传感器在“植物呼吸作用产生二氧化碳”实验中的运用

赵进

生物学是一门以实验为基础的科学，这就决定了生物实验在生物教学中占有重要位置。中学生物实验的教学，不但要使学生更有效地掌握生物知识，更要培养学生的实验操作能力，逐步提高学生的生物科学素养，为学生以后的社会实践能力和科研能力打下良好的基础。探究式学习既是新课标的理念，又是新课程的培养目标。随着科技的进步，传感器和计算机组成数字化实验系统逐步成为自主探究的重要阵地，特别是在研究性学习过程中，数字化实验设备必将发挥其强大的功能。下面以江苏教育出版社生物学七年级上册第三单元中，“植物呼吸作用产生二氧化碳”实验为例，说明如何有效地将传感器和计算机组成数字化实验系统运用到生物实验中来，为生物课堂中的实验教学增光添彩。

一、传统“植物呼吸作用产生二氧化碳”实验教学

在传统“植物呼吸作用产生二氧化碳”实验中，学生分组后，提前一天，将新鲜的和用沸水烫2—3分钟的同一种蔬菜各100克，分别放入两个不漏气的黑色塑料袋中，插入软管后适当扎紧袋口，软管用止水夹夹紧，实验时，每组随机取一袋蔬菜，将软管插入澄清石灰水中，松开止水夹，轻轻挤压塑料袋，观察石灰水的清浊有无变化，由此来推测袋中装的蔬菜是新鲜的还是烫过的，再打开塑料袋验证自己的推测是否正确。（如右图）

存在问题：传统做法中实验必须提前一天准备，实验准备时间较长，黑色塑料袋以及插入软管后扎袋口时不能出现漏气，塑料袋中所装蔬菜的量应该与袋的容积大小相匹配，否则实验容易失败。澄清石灰水因为易与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙而变质，所以不能使用保存太长时间的石灰水，也不能使用刚配制的石灰水，因为氢氧化钙微溶于水，溶解速度很慢，导致刚配置的澄清石灰水中氢氧化钙的浓度太低，即使遇到一定量的二氧化碳气体也不能变混浊。为确保实验成功，澄清石灰水应该提前2-3天配制。因为学生对澄清石灰水不熟悉，而二氧化碳通入澄清石灰水变混浊的现象，需要相关的化学知识作铺垫，实验原理相对复杂，需要教师在实验的基础上再作进一步解释才能说明问题，学生理解起来也较困难，增大了学生对实验原理的认知难度，影响学生对植物呼吸作用等知识的构建。学生对实验现象缺少理性认识，老师的讲解缺乏说服力，必然增加学生记忆的负担。本传统实验看似简单，但是手工操作步骤繁多，对实验技能要求较高，实验现象不太明显，甚至实验失败。据不完全调查统计，这个实验在我区初中学校中，每年都做的学校不到一半。

二、运用传感器进行“植物呼吸作用产生二氧化碳”实验教学

如果将传感器和计算机组成数字化实验系统运用到“植物呼吸作用产生二氧化碳”实验中操作会变得简单、方便，而且实验现象明显。

实验目的：说明植物呼吸作用产生二氧化碳。

实验原理：通过传感器实时采集气液相密封实验器内二氧化碳和氧气的浓度，研究植物的呼吸作用。

实验器材：器材：计算机，数据采集器，数据线，二氧化碳传感器，氧气传感器，气液相密封实验器、遮光纸、橡皮塞等。材料：小型盆栽植物（如吊兰、铜钱草等）

实验装置图（如下图）

实验步骤：

1.按照实验装置图搭建好实验装置；

2.向气液相密封实验器内放入适当大小的盆栽植物，将二氧化碳传感器、氧气传感器与采集器相连，采集器与电脑相连；

3.将二氧化碳传感器和氧气传感器的探头通过橡胶塞与密封盖连接完毕，盖上密封盖，调节探头高度；

4.打开实验系统软件，选择，点击进入实验平台，点击在单坐标系上建立“二氧化碳--时间”坐标关系，设置采集时间“10min”，采集间隔“100ms”；

5.观察、分析二氧化碳传感器采集的数据。

6.打开实验系统软件，选择，点击进入实验平台，点击在单坐标系上建立“氧气--时间”坐标关系，设置采集时间“10min”，采集间隔“100ms”；

7.观察、分析氧气传感器采集的数据。

实验结果

通过传感器实时采集气液相密封实验器内二氧化碳和氧气的浓度，学生能直观地看到植物的呼吸作用消耗氧气，产生二氧化碳，有利于学生对植物呼吸作用实质的理解。利用数字化信息技术—“传感器”进行实验教学的研究，把平时受干扰因素较多的实验通过快速、高效的采集数据进行比较，通过计算机显示各组数据，明显实验现象，不但有利于激发学生的好奇心和学习兴趣，培养学生运用知识的能力，并且对解决教学难点也起到重要作用。课堂中，我还提供给学生如温度传感器、湿度传感器等，继续研究植物的呼吸作用，让学生在课题的选择、设计和操作过程中，有充分的自主，他们可以根据自己的兴趣特长和认知水平，在动手中创新，在实验中创新，为实现自我价值提供源头活水。

实验优点：

1.实验现象直观明了，实验结论学生思考后能直接得出，不受没有学习过的有关二氧化碳等化学知识的限制。

2.实验材料如盆栽植物等能重复使用，有利于培养学生珍爱生命的意识，提高环境保护意识。

3.提高实验的成功率。

三、本实验教学后的反思

当今社会科学技术突飞猛进，许多高科技数字化产品进入了普通学生家庭，如智能家用电器，智能手机等。而我们的生物实验还停留在传统的实验方法和落后的实验器材上，会使学生产生生物学对当今社会没有实用价值的错觉，从而对生物学失去学习的兴趣。只有把现代科学技术有机地融合到基础生物学实验中，学生才能够学会解决实际问题，因为将来他们面对的将是先进的仪器和设备。采用数字化生物实验教学，必将提高生物学在学生心目中的地位，体现生物学的先进性、科学性和实用性。

相信通过我们不断地努力探索一定会有更多的收获，使传感器和计算机组成数字化实验系统在初中生物实验教学中发挥更大的作用。