升到29 502 ppm，证明新鲜菠菜在进行呼吸作用并释放出大量的CO2。对实验数据进一步分析可以看出，实验组的CO2含量在0～11 h内上升较快，11 h之后上升速度较慢并逐渐趋于平缓。推测出现该现象的原因是植物刚开始呼吸作用是体内有机物丰富、密闭容器中O2含量较多，呼吸作用旺盛。随着时间的延长，密闭罐中O2量的下降以及植物体内有机物的消耗导致了植物呼吸作用速率越来越慢。

图2 呼吸作用中CO2变化曲线

2.3.2 呼吸作用中O2的变化装置黑暗处理24 h，实验组和对照组内O2变化情况如图3所示。烫过菠菜在24 h内O2含量基本保持不变，而新鲜的菠菜在24 h内O2含量从17.6%下降到15%，证明在此期间新鲜的菠菜消耗了大量O2。在11 h内O2百分比减少较多，可以看出这段时间内植物呼吸作用旺盛，11 h之后O2的下降速率有所减缓，这一数据结果与CO2变化情况一致。在前11 h内，新鲜菠菜呼吸作用旺盛，消耗大量的O2，释放大量CO2，因此该阶段O2的减少和CO2的增加比较明显。11 h之后由于植物体内有机物被大量消耗，植物的呼吸作用明显减弱，O2的减少与CO2的增加均趋于平缓。

图3 呼吸作用中O2变化曲线

2.3.3 呼吸作用中温度的变化 24 h后得到两组实验中温度随时间变化的曲线图(图4)。实验组与对照组的初始温度均为19℃左右(与室温接近)，24 h后对照组内的温度基本保持不变，实验组由最初的18.9℃上升到24.5℃。实验组内的温度上升较明显，可以看出新鲜的菠菜进行了呼吸作用释放大量的能量，其中一大部分能量以热能的形式散发出来，使得瓶内温度升高。并且在0～11 h这段时间由于植物呼吸作用比较旺盛，释放的能量较多，瓶内温度升高较快。在11 h之后，由于植物呼吸作用减弱，能量释放的较少，瓶内温度上升缓慢，趋于平稳。

图4 呼吸作用中温度变化曲线

2.3.4 呼吸作用中湿度的变化 实验24 h后可以明显地看到实验组的瓶壁内侧有大量的水珠产生，而对照组瓶内没有观察到水珠。两瓶内湿度的变化如图5所示，对照组的湿度始终维持在70%左右不变，实验组从初始值80%上升到最终的96.5%，明显看出实验组内湿度在不断地升高，这一结论与实验组能够观察到水珠是一致的。对湿度曲线图进一步分析可以看出，实验组在前11 h内湿度增加比较明显，再一次证明了这段时间内植物的呼吸作用旺盛。

图5 呼吸作用中相对湿度变化曲线

设计意图： 学生在一段时间内通过对新鲜菠菜以及烫过的菠菜中CO2、 O2、温度、湿度的变化进行监测，从曲线图变化趋势的分析上可以很容易得出呼吸作用消耗O2产生CO2并释放能量这一实质。教师再适当引导学生理解能量储存在有机物中，最后由学生归纳出呼吸作用的过程。

3 检测不同植物的呼吸作用(拓展)

3.1 实验设备与材料 器材： 带USB接口的计算机，数据采集器,数据线，CO2传感器，密封罐，密封盖，橡胶塞。材料： 花菜，豆角，萌发的黄豆，萝卜，芹菜。

3.2 实验步骤 具体分以下三个步骤：

(1) 材料处理 选取等量花菜、豆角、萌发的黄豆、萝卜、芹菜分别放入不同的密闭罐中，盖好密封盖，在密闭罐外套上黑色塑料袋，营造黑暗环境。

(2) 连接装置 将CO2传感器的探头通过橡胶塞与密封盖连接，盖上密封盖，调节探头高度。CO2传感器与采集器相连，采集器与电脑相连。

(3) 采集数据 打开实验系统软件Dis，选择“教材通用软件”，进入实验平台，选择相应的模板和曲线建立“CO2—时间”坐标关系，设置采集时间为10 min，采集间隔为100 ms。

3.3 实验结果 经过菠菜的呼吸作用检测发现，短时间内植物在呼吸过程中CO2含量变化最为明显。因此进一步用CO2传感器对花菜、豆角、萌发的黄豆、萝卜、芹菜等不同植物材料在10 min内CO2含量的变化做检测。

实验发现： 几种材料在连接装置后CO2含量升高均较为明显且上升速率较高，花菜从初始值1 000 ppm上升到1 822 ppm，豆角从初始值1 116 ppm上升到2 986 ppm，萌发的黄豆从初始值1 354 ppm上升到2 514 ppm，萝卜从初始值996 ppm上升到1 327 ppm，芹菜从初始值800 ppm上升到1 565 ppm。可以看出植物的不同部位均能够进行呼吸作用。

设计意图： 以往的教学中，呼吸作用的场所是一个难点，学生很容易认为植物的呼吸作用跟光合作用一样发生在叶绿体，通过CO2传感器对不同植物材料的测定，学生通过数据很容易就得出植物的各个器官都可以进行呼吸作用这一结论。整个实验操作简单快捷，现象明显，学生也印象深刻。同时这个实验之后可以进一步提出问题让学生探究： 植物的哪些部位呼吸作用旺盛？