光照度对金鱼藻光合作用影响的数字化探究

李乐峰　张小颖　钟燕婷

探究实验是发展学生核心素养的有效途径。《义务教育生物学课程标准（2022年版）》（以下称“课标”）指出，探究实践是源于对自然界的好奇心、求知欲和现实需求，解决真实情境中的问题或完成实践项目的能力与品格^[1]。“光合作用”教学中，师生需要利用金鱼藻探究植物光合作用产生氧气。学生在开展定性实验时会遇到一些问题和困惑。例如：实验受天气影响，需要温暖而充足的阳光；实验时间过长，收集1/2试管的气体，需要两三个小时，以至于学生在课堂上不能完整参与实验。为此，笔者在班级组建兴趣小组，共同对实验进行改进。整体思路是：用智能光照培养箱控制光照度、温度和湿度，突破该实验受天气条件的限制；使用氧气传感器快速检测氧气的含量变化，缩短实验时间。笔者以传统实验为基础，引导学生使用数字化实验技术和智能光照培养箱，探究光照度对金鱼藻光合作用的影响，证明在一定范围内，光照度越大，金鱼藻光合作用越强，并借此发展学生科学思维，增强证据意识。

一、实验设计

（一）实验原理

水生植物在光合作用过程中会产生氧气，引起水中溶解氧含量的变化。笔者给学生布置的任务是：设定不同光照条件，测定实验瓶内水中溶解氧数值，探究光照度对植物光合作用的影响。

（二）实验方案

为测量水中的溶解氧量，将氧气传感器插入水中，对锥形瓶进行密封处理。每组实验时选用生长状态一致且质量相等的金鱼藻。配制浓度相同的碳酸氢钠溶液，每组实验结束进行更换。每组实验，设定相同温度条件，使用智能光照培养箱进行实验。实验过程中使用磁力搅拌器使水处于流动状态（如图1）。

准备以下实验材料、试剂和仪器：金鱼藻、碳酸氢钠（0.03 g）、蒸馏水、可密封的锥形瓶（250 mL）、烧杯（500 mL）、玻璃棒、分析天平、智能光照培养箱、氧气传感器、磁力搅拌器等。

笔者让学生学习仪器、设备的使用方法：观看视频学习氧气传感器、DISLab 8.0传感器软件和智能光照培养箱的使用方法，组装实验装置，知晓操作步骤。

二、注意事项

（一）实验材料的选择

尽量选择生长健壮、长度相同的金鱼藻。金鱼藻主要从主茎的切口释放氧气，选择时应尽量保证切口数量相同，减少干扰。实验过程中需要不断搅拌，在不断流动的水中，生长健壮的金鱼藻分枝和丝状的叶不易掉落。

学生参与每组实验，都要更换质量相等的金鱼藻和浓度相同的碳酸氢钠溶液，减少无关变量对实验的干扰，保证实验的科学性。

（二）科學采集数据，减小实验误差

待数据相对稳定时开始记录，每隔1 min记录一次数据，共10次。氧气传感器比较灵敏，刚打开DISLab 8.0传感器软件时，传感器测得的数据会出现快速变化，此时记录的数据是不准确的。传感器可以连续、实时测量数据。在相对稳定时开始记录，获取的实验数据更可信。

实验时间不宜过长。此实验装置是密封的，随着金鱼藻进行光合作用，锥形瓶内水中的二氧化碳浓度会不断降低，金鱼藻的光合作用也会逐渐减弱，甚至不能进行光合作用，从而导致水中溶解氧不增反减。同时，金鱼藻的代谢和光源发光会在一定程度上影响温度变化从而影响光合作用，干扰实验。另外，水的氧气溶解量是有一定饱和度的，也会不断释放到空气中。多次实验，记录10 min既能得到理想的数据，又能缩短实验的时间，提高实验的可行性。

（三）增加磁力搅拌器，正确使用传感器

溶解氧的测量是一个消耗氧气的过程（待测液中氧气穿过选择性透气膜参与电极内部发生电化学反应），如电极和溶液均静止不动，则电极薄膜位置周围氧气会被不断消耗，数值发生变化（变小）。此外，为保证电极工作，溶液流速不能小于2.5 cm/s，故需要使用磁力搅拌器不断搅拌。

三、实验过程

（一）材料预处理

选择生长状况良好的金鱼藻，清洗干净，称取鲜重5 g，并剪成5～8 cm长的条块备用。配制质量分数为0.1%的碳酸氢钠溶液。

（二）设置自变量

利用智能光照培养箱设置光照度：高强光组，15 000 lx；中强光组，10 000 lx；低强光组，5 000 lx。温度均设置为25 ℃，湿度设置为80%。

（三）组装实验装置

首先，将橡胶塞打孔插入氧气传感器探头，并将氧气传感器的另一端连接电脑；其次，向锥形瓶内依次加入磁力搅拌器的转子、300 ml质量分数为0.1%的碳酸氢钠溶液和5 g新鲜的金鱼藻，并用插有传感器探头的橡胶塞密封；最后，将锥形瓶放于磁力搅拌器中央并将整个装置放入智能光照培养箱中。

（四）实验并采集数据

测量三组光照度下实验瓶内的溶解氧含量变化。设置智能光照培养箱的相关数值为低强光组（光照度5 000 lx），保持温度25℃和湿度80%的环境条件不变，开启DISLab 8.0软件系统，待数值相对稳定时，设置每隔1 min记录实验瓶内溶解氧的数据。在更换等量的新金鱼藻和碳酸氢钠溶液之后，分别测量中强光组（光照度10 000 lx）和高强光组（光照度15 000 lx）实验瓶内溶解氧的数据（见表1）。

四、实验结果与分析

分析数据可知，三种光照条件下，水中的溶解氧都是逐渐增多的，光合作用产生了氧气，验证了实验结论。另外，学生将三种光照度下水中溶解氧的数据转化为曲线图（如图2），发现光照度越大，实验瓶内溶解氧的含量增加越快，说明在一定范围，增大光照度，氧气的产生速度加快。推理可知，在一定范围内，光照度会影响金鱼藻光合作用，光照度越大，光合作用越强。师生对“光合作用产生氧气”实验进行改进，简化了实验步骤，缩短了实验时间，提高了实验成功率的同时，也使得实验效果更加明显^[2]。

五、总结与建议

（一）推进信息技术与教学深度融合

兴趣小组的学生针对传统实验的问题，将传统实验与数字化实验有机结合设计并实施了此实验。传统实验中，巧妙地选择水生绿色植物产生、收集氧气，将无形的、微小的、不可见的现象转化有形且可见的现象，同时利用带火星的卫生香复燃检验氧气。这样实验有一定的趣味性，但受到许多条件的限制。

与传统实验相比，数字化实验更加精准——将学生感官感受到的信息即时转化为数据，大幅缩短了实验时间。此外，传感器可以连续记录数据，学生利用这些连续变化的数据可以了解植物光合作用受光照度影响的动态变化过程，将定性实验定量化，更容易发现规律。教师在趣味实验中借助数字化手段教学，用传感器让学生“看”到其内在发生的反应，不仅让他们觉得有趣，而且更深层次地了解反应的原理^[3]。传统实验和数字化实验的有机结合，既能让学生在感受实验带来趣味性时又能快速得到实验结果，有利于信息技术与生物学教学深度融合。

（二）积极开展探究实验，提高学生核心素养

课标注重学生自身价值的发展，倡导构建以学生发展为本的生物学课堂。笔者以学生实验时遇到的困惑为背景，以真实情境中的问题激发学生的探究欲。在此基础上，笔者引导兴趣小组学生查阅资料探究植物光合作用的相关实验，获得了启发，设计并实施了方案，获得证据从而解决问题。在这个过程中，学生积极、主动思考，不仅发展了科学思维，而且學会了创造条件解决问题，提升了能力。教师利用“实验”的问题引导学生做“实验”有利于提升学生核心素养。

（三）利用传感器开展数字化实验，有助于促进跨学科实践

课标提出，跨学科实践是扩展视野、增强本领的重要途径。在跨学科实践中，学生要能够理解学科间的关系，并尝试运用多学科的知识和方法，解决现实问题，发展核心素养。教师改进传统实验的教学方法，引导学生使用氧气传感器、DISLab 8.0传感器软件和智能光照培养箱等仪器进行数字化实验，并将实验数据转化为曲线图进行数据分析，可以帮助他们将解决问题的想法或创意付诸实践。在此过程中，学生基于真实情境，使用物理仪器（氧气传感器）和信息软件（DISLab 8.0传感器软件）收集实验数据，并运用数学方法或工具（曲线图）进行数据分析，得出了具有科学可信的实验结果，解除了困惑。总之，教师科学地开展数字化实验有助于学生跨学科实践。

注：本文系2022年安徽省教育科学规划立项课题“基于核心备课组的IMA区域教研模式创新研究”（项目编号：JK22092）的阶段性成果之一。

参考文献

[1] 吴成军.义务教育生物学核心素养的内涵及分析[J].生物学教学，2022（7）：2-5.

[2] 鲍永娟，梁旭.对实验“光合作用产生氧气”的探究与改进[J].中学生物学，2020（10）：49-50.

[3] 庞红梅.传感器“眼”中的“蓝瓶子”[J].中学化学教学参考，2020（7）：47-49.

（作者李乐峰系安徽省淮北市教育科学研究所正高级教师；张小颖系安徽省淮北实验学校教师；钟燕婷系淮北师范大学生命科学学院研究生）

责任编辑：祝元志