基于数字化信息系统的光合作用实验教学

袁 谊 刘福花

(北京市高井中学 100041)

2015年北京市义务教育课程计划指出要加强学科实践活动课程建设。学科实践课程的开发和实施，要避免用学科教学内容简单替代，突出实践性、探究性，鼓励学生采取观察实验、合作探究等方式学习。旨在使学生通过亲身实践，提高综合运用知识解决问题的能力、交流与合作的能力、创新意识与实践能力。

基于此，本校对北京版七年级生物学教材中光合作用的传统实验进行拓展，利用学校的数字化信息系统(digital information system，DIS)实验室资源，组织学生对光合作用进行DIS实验探究。学生在实验的过程中发现新问题并继续探究，促使学生深入理解光合作用的概念，提高学生的学科实践能力，培养学生的科学素养，学以致用，用科学知识指导生活实践。

1 探究光合作用中氧气和二氧化碳含量的变化

1.1 设计思路 学生通过生物学教材中的传统实验，观察到光合作用的现象和过程，但难以进行定量分析。本实验使用氧气和二氧化碳传感器，测量光合作用中氧气和二氧化碳含量的变化，可实现对实验对象的定量分析。

实验中将学生分4大组，在相同的实验条件下分别测量君子兰、吊兰、大叶黄杨和绿萝4种叶片在光合作用中氧气和二氧化碳含量的变化，使用DIS实验系统自动记录数据和生成图线。学生通过实验认识到光合作用是绿色植物基本的生理活动，并为之后的探究活动做好准备。

1.2 实验过程 应用朗威DISLab 7.0数据采集器、氧气传感器、二氧化碳传感器、袖珍密封采集瓶、单孔橡胶塞、绿色植物(君子兰、绿萝、吊兰、大叶黄杨)、托盘天平、解剖剪等。实验步骤如下：

(1)选择生长旺盛的待测叶片，将其剪成5 cm左右的条状叶片，分别称取2.5 g[1]。

(2)在袖珍密封采集瓶加入少量水(光合作用原料)，将条形叶片置于瓶壁四周，使其均匀受光(图1所示)。

(3)将传感器与数据采集器及计算机相连，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，并显示相应的数据。

图1 光合作用DIS实验连接图

(4)打开“组合图线”，分别添加“二氧化碳含量-时间”和“氧气含量-时间”图线，表示叶片光合作用过程中采集瓶内二氧化碳和氧气含量的变化。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。

(5)点击“计算表格”，使用自动记录，设定记数时间间隔为60 s，系统将实验数据记录于表格。打开日光灯，开始记录(环境温度22℃)。实验操作界面如图2所示。

图2 光合作用DIS实验操作界面

1.3 实验结果与分析 实验结果显示：4种植物叶片在记录的时间内进行光合作用，二氧化碳含量呈下降趋势，氧气含量有不同程度的增高。其中君子兰叶片光合作用中，在记录的6 h内，二氧化碳含量由603 ppm降低到364 ppm；氧气的含量由初始值20.7%增加到22.1%。这说明植物在光合作用中需要二氧化碳，制造出氧气。

2 比较几种绿色植物光合作用产氧量

2.1 设计思路 学生通过上述分组实验，发现不同的植物光合作用产氧量有所区别，促使他们思考：哪种植物产氧量最高？教师引导学生将实验系统记录的数据进行汇总，并作出“氧气含量增长值-时间”折线图。通过数据的统计分析，不仅可以得出正确实验结果，也培养了学生的数据处理和分析的能力。

2.2 实验过程 本实验是实验1的延伸，汇总各组实验数据，在总记录时间内，以30 min为间隔，将氧气含量的增长值用Excel作出折线图，比较几种绿色植物光合作用产氧量。

2.3 实验结果与分析 数据分析如图3所示。在记录的7 h内，君子兰、大叶黄杨、吊兰和绿萝叶片产氧量为分别1.6%、0.7%、0.4%和0.2%。其中，君子兰在第0.5 h后开始产生氧气，氧气含量的增长速率明显高于其他三种植物。吊兰在统计的前5 h，氧气含量只增长了0.1%，而大叶黄杨和绿萝，则在第3 h和第4 h才开始产生氧气。

图3 几种绿色植物光合作用氧气含量增长值-时间图

学生通过数据分析发现，君子兰有较高的产氧量。部分学生继续查阅资料并加以讨论：君子兰为半阴性植物，叶片宽厚，气孔多，在极其微弱的光线下也能发生光合作用。由此可见，君子兰除了具有很高的观赏价值之外，在合理的栽培条件下，可起到调节空气的作用。这一发现激发了学生种植君子兰的热情。

3 反思与讨论

实验中需要注意的问题：①课堂上采取分组实验，每组使用不同的氧气和二氧化碳传感器，由于传感器记录的数据起点是有差异的，在作数据的对比分析时，应分析每组数据的变化量，才能得出科学的实验结果；②实验选用的叶片需有一定的硬度，剪成条状之后能直立于密封采集瓶中，使叶片互不遮挡，有足够的空间接触周围空气，并能均匀受光。

本次探究活动的开展，充分利用了学校的教学资源，实现了信息技术与生物学科的有效整合。学生通过分组实验、查阅资料、分析数据等活动，不仅能熟练使用DIS实验系统，提高了学科实践能力，更为可贵的是学生能在探究的过程中发现问题并想办法去解决，并用所学知识指导生活实践，这正是生物学科育人价值的体现。在今后的教学实践中，教师应根据教学内容与学生的认知特点，提供更多的使用现代化实验系统的机会，促使学生主动探究、积极体验。