蔡三娟

(江蘇省南京市第九初級中學(xué) 210018)

在實(shí)驗(yàn)過程中使用傳感器，能利用數(shù)字、圖表等直觀的數(shù)據(jù)精確反映出定量實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，將以往的定性實(shí)驗(yàn)提高為定量實(shí)驗(yàn)，使傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中無法完成的實(shí)驗(yàn)得到很好的改進(jìn)，具有非常獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。但是，目前為止，有關(guān)傳感器應(yīng)用于中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐并不多[1]。為此，筆者嘗試將生物傳感器運(yùn)用在植物呼吸作用實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用傳感器對本節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)有很好的輔助作用。

蘇教版七年級上冊“植物的呼吸作用”一節(jié)安排了“植物呼吸作用產(chǎn)生CO2”和“植物呼吸作用消耗氧氣”兩個實(shí)驗(yàn)，均采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，且為定性實(shí)驗(yàn)。在教學(xué)過程中，引入傳感器測量，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相輔相成，可使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更科學(xué)，更有說服力。此外，應(yīng)用濕度傳感器和溫度傳感器，檢測植物呼吸作用引起的環(huán)境CO2濃度、濕度和溫度的變化，引導(dǎo)學(xué)生分析植物呼吸作用過程中物質(zhì)和能量的變化，將傳統(tǒng)的定性實(shí)驗(yàn)上升為定量實(shí)驗(yàn)，能使學(xué)生深刻地理解和掌握知識，取得更佳的教學(xué)效果。

1 植物呼吸作用產(chǎn)生CO2的檢測

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法是用澄清石灰水來檢測CO2，通過觀察澄清石灰水的渾濁程度來判斷植物是否產(chǎn)生了CO2。但是，具體釋放了多少CO2，無從得知。另外，實(shí)驗(yàn)過程中受到塑料袋的氣密性和石灰水的質(zhì)量等因素的限制，且CO2的含量要達(dá)到一定的量才能觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，操作起來比較繁瑣，使得實(shí)驗(yàn)的實(shí)施和實(shí)驗(yàn)效果有一定的局限性。采用CO2傳感器能精確測定植物一段時間內(nèi)進(jìn)行呼吸作用產(chǎn)生CO2的量，還能反應(yīng)植物呼吸作用的過程，實(shí)驗(yàn)操作更方便、結(jié)果更直接。

1.1 實(shí)驗(yàn)方法 實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)處理實(shí)驗(yàn)材料 選取兩份20g菠菜，其中實(shí)驗(yàn)組為新鮮菠菜，對照組菠菜用開水燙過；分別裝入500mL的錐形瓶，錐形瓶外包裹一層黑色塑料袋，放置3h。

(2)連接裝置 將兩個CO2傳感器與數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)連接，然后將傳感器的探頭插入錐形瓶塞后分別伸入兩個錐形瓶中。

(3)數(shù)據(jù)采集 打開實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件TriE ilab ，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集頁面，設(shè)置數(shù)據(jù)采集時間為1 min，選擇相應(yīng)模板和曲線名稱后，點(diǎn)擊“開始實(shí)驗(yàn)”按鈕，開始采集數(shù)據(jù)，這時界面上就會顯示錐形瓶內(nèi)CO2的含量值和變化曲線。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，可得到1min內(nèi)CO2的含量變化數(shù)值(表1)和CO2含量隨時間變化的曲線(圖1)。從表1可以看出，黑暗處理3h后，實(shí)驗(yàn)組CO2含量明顯高于對照組，說明植物呼吸作用產(chǎn)生了CO2。根據(jù)兩者的差值可準(zhǔn)確得出植物在一定時間內(nèi)呼吸作用產(chǎn)生CO2的含量，這一點(diǎn)在曲線(圖1)上也能直觀地體現(xiàn)出來。同時，觀察圖1發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組曲線傾斜向上，而對照組是一條水平的直線，說明實(shí)驗(yàn)組植物在測定時間內(nèi)仍然在進(jìn)行呼吸作用產(chǎn)生CO2?？梢?，通過CO2傳感器，不僅能測定植物一段時間內(nèi)產(chǎn)生的CO2的含量，還能記錄植物呼吸作用的過程，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法相比，這種實(shí)驗(yàn)方法更加精確和客觀。

表1 兩個錐形瓶內(nèi)CO2含量的比較

圖1 暗處理3h后CO2含量變化曲線

(注：ppm的計量單位為μL/L)

2 植物呼吸作用產(chǎn)生水的檢測

植物在有氧條件下進(jìn)行的呼吸作用，不僅會產(chǎn)生CO2，還會產(chǎn)生水。為了說明這一點(diǎn)，通常是在課堂上引導(dǎo)學(xué)生觀察裝有新鮮植物材料的容器內(nèi)壁上是否產(chǎn)生水珠，方法簡單明了。但問題是，如果看不到水珠就肯定沒有水產(chǎn)生嗎？濕度傳感器的使用就可以使問題迎刃而解。

2.1 實(shí)驗(yàn)方法 實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)處理實(shí)驗(yàn)材料 選取兩份綠豆種子，各30g；一份萌發(fā)，另一份烤熟；分別裝入500mL的錐形瓶，在室溫下放置3h。

(2)連接裝置 將兩個濕度傳感器與數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)連接，然后將傳感器的探頭插入錐形瓶塞后分別伸入兩個錐形瓶中。

(3)數(shù)據(jù)采集 打開實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件TriE ilab ，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集頁面，設(shè)置數(shù)據(jù)采集時間為1min，選擇相應(yīng)模板和曲線名稱后，點(diǎn)擊“開始實(shí)驗(yàn)”按鈕，開始采集數(shù)據(jù)，這時界面上就會顯示錐形瓶內(nèi)濕度值和濕度的變化曲線。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行1min后，可得到兩個錐形瓶內(nèi)的濕度值(表2)和濕度隨時間變化曲線(圖2)，從表2可以看出，1min后實(shí)驗(yàn)組錐形瓶內(nèi)的濕度為93.5%，而對照組錐形瓶內(nèi)的濕度為50.0%，濕度可間接反應(yīng)了產(chǎn)生水的含量，分析實(shí)驗(yàn)組和對照組濕度的差異，可得出植物呼吸作用產(chǎn)生了水。同樣，觀察圖2中的曲線變化趨勢，發(fā)現(xiàn)測定的1min內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組中植物的呼吸作用仍在繼續(xù)，并有水生成(第60s的濕度比剛開始測定時的濕度高2.5%)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確直觀，讓學(xué)生有更直觀、更深刻的認(rèn)識，還能在短時間內(nèi)(還未形成明顯水珠時)檢測到植物呼吸作用產(chǎn)生了水。

表2 兩個錐形瓶內(nèi)濕度的比較

圖2 室溫下放置3h后濕度變化曲線

3 植物呼吸作用釋放能量的檢測

在前兩個實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的同時，可同步探究植物呼吸作用釋放能量，即用溫度傳感器測定實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的溫度。測得的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器上傳到計算機(jī)，在分析CO2含量、濕度的同時，分析溫度的變化，以說明植物呼吸作用是否釋放了能量，測定的原理與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中用溫度計測定裝有植物的保溫瓶內(nèi)的溫度是一樣的。由于該實(shí)驗(yàn)比較特殊，需要用到保溫裝置，且在測定過程中不能與外界環(huán)境發(fā)生溫度傳遞，受到實(shí)驗(yàn)裝置的限制，不宜分組實(shí)驗(yàn)，采用教師演示實(shí)驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)方法 實(shí)驗(yàn)材料和方法步驟參考2.1所述，不同的是將錐形瓶換成保溫瓶，將濕度傳感器換成溫度傳感器。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 從溫度傳感器測得的數(shù)據(jù)(表3)可以看出，實(shí)驗(yàn)組測定結(jié)束時的溫度是56.1℃，對照組測定結(jié)束時的溫度是25.4℃(接近當(dāng)時的室溫)，在測定的1min內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組溫度略有上升，對照組溫度保持不變，比較可知，植物呼吸作用釋放了能量，且測定時間內(nèi)植物呼吸作用的過程仍在進(jìn)行。由于傳感器反應(yīng)靈敏，能在短時間內(nèi)迅速測得容器內(nèi)的溫度，且數(shù)據(jù)精確到小數(shù)點(diǎn)后一位，比溫度計更快捷準(zhǔn)確。另一方面，每個數(shù)據(jù)采集器上都有4個通道，可同時連接4個傳感器，且實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件中有多個復(fù)合模板可選，這就意味著實(shí)驗(yàn)過程中可同時測定兩個或兩個以上的生理指標(biāo)。同時，分析不同指標(biāo)的變化情況，節(jié)省實(shí)驗(yàn)時間，提高實(shí)驗(yàn)效率，還能確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，能取得更佳的教學(xué)效果。

表3 兩個保溫瓶內(nèi)溫度的比較