用传感器探究环境因素对光合作用强度的影响

肖云

数字化实验是通过采用传感器实验设备，将实验数据转入电脑，进行实验分析和探究的新型实验形式，主要设备由“可控源+传感器+数据采集器+计算机+处理软件”组成。教师利用数字化实验设备，通过简单的手段获得精确的实验结果，同时对数据进行分析整理，可以节省課堂学时，更好地阐述原理，提高课堂效率，也是信息技术与生命科学教学整合的新途径。但如何充分利用好该系统，生物学实验教学，是生物教师值得探索的内容。在此，笔者利用所任教学校友高数字化实验室V6.0进行了有关实验的尝试。

1 实验思路

探究“环境因素对光合作用强度的影响”是高中生物必修一中开展探究性活动的基本素材。人教版教材中提供的参考案例的实施和实验效果有一定的局限性，如叶圆片真空渗入法操作困难，向清水吹气不利于控制变量CO2的浓度，实验过程连贯性不够，结果呈现滞后性等。于是在教学过程中，笔者引入传感器测量，与传统实验相辅相成。基于传感器的优势，从教材中对实验定性描述提升到通过表格曲线进行定量分析，同时也培养学生数据分析和处理的能力，为探究影响光合作用强度的因素提供更多的实证数据。教师将学生分成两组，分别探究光照强度和光质对光合作用强度的影响。

2 课程准备

2.1 实验材料

查阅资料，发现用菠菜、绿萝、吊兰、大叶黄杨均可做为光合作用相关实验的实验材料。但经过多次尝试，发现外来入侵植物水花生和绿篱植物珊瑚树叶效果较好，而且两种植物都很常见，取材方便。如以水花生为实验材料，实验5 min后水中气泡就非常明显。

2.2 传感器

两组实验中，分别选用氧气传感器和溶解氧传感器测量氧气的变化量，并用光强传感器辅助检测光照强度，将其控制在一定范围内。

2.3 光源

光合作用中的实验，很多版本的教材都是使用白炽灯。但白炽灯在发光的同时会产生较高的热量，因此要设立隔水槽以消除温度升高对实验数据的影响。

2.4 其他

保鲜膜、彩色玻璃纸、凡士林、宽透明胶带、数据采集器、托盘天平、单孔橡皮塞等。

3 实验实施

3.1 光照强度对光合作用的影响

实验过程：

（1） 在3个500 mL的锥形瓶中均加入400 mL的蒸馏水，再分别加入10 g生长旺盛的珊瑚树叶。注意叶柄朝下，叶片朝不同方向，避免相互遮光。

（2） 将每组的光强传感器和氧气浓度传感器与数据采集器、计算机相连，然后将氧气传感器的探头插入锥形瓶塞后分别伸入锥形瓶中，可以在瓶口涂少量凡士林或者裹几层保鲜膜，使密闭效果更好。注意氧气传感器探头很灵敏，操作过程中不能使瓶子的晃动让水溅到探头上影响示数。光强传感器放在锥形瓶旁边，注意传感器的感光区域朝向光源。可以利用三套设备同时操作，也可以一套设备轮流做，但由于传感器灵敏度的差异，得到的数据之间可能存在一定误差。

（3） 进入电脑V6.0系统，点击“通用软件”，系统自动识别所介入的传感器，并显示相应的数据。调节台灯的距离和强度，辅助光强传感器检测，控制三组光照强度分别在100 lx、1 000 lx、10 000 lx左右。

（4） 待光强数据稳定后通过“图线控制”设置合适的坐标轴间距，并设置计数间隔时间为2 s，时长500 s，点击“开始实验”，自动记录数据。

学生实验结果如图1、2、3所示。

由曲线图可见，3条曲线前100 s基本都保持平稳，可能是学生操作前传感器没有稳定就开始计数的原因，也有可能是量变积累不够。学生将曲线图经过分析处理得到表1。

由表1可见，相同时间内，光照强度越大，珊瑚树叶产生的氧气越多，光合作用越强。其中光照强度在100 lx条件下，珊瑚树叶500 s前后氧气浓度为负增长，可能是弱光下植物光合作用小于呼吸作用。

3.2 光质对光合作用的影响

实验过程：

（1） 将红色、绿色、蓝色的单层玻璃纸剪成合适大小，分别包裹住500 mL的锥形瓶，用宽透明胶带粘住接口，注意紧密包裹不能漏光，且接口处尽量不要重叠。向3个锥形瓶中各加入200 mL的蒸馏水，再向每瓶中加入水花生幼嫩部分5或6段，鲜重大约10 g为宜。若植物过多，叶片遮挡，而呼吸作用总量增加，会影响实验效果。由于水花生叶片较小，不需要将叶片摘下，可以连带幼茎一起放入锥形瓶中。

（2） 将每组的光强传感器和溶解氧浓度传感器与数据采集器、计算机相连，然后将溶解氧传感器的探头放入锥形瓶水中，并在瓶口裹几层保鲜膜达到密闭的效果。光强传感器放在锥形瓶旁边，注意传感器的感光区域朝向光源。

（3） 进入电脑V6.0系统点击“通用软件”，系统自动识别所介入的传感器，并显示相应的数据。调节台灯的距离和强度，辅助光强传感器检测，控制三组光照强度均在1 000 lx左右。

（4） 待光强数据稳定后通过“图线控制”设置坐标轴间距，并设置计数间隔时间为2 s，时长500 s，点击“开始实验”，自动记录数据。

学生实验结果如图4～图6所示。

将曲线图经过分析处理得到表2。

由表2数据分析可见，相同时间内，在蓝光下瓶中溶解了较多的氧气，光合作用较强，其次是红光，最弱的是绿光。比较500 s前后，在绿光下，瓶中的溶解氧含量下降，说明绿光下水花生光合作用较弱，小于呼吸作用。

4 反思与讨论

4.1 瓶中的水量

经过反复实验，发现使用氧气传感器时，需要在瓶中加入较多的水，使瓶中空气较少。这样氧气量的变化较大，传感器的示数变化才更加明显。而在使用溶解氧传感器时，水量的影响则不及前者明显，但也不宜过少，以基本没过水花生叶片为宜。

4.2 传感器

使用传感器前一定要先校正以消除误差，并让传感器稳定5 min再开始测量。传感器本身的灵敏度是有差异的，数据分析中教师要引导学生关注本组数据的变化量，而不是实验起点和止点的绝对值。另外，每个数据采集器上都有4个通道，可以同时连接4个传感器。这意味着实验过程中还可以同时测定多个生理指标，减小实验误差，提高实验效率，还能确保实验结果的准确性。

4.3 其他因素的探究

本次实验测量的为净光合作用强度值，有时间可以结合二氧化碳传感器和温度传感器，继续探究二氧化碳浓度、温度对光合作用强度，甚至对呼吸作用强度的影响，延伸实验的深度和广度。

教师需要根据教学内容，充分利用学校的教学资源，让信息技术与生物学科有效结合，不断思考和创新，才能提高学生学科实践能力。综上，传感器为生命科学实验的拓展和探究打开了一扇窗。