基于传感器技术的“植物的呼吸”实验教学

袁 谊 刘福花

（北京市高井中学 北京 100041）

“植物的呼吸”为北京版7年级下册生物学教材第6 章“生物的呼吸”中的内容。 《义务教育生物学课程标准》要求描述绿色植物的呼吸作用，教学中需要帮助学生形成的重要概念是： 在生物体内，细胞能通过分解糖类等获得能量，同时生成二氧化碳和水。 通过前概念［1］调查发现学生主要存在以下几个错误的认识：①植物的呼吸是吸收二氧化碳和释放氧气的过程；②植物呼吸的器官是叶；③植物白天进行光合作用，晚上进行呼吸作用。为帮助学生建立科学概念，教学中对教材内容进行开发和拓展，组织生物学探究小组的学生应用传感器开展实验活动，对植物的呼吸进行定量分析，为本节课概念的形成提供数据支持。

1 验证萌发种子的呼吸

1.1 设计思路 课堂教学中，学生通过教材上的传统实验对植物的呼吸现象有了定性的观察，掌握了检验氧气和二氧化碳的实验方法。 使用传感器技术可以记录植物呼吸过程中气体含量的动态变化，将实验数据应用于课堂教学，有助于学生形成重要概念，培养学生数据处理和分析能力。

1.2 实验器材 朗威DISLab7.0 数据采集器、氧气传感器、二氧化碳传感器、250 mL 广口瓶、橡皮塞、医用三通管、电动橡胶塞打孔器、托盘天平、萌发的黄豆种子、自来水等。

1.3 实验过程

1.3.1 实验材料的处理 用托盘天平称取10 g（约16 粒）萌发的黄豆种子，均匀置于250 mL 广口瓶中，使每颗萌发的种子周围有足够的空间。

1.3.2 实验装置的连接 将广口瓶的橡皮塞用电动橡胶塞打孔器加工成与氧气传感器探头和医用三通管（可连通二氧化碳传感器的2 个软管）紧密匹配的装置，如图1 所示。再将传感器通过数据采集器与电脑相连，进入V7.1 实验软件系统。 点击“通用软件”，系统自动识别所接入的传感器，并显示广口瓶内的氧气与二氧化碳的含量。

1.3.3 实验图线的采集 点击“组合图线”，分别添加“氧气含量-时间”和“二氧化碳含量-时间”图线，表示萌发的黄豆种子呼吸过程中广口瓶内氧气和二氧化碳含量的变化。 通过“图线控制”设置合适的坐标轴间距，便于长时间观察记录。

1.3.4 实验数据的记录 打开“计算表格”，选用自动记录，设定记数时间间隔为60 s，同步记录实验数据，连续采集6 h。 实验操作界面如图2 所示。

1.4 实验结果与分析 本次实验的环境温度为20℃，在记录的6 h 之内，广口瓶中的氧气含量随着时间的增加逐渐降低，由初始值20.6%降低到19.9%；二氧化碳含量随时间的增加逐渐升高，由初始值1 166×10-6升高到2 158×10-6。

实验结果验证了萌发种子在呼吸时消耗氧气，呼出二氧化碳。 同时，学生发现氧气含量与二氧化碳含量的变化并不是匀速的，而是一个不断变化的过程，这是传统实验中无法观察到的现象。

针对学生课前错误的认识，教师指导感兴趣的学生在课后选择新鲜的叶片（遮光处理）、马铃薯块等作为实验材料，按照上述方法进行长时间的观察记录，验证了植物的各器官在白天和夜晚都要进行呼吸作用，从而消除错误的概念，建立植物呼吸的科学概念。联系实际生活，学生能对卧室不易摆放过多植物作出合理解释，用科学知识指导生活实践。

2 探究温度对萌发种子呼吸作用的影响

2.1 设计思路 教材中指出无论是动物还是植物，呼吸作用都要受到环境条件的影响。 影响呼吸作用的环境条件主要有温度、水及氧气和二氧化碳的浓度等。一般来说，在一定的温度范围内，温度升高，呼吸作用就会加强；温度降低，呼吸作用就会减弱。 对于这部分内容的教学，通常采用资料分析的方式帮助学生理解，对学生而言比较抽象。 笔者尝试将不同温度下萌发种子产生的二氧化碳分别通入澄清的石灰水中，发现现象的差异并不显著，而传感器实验系统能精确记录数字微小的变化，为该实验的探究提供了有利的技术支持。

根据实验室的设备条件，向学生提供恒温水浴锅等器材，将学生分成3 个小组，采用与“实验1”相同的实验方法，在同一时间内记录萌发的种子在室温20℃、水浴30℃和水浴40℃条件下二氧化碳的释放量，记录时间设定为30 min。

2.2 实验过程 汇总这3 组的实验数据，在记录的30 min 之内，每隔1 min 取二氧化碳含量的增加值，指导学生用Excel 作统计分析，比较在不同温度下二氧化碳单位时间的释放量，即呼吸速率［2］。

2.3 实验结果与分析 数据分析如图3 所示。在记录的30 min 之内，在环境温度20℃、水浴30℃和水浴40℃条件下，萌发的黄豆种子呼吸释放的二氧化碳量分别为252×10-6、467×10-6和1 553×10-6。 其中，在水浴40℃条件下，从第2 min 之后，二氧化碳的释放速率很明显高于其他的温度条件。 由此得出实验结论：在实验的温度范围内，萌发种子的呼吸作用随温度的升高而加强。

笔者将该实验结果运用于“环境条件对呼吸作用的影响”课堂教学中，由探究小组的学生展示实验过程与数据统计图，丰富了课堂内容，也锻炼了学生统计分析、语言表达与交流等能力。

3 反思与讨论

以上实验结果对课堂教学起了有效的辅助作用，拓展了学生认知的广度和深度。然而学生的实验过程并不是一帆风顺，通过查阅文献和反复修改实验方案总结出以下注意事项：

①分组实验时，基于传感器电子元件的灵敏度，为使实验结果具有科学性，应取气体含量的变化值做横向比较［3］；

②选取少量的实验材料，使密封瓶内有足够的氧气，避免长时间记录时二氧化碳含量过高抑制呼 吸作用［4］；

③在实验2 中，选用40℃及以上温度时，如果进行长期记录，数据和图线波形比较不稳定，可能是在较高的温度下种子呼吸作用较强，持续产生了大量的水分，水蒸气影响了广口瓶中气体的比例［5］。 因此选择了前半个小时稳定的数据进行比较，或者在呼吸瓶与传感器之间连接干燥瓶进行改进。

由此可见，传感器实验技术为初中生物学教学提供了先进的实验手段，提高了实验效率，增加了实验的精确度，也解决了传统实验中无法解决的问题。 在教学中合理使用传感器可激发学生的学习兴趣，启发学生的思维，提高学生的实验探究能力，有助于学生生物科学素养的养成。