传感器辅助下的“探究不同环境因素对光合作用的影响”教学

一、问题的提出

发展高中生的生物学学科核心素养，是高中生物学教学的基本任务。实验教学是促进学生生物学学科核心素养发展的重要依托。然而，实验教学一直是高中生物学教学的难点，部分实验现象难以观测、量化，影响实验效果。借助传感器量化实验结果，可以有效提高实验教学的效果。应用传感器开展生物学教学值得探索。

高中生物学实验教学中，利用传感器可实现实验数据的实时测量、采集和分析。这样，原来无法定量测量数据，现在可以量化;原来很难观察的变化，也可以用数字化手段来显示。数字化实验装置一般由传感器、数据采集器、计算机及相关数据处理软件构成。被测量的自然量，如O、CO、温度等，通过传感器被转换为电信号，再通过采集器编码为数字信号，最后通过计算机实验软件生成实验结果（包括数据和图像等），显示在大尺寸液晶屏幕供师生观察和分析。下面，以“探究不同环境因素对光合作用的影响”教学活动为例，探讨如何利用传感器开展数字化实验，促进学生学科核心素养发展。

二、应用传感器技术开展实验教学

应用传感器技术开展实验教学，目标指向依然是教学实验与素养提升。在实验教学时，先要分析实验的育人价值。

（一）确定实验目标，关注学科核心素养发展

课程标准是课堂教学及教学评估的根本依据。“探究不同环境因素对光合作用的影响”是“概念2 细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖”教学内容，该实验旨在促进学生生物学学科核心素养的提升，帮助学生理解概念。知识性目标动词“探究”为应用水平，程序性知识目标为“不同环境因素对光合作用的影响”，即学生能够运用光合作用的过程和原理，在新的情境中设计和实施实验方案，分析结果得出结论，进一步理解光合作用，并分析、解释农业生产现象，找出解决问题的方法。

“探究环境因素对光合作用强度的影响”是人教版《生物学必修1 分子与细胞》第5章“细胞的能量供应和利用”第4节“光合作用与能量转化”中“光合作用的原理和应用”部分的“探究·实践”活动。学生在学习“捕获光能的色素和结构”以及“光合作用的原理”基础上，参与探究实验活动可进一步理解光合作用的原理和过程，提升自身的科学思维、科学探究素养。

基于上述分析，笔者认为该实验的育人价值既有知识获取，又有感悟知识形成过程中获得的素养提升：在实验过程中，学生利用数字化手段开展实验获取量化结果，基于数字证据和逻辑得出结论，分析环境因素测定值与光合作用表现指标值之间的关系，始终在思考;在分析物质变化、能量变化数值的同时，也在朝着深刻理解物质与能量观的方向深入。

因此确定实验目标：（1）根据数字化实验获取的量化指标值，解释光合作用中的物质变化和能量转换（生命观念）;（2）尝试利用传感器设计探究不同环境因素对光合作用影响的实验，分组合作完成实验（科学探究）;（3）分析影响光合作用的环境因素以及影响的结果，得出结论（科学思维）;（4）通过对具体农业生产问题的分析，找到农业生产中提高农作物产量的具体措施，将理论与实践联系起来（社会责任）。

（二）体验数字化实验的过程，发展核心素养

1.唤起已知，重温生命观念

教学起始阶段，教师演示下列实验，让学生观察实验现象并进行总结。

演示活动：分别用生长状况相同且大小相同的同种植物绿叶A和黄叶B在室温和一定的光照强度的条件下，通过氧气传感器以及数据采集器检测密闭容器中氧气浓度的变化;通过二氧化碳传感器以及数据采集器检测密闭容器中二氧化碳浓度的变化量。

学生通过显示屏观察到的实验现象是绿叶A组的O浓度减小，CO浓度增大，而黄叶B组的O和CO浓度几乎不变，从而得出结论“叶绿体在光下进行光合作用产生O并释放CO”。通过演示，学生更直观地观察到实验现象，进一步理解光合作用物质变化和能量转化的关系;同时，掌握数字化实验仪器的使用方法，为后续探究实验打下基础。

2.重构认知，开展科学探究

情境导入：世界粮食计划署发布了2020年《全球粮食危机报告》，共有25个国家面临严重饥饿风险。疫情是粮食危机的催化剂。一场“大饥荒”已然席卷全球。提高全球粮食产量是亟待解决的问题。除了改变农作物品质之外，在生产实践中还可以改变哪些环境因素提高光合作用强度，从而提高粮食产量。

学生从光照强度、CO浓度、温度等方面进行阐述，在分组探讨自变量、无关变量以及因变量的设置的基础上，设计实验方案。

笔者让学生根据光合作用的原理和过程，推理（分析）影响光合作用强度的因素，并据此设计实验方案进行探究，提高其学习能力与认知水平。在发现问题的基础上，通过探究实验的实施、观察、交流，激发学生对自然现象的好奇心和求知欲，帮助他们掌握科学的思路和方法，提高实践能力。

探究活动：探究光照强度对光合作用的影响。

学生利用光照强度传感器，调节灯光与装置之间的距离，设置不同光照强度的自变量，借助氧气传感器测得单位时间内氧气浓度变化，从而得出结论“一定的光照强度范围内，随着光照强度的增大，光合强度逐渐增大，超过一定的光照强度，光合速率不再变化”。

探究活动：探究CO对光合作用的影响。

学生借助二氧化碳传感器，利用NaHCO溶液调节溶液中的CO浓度，发现在一定的温度和光照强度下，一定范围内随着CO浓度的升高，光合作用强度逐渐升高，超过一定的范围，光合作用强度下降。同时，笔者引导学生分析原因。

探究活动：探究温度对光合作用强度的影响。

学生借助温度传感器，利用水浴调节不同装置内溶液的温度，发现在一定的光照强度下，一定的温度范围内升温后，光合作用强度升高，超过一定温度，随着温度升高，光合作用强度下降。

3.分析实验结果，运用科学思维

实验结果表明，光照强度、CO浓度和温度与光合作用强度之间存在相关性。一定范围内，光合作用与上述影响因素正相关，超过一定范围后，则无此关系。由此可见，环境因素的影响，最终都通过作用于内因而起作用。光合作用除了受环境因素影响外，还受叶绿体利用光的能力、叶片吸收CO能力、相关酶活性影响，它们之间是复杂的关系而不是线性关系。

传感器获取的实验数据，在精确定量方面具有优势。运用传统实验方法开展本实验时，实验结果难以量化，仅能根据小叶片浮起时间、数量来判断影响光合作用强度。用传感器开展本实验，在实验结束后，可以比较精确地定量测量（定量的指标更多），这对学生的学习很有帮助，可以更好地理解多个自变量与作为因变量的光合作用强度之间的关系，从而基于这种量化分析更深刻地理解光合作用过程中所表现出来的网络状因果关系，对于影响光合作用强度的环境因素、内因等是“多因一果”的关系也有更深刻的认识。在对实验数据开展讨论的过程中，学生基于自变量变化与因变量变化的分析还有其他发现：光照强度、CO浓度和温度上升到一定程度后，光合作用强度不再增加。这对于理解生物学普遍存在的适度、平衡思想也很有益处。

在全班交流时，学生发现不同组实验结果数据有差别。笔者引导学生分析不同组测量数据出现差异的原因。学生认为，可能是选择叶片不够浓绿，可能是连接传感器太早，也有可能是容器太小、CO不足、与灯管的距离远近等原因造成的。这样，学生既可以反思用传感器测量时是否按基本要求操作，又能对测量误差有深刻的感悟。更有意义的是，虽然各组数据不完全相同，但是，各组获得的自变量、因变量数据之间的关系，却是有共同趋势的。当笔者引导全班学生再次分析各组的数据时，学生尝试透过实验结果的表象抽取实质，从似乎纷繁无序的数据中寻找规律，从而对于处理实验结果、合理得出结论有更深刻理解。讨论之后，学生跃跃欲试，想通过实验进一步探讨和研究。

4.情境感知，增强社会责任感

教育的使命是立德树人，只有将生物学概念及生命观念应用到社会实践中才能真正贯彻党的教育方针，落实立德树人的根本任务。

笔者提出问题：“在农业生产中，农民伯伯在大棚中采取哪些措施实现增产？”学生考虑增强大棚中灯光，用白光灯、红光灯、绿光灯等不同的光源进行照射，但对相同强度的光源，应选择何种光质，存在分歧，最终通过实验进行探究。

探究实验：探究光质对光合作用强度的影响，并解释原因。

学生借助传感器设定一定的光照强度，分别采用白光、红光和绿光进行实验，结果发现同等光照强度下红光照射植物其光合作用最强，绿光效果最差。学生解释产生这一结果的原因：叶绿体中的色素主要吸收红光和蓝紫光，而对绿光吸收最少。学生原来是通过猜测进行解释，现在借助传感器做实验更容易直接用数据验证了。

教师进一步引导学生思考选用红色大棚薄膜是否可以增产，并通过实验进行探究。

探究实验：分析大棚薄膜的颜色对光合作用强度的影响，并解释原因。

学生将白色和红色的塑料薄膜分别包在实验装置外，发现在较适宜的光照强度下，采用白色薄膜组的O释放量明显多于红色薄膜组，并解释产生这一现象的原因，即同等强度的光照在经过红色薄膜时大部分的光（除了红光）被薄膜吸收了导致光照强度减弱，而白色薄膜几乎可以使所有的光透过来。学生借助光照强度传感器对两种情况进行检测，证实这种解释是正确的。

结合实验数据，教师进一步引导学生关注光合作用在提高农作物产量方面的应用，并强调光合作用的效率不能无限提高，大家要增强节约粮食的意识。

三、总结

此实验中，数字化探究实验有以下优点：一是传感器与计算机连接实时采集数据，实现了数据记录的连续性，即实现实验过程的可视化。二是测得的实验数据通过图像或数据变化直接显示出来，避免了处理实验数据不准确，腾出更多的时间和精力用于实验设计、分析，更好地理解概念、掌握规律，即保障实验设计的重点化。三是数据采集的智能化。四是数据处理的智能化。

应用传感器技术开展实验教学成效显著：一方面简化了实验操作，使实验更容易开展，结果更明显;另一方面，可以用“数字”描述原本定性或粗略定量的实验。这样的实验结果，对于学生建立物质与能量观，理解生物学网络状因果关系，了解光合作用原理而建立节约粮食的意识，都有积极意义。传感器技术的应用，改变的不只是实验手段，还有发展学生学科核心素养的方法。

（作者系山东省荣成市第一中学教师）