利用手持技术探究“环境因素对光合作用强度的影响”

李金月　李韶山　丁丽卿

摘要 采用手持技术开展“环境因素对光合作用强度的影响”的探究实验，通过溶解氧传感器测定光合作用释放的氧气以反映光合作用强度，尝试将数字化传感器技术与中学生物科学探究相结合，为中学生物探究实验提供参考。

关键词 溶解氧传感器 光合作用 实验探究

中图分类号 Q-33 文献标志码 B

“探究环境因素对光合作用强度的影响”是人教版高中生物必修1中的一个重要的探究性实验，目的在于让学生进一步深入理解光合作用这一核心概念。人教版教材的参考案例使用的植物材料是菠菜叶圆片，采用真空渗水法将叶圆片沉入烧杯底部，光照处理后，观察同一时间内叶圆片浮起的数量，以此表示光合作用的强弱。该探究实验方案只是一个定性观察实验，且耗时长，操作复杂，在高中生物教学实践中较难开展。

手持技术是指由数据采集器、传感器和计算机及配套的软件组成的定量采集数据的实验技术系统。本研究采用手持技术探究环境因素对光合作用强度的影响，采用溶解氧传感器可以较为简便检测水中溶解氧含量的变化，定量测定光合作用强度，同时结合光照度和温度传感器，帮助学生进一步深入理解环境因素对光合作用强度的影响。探索将手持技术与高中生物实验进行整合，为中学生物探究实验提供参考。

1实验原理

黑藻是一种常见的水生高等植物，在进行光合作用过程中释放氧气，溶解在水中。溶解氧传感器可精确测出水体中氧含量的变化，利用溶解氧传感器测量植物光合作用中释放的氧气的量，就可以精确地检测植物光合作用的强度。

影响植物光合作用的因素很多，主要是光、C02和溫度等。碳酸氢钠在水中电离出碳酸氢根离子并进入黑藻叶片细胞内，其反应式为NaHCO₃=Na⁺+HCO₃^-，因此NaHCO₃可作为水生植物光合作用CO₂的来源。

2实验材料与仪器药品

实验材料：黑藻。

实验药品和器材：碳酸氢钠、天平、量筒、250mL烧杯、12W欧普LED灯、直尺、不同颜色的玻璃纸。

手持仪器：数据采集器、溶解氧传感器、光照度传感器、温度传感器。

3探究实验过程

反应体系：称取0.5g鲜重的黑藻放入装有100mL碳酸氢钠溶液的烧杯中。

溶解氧传感器采集参数设置：数据采集频率10/s，测定1000个数据。

3.1探究二氧化碳浓度对光合作用强度的影响

（1）浓度梯度设定：配制质量分数分别为0%、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%的NaHCO₃溶液。

（2）连接装置：将数据采集器和光照度传感器、溶解氧传感器以及电脑连接好，并进行参数设置，分别测定6个装置中的溶解氧浓度，作为初始数据。

（3）光照培养：将6个装置全部置于LED灯下光照处理一段时间，采用光照度传感器测得光强约11000lx，采用温度传感器测定溶液温度为26.5%。

（4）测定数据：在光照15min后，用溶解氧传感器分别测定每个装置中的溶解氧浓度。

3.2探究光照对光合作用强度的影响

（1）溶液配制：质量分数1.2%的NaHCO₃溶液。

（2）连接装置：连接好实验装置，设置数据采集参数。分别测定4个装置中的溶解氧浓度，作为初始数据。

（3）光照强度设定：将4个装置分别放置于距LED灯5、10、15、20cm处，用光照度传感器测定光照度数据。

（4）测定数据：在光照15min后，用溶解氧传感器分别测定每个装置中的溶解氧浓度。

3.3探究不同光质对光合作用强度的影响

（1）溶液配制：质量分数1.2%的NaHCO₃溶液。

（2）连接装置：连接好实验装置，设置数据采集参数。用光照度传感器测得光照度数据，分别测定6个装置中的溶解氧浓度，作为初始数据。

（3）光质条件设定：用白色、红色、蓝色、紫色、黄色、绿色的玻璃纸罩住烧杯。

（4）测定数据：在光照15min后，用溶解氧传感器分别测定每个装置中的溶解氧浓度。

3.4探究温度对光合作用强度的影响

（1）溶液配制：质量分数1.2%的NaHCO₃溶液。

（2）连接装置：连接好实验装置，设置数据采集参数。用光照度传感器测得光照度数据，用温度传感器测定温度数据，再测定3个装置中的溶解氧浓度，作为初始数据。

（3）光照培养：将3个装置分别置于冰浴（0℃）、常温水浴（26.5℃）和高温水浴（37℃）条件下，并置于LED灯下光照处理一段时间。

（4）测定数据：在光照15min后，用溶解氧传感器分别测定每个装置中的溶解氧浓度。

4实验结果与分析

不同浓度NaHCO₃溶液对光合作用影响的实验结果见表1。从表中数据可以看出6个实验装置中溶解氧浓度均有所上升，其中未加碳酸氢钠的空白对照组溶解氧的浓度增加量最小，仅增加0.67mg·L^-。不同浓度NaHCO₃溶液的实验组中溶解氧浓度均高于对照组，其中质量分数为1.2%的NaHCO₃溶液下光照培养15min溶解氧增加2.15mg·L^-，1.2%的NaHCO₃溶液对黑藻光合作用的促进作用较明显。

由表2可见，光合作用的实验装置距离LED灯越近，即光照强度越大，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。

从表3可知，不同光质条件下黑藻的光合作用强度由强到弱依次是白光、黄光、红光、紫光、蓝光、绿光，可见不同光质对光合作用强度影响不同。其中白光下溶解氧增加2.40mg·L^-，白光对黑藻光合作用的促进作用最明显。而绿光下溶解氧含量仅增加1.62mg·L^-。

从表4可以看出，不同温度条件下黑藻的光合作用强度由强到弱依次是常温>高温>低温。可见温度会影响黑藻的光合作用速率。

5讨论

通过与教材参考实验案例的比较可以发现，应用手持技术开展“探究植物光合作用的影响因素”实验具有明显的优势，主要体现在：①培养学生的探究能力：本节实验课将以讲解实验、演示实验、验证实验为主的传统教学方式改变为探究教学，引导学生主动参与探究学习。②培养学生的信息素养：将手持技术与生物实验课程整合，为学生探究学习提供数字化学习的环境、内容和方式。③培养学生的定量思维：利用手持技术的数据采集和记录的特点，教师可以向学生提供机会学习定量测定，引导学生实事求是地记录、整理和分析实验数据、定量表述实验结果并进行图表绘制，让学生在量的变化中深入理解科学本质。

将手持技术应用于高中生物教学有利于培养学生的定量思维和科学探究能力，提高学生的生物科学素养。基于手持技术的数字化实验和常规实验具有各自的优势和局限。教师在教学过程中可以结合教学内容尝试将数字化实验与常规实验进行整合，探索将两者优势互补的有效整合途径，以期取得更好的教学效果。