巧用溶解氧传感器探究“光强对光合作用强度的影响”

禹萍 袁晓娟

摘要：基于“数好”数字化实验室中相关设备优势，利用“溶解氧传感器”探究黑藻在不同光照强度下的光合作用强度影响实验。将教材实验从“定性”描述提升到“定量”分析，不仅节省时间还提高了学生数据分析能力和科学思维、科学探究能力。

关键词：数字化实验;溶解氧传感器;光照强度;光合作用

中图分类号：G633.91 文献标志码：B

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》特别关注“信息化環境下的教学改革”。虽然没有直接出现“数字化实验”这样的表述，但信息化与数字化密不可分，处处为生物数字化教学留下了广阔的期待空间。相较于传统生物实验教学，数字化实验教学也是在实验室里完成的真实实验，区别为后者是基于传感器、数据采集器、计算机、处理软件等新型设备，将生物实验过程中某些特定变化通过一定的数据采集将结果定量地呈现在电脑上，使得原来不方便测量、不能精准测量甚至无法测量的实验数据都能实时记录。它能将一些传统实验从通过现象“定性”描述提升到通过数据曲线“定量”分析，不但提高了学生数据分析和处理的能力，还提升了学生的科学思维和科学探究能力。

人教版高中生物必修一第五章第四节的实验“探究环境因素对光合作用强度的影响”所探究的问题对于学生来说有一定的难度。影响绿色植物的光合作用的因素很多，主要受外界环境因素（如光强、二氧化碳、温度等）的影响。如果按照教材中提供的参考方案实施，耗时较长，一般难以在一节课时间内完成探究。为了进一步提高课堂效率，笔者在教材提供的参考方案基础上，借助学校配备的数字化实验室选取“光照强度”这一环境因素对本实验进行改进，取得了很好的效果。

1实验思路

绿色植物进行光合作用会释放氧气。对于水生植物来说，植物释放的氧气溶于水，会导致水体溶解氧含量增加。利用溶解氧传感器可测量水体中溶解氧的变化值，为实验分析提供精确的数据证据，定量比较不同光照强度下植物光合作用强度，还为引导学生在课堂中完成探究活动节省了大量时间。

溶解氧传感器能精确直接地定量测量。实验前，要对传感器进行标定，减小误差。不同传感器的灵敏度是有差异的，数据分析时，教师要引导学生关注该组实验数据的变化量，而非实验起点值和终点值。光照度传感器可避免自变量“光照强度”用“强光、中光、弱光”这种模糊的界定，使之精确到具体光强数值。测定光照强度时，将传感器的前端对准光源，减小误差。

相对于白炽灯，光照培养箱的LED光源亮度高，散热量少，极大地减少温度对实验的影响。LED可以点阵式排列在培养箱底部，使植物受光更充分均匀。因本实验选用的是溶解氧传感器，故要选择初始溶氧量低的水体培养植物。原因是当水体溶解氧过于饱和时，易形成气泡，产生实验误差。预实验时，用溶解氧传感器测量几种水样的溶解氧含量，发现选取清晨的湖水进行实验效果更好。

2实验材料与仪器药品

数字化实验仪器：溶解氧传感器、光照度传感器。

实验材料用具：光照培养箱（LED灯）、量筒、烧杯（250mL）、天平、镊子、量筒（100mL）、玻璃棒、NaHC03溶液、黑藻、清晨的湖水等。

3实验改进

3.1实验步骤

（1）溶液配制：用清晨的湖水配置质量分数为1%的NaHC03溶液，在5个250mL的烧杯中均加入100mL溶液，分别标号。

（2）黑藻处理：选取生长旺盛的黑藻，剪取顶端10节，沥水后称重，将1～4号烧杯中分别加入2g黑藻。5号烧杯不放黑藻，起空白对照作用。

（3）连接装置：连接好实验装置，进入“数好”V2.0系统，点击“通用软件”，系统自动识别所介入的传感器，设置参数采集数据。

（4）光照强度设定：调节1、2、3号装置距LED灯的距离和强度，控制光照强度。借助光照度传感器检测光照强度值分别为18369Lx、11642Lx、2371Lx。将4号、5号装置放在黑暗条件下。

（5）测定数据：点击“开始实验”，用溶解氧传感器测定每个装置中的溶解氧浓度，计算机自动记录实验数据（图1）。在图1中，在900～2200s这段时间内，自上而下的曲线依次为光照强度为18369Lx的1号、光照强度为11642Lx的2号、光照强度为2371Lx的3号，黑暗条件下5号和4号的溶解氧浓度变化值。

3.2实验结果与分析

对实验数据的分析至关重要，教师要引导学生对计算机记录的实验数据进行识别、比较后合理的筛选。据图1，在0～900s这段时间内，不同的光照强度对5组装置的溶解氧含量变化影响不大。学生查阅相关资料后，分析原因可能是黑藻在实验初期还处于光适应状态，此段实验数据要舍去。而在1600s后，学生观察发现1号装置中黑藻表面陆续有明显气泡产生。分析原因可能是水体溶解氧浓度达到饱和，会造成实验误差，此段实验数据也要舍去。最终学生选取了900～1600s这段时间内实验数据进行统计、处理、讨论（表1）。

实验表明，在900～1600s这段时间内，随着光照强度增大，水体中的溶解氧增加量越大。说明在一定范围内，植物光合作用强度随着光照强度增加而增加。且通过4号、5号的实验设置更加深了学生对光合作用理解，还能亲身感受科学研究的严谨性。

4实验拓展

溶解氧传感器法除了能探究“光照强度”这一因素外，还可探究二氧化碳浓度（配制质量分数分别为0%、0.5%、1%、1.5%的NaHCO3溶液）、不同光质（用透明、红色、蓝色、绿色的玻璃纸盖在LED灯上）、温度（将装置分别置于0℃冰浴、22℃常温水浴和37℃高温水浴）等环境因素对光合作用强度的影响。

综上，利用数字化实验室中的传感器等设备能准确灵敏地捕获实验过程的微小变化，大大节约了实验时间，轻松解决了传统实验方法无法在课堂有限的时间中完整开展“探究环境因素对光合作用强度的影响”的难题，使实验操作简单化、实验过程高效化、实验结果定量化。学生在实验过程中，锻炼实践操作技能，提升数据分析能力，体验科学探究过程，培养科学思维和科学探究能力。