“环境因素对植物光合作用强度的影响”实验的改进

摘要

采用朗威二氧化碳传感器、光照度传感器和温度传感器构建植物光合作用智能检测装置，利用彩色遥控LED调节光强度和光质、泡腾片控制不同CO₂浓度，探究不同环境因素对植物光合作用强度的影响。该装置将信息技术与生物学进行跨学科融合，将课本的定性实验改为定量实验，实现自动检测和记录，实验操作步骤得到简化，且耗时短、效果明显。

Graphical abstract

关键词

传感器 / 植物光合作用 / 强度 / 环境因素

“探究环境因素对光合作用强度的影响”，是人教版高中生物学必修1中的实验。教材采用叶圆片真空渗水的方法，通过单位时间内叶圆片上浮的数量来判断植物在单位时间内产生氧气的多少。但该实验存在操作复杂、耗时长、容易失误等问题^［1］，给教师的教学和学生的学习都带来了一定的困难。为此，笔者尝试将传感器引入传统实验教学之中，将信息技术与生物学进行跨学科融合^［2］，从而构建一款植物光合作用智能检测装置，用于探究环境因素对光合作用强度的影响，教学效果良好。

1 实验思路

光合作用是植物利用光能，把水和二氧化碳合成有机物同时释放氧气的过程，因此可以通过检测氧气产生量或二氧化碳吸收量来判断光合作用强度^［3］。笔者采用朗威二氧化碳传感器、光照度传感器和温度传感器来构建植物光合作用智能检测装置，用其检测不同自变量下瓶内CO₂的吸收量或释放量的变化情况，同时利用数据采集器接口实时记录并分析实验数据。

2 实验准备

2.1 实验材料

朗威数据采集器（LW-D801）、CO₂传感器（LW-D801）3只、双量程光照度传感器（LW-L802）1只、数据线若干、密封带盖瓶子3个、30 W台灯3盏、15 W彩色遥控LED灯泡3只、泡腾片1片、50 mL小烧杯3只、生菜若干。

2.2 实验装置

利用软硅塞将二氧化碳传感器和温度传感器探头插入装置内（图1），再通过数据线与数据采集器相连。

2.3 光源供应部分

将彩色遥控LED灯泡安装至灯座，利用遥控器对其进行调节，共有白、红、蓝、紫、绿等16种颜色、4种亮度模式（100%、75%、50%和25%亮度）可选。

LED灯是一种冷光源，相比于传统白炽灯，可减轻其对装置内温度的影响。

2.4 CO₂供应部分

泡腾片溶于水可迅速产生CO₂。提前将盛有清水的小烧杯放入装置内，通过控制投入泡腾片的质量可以创设不同CO₂浓度的环境。

3 实验案例

3.1 探究CO₂浓度对生菜光合作用强度的影响

（1） 分3次称取生菜，每次均为30 g，同时称取盛有50 mL清水的小烧杯质量；先将称取的小烧杯放入装置中，再将称取的生菜分别放于装置中，以便分别实验。

（2） 基于步骤（1）的生菜设置3个组，其中一组为对照组，不向烧杯中加泡腾片，而另两组分别向烧杯中加入1.0 g、2.0 g泡腾片，再迅速盖上盖子；待泡腾片反应完毕，点击“通用软件”，直至示数稳定后测得3个组瓶中CO₂浓度的初始数据。

（3） 将装置置于相同光照强度（约10 000 lux）下，其他条件保持一致。

（4） 采集数据：每20 s采集一次3个组的数据，即为CO₂实时浓度，测量10 min，将数据导出并进行分析。其计算公式为：CO₂的吸收量Δφ=φ_初始-φ_实时。

3.2 探究光照强度对生菜光合作用强度的影响

分8次称取生菜，每次均为30 g；将8次称取的生菜分别放于装置中，再将装置分别置于黑暗、2 000、4 000、6 000、8 000、10 000、12 000、14 000 lux的光照条件下，其他条件保持一致；数据采集操作同3.1。

3.3 探究不同光质对生菜光合作用强度的影响

分6次称取生菜，每次均为30 g；将6次称取的生菜分别置于装置中；用15 W彩色遥控LED灯创设白光、红光、绿光、蓝光、黄光、橙光环境，再将装置分别置于不同颜色的光照环境中，其他条件保持一致；数据采集操作同3.1。

4 实验结果及分析

4.1 探究CO₂浓度对生菜光合作用强度影响的实验结果

实验结果见图2。不加泡腾片为对照组；加入1.0 g泡腾片后瓶内初始CO₂浓度为9.8×10^-3，记为中CO₂浓度组；加入2.0 g泡腾片后瓶内初始CO₂浓度为2.88×10^-2，记为高CO₂浓度组。结果表明，中等CO₂浓度有利于提升生菜的光合作用强度，CO₂浓度过高反而抑制其光合作用。

4.2 探究光照强度对生菜光合作用强度影响的实验结果

实验结果见图3。在黑暗环境下，生菜单位时间内CO₂的释放量代表其呼吸作用强度。随着光照强度的增强，单位时间内CO₂的释放量逐渐减少，当光照强度为4 000 lux时，吸收CO₂，这说明光合作用强度增强，且大于呼吸作用强度。当光照强度在4 000~12 000 lux范围时，随着光照强度的增强，生菜单位时间内CO₂的吸收量逐渐增加，这说明在一定范围内，随着光照强度的增强，生菜的光合作用强度不断提高。

4.3 探究不同光质对生菜光合作用强度影响的实验结果

实验结果见图4。在蓝光条件下，生菜单位时间内CO₂的吸收量最大，说明光合作用强度最强，其次为白光、红光；在黄光和橙光条件下，生菜光合作用强度较弱；在绿光条件下，生菜不吸收CO₂，反而释放CO₂，这说明生菜光合作用强度低于呼吸作用强度；在绿光下，生菜光合作用强度最弱。根据上述分析结果可知，在生产实践中，种植生菜最好选在蓝光、白光或红光条件下，此时叶绿体中的色素主要吸收蓝紫光和红光。

5 创新实验改进要点

5.1 信息技术与生物学跨学科融合，将定性实验转化为定量实验

采用二氧化碳和光照强度、温度等传感器，弥补了教材通过其他指标表示光合作用的不足，能使学生更直观地看到环境因素对光合作用强度的影响。体现了信息技术与生物学课堂的深度融合，有助于学生利用信息技术提高分析数据的能力，培养学生的信息素养。在实验操作过程中，需要学生合作讨论设计实验方案、动手操作和得出结论，而对实验结果进行分析，能够培养学生的科学探究能力。实现了实验数据的自动监测、记录和储存，可用于探究一些耗时更长的实验。

5.2 实验条件可调可控，实验结论信度较高

利用泡腾片设置不同CO₂浓度，成本低廉，实验安全且可控性高。彩色遥控LED灯有16种颜色、4种亮度模式可调，完全满足教学需求。利用光照强度和CO₂传感器，可准确测量并采集数据，实验结论准确度更高、更可信。

5.3 简化实验步骤，提升实验成功率

实验操作步骤得到简化，操作者只需称量待测物并放入装置中，再设置合适的自变量即可，既可用于教师演示实验，也适用于学生分组实验。在1~2 min内看到数据的显著变化，既缩短实验时间，又效果明显，完全能满足课堂实验教学的要求，大大提高了实验成功率。

5.4 一“装”多能，开拓多个探究实验

该装置可以进行多种实验探究。①比较不同植物的光合作用强度和呼吸作用强度，寻找光补偿点和光饱和点，以及CO₂补偿点和CO₂饱和点等。②加入温度传感器，探究温度对光合作用强度的影响。③可用于比较阴生植物与阳生植物在光合特性上的区别。④可用于探究微生物的呼吸作用强度，效果较好。⑤增加湿度传感器，可用于探究植物的蒸腾作用。因此，该装置能进一步拓展教材实验，有利于科学探究的深入与日常化。

6 注意事项

在实验材料的选择上，选择叶片较大的植物，受光面积大；事先进行预实验，提高实验成功率。在开展实验前，建议教师利用泡腾片溶于水，借此检测装置的气密性，以便提高实验效率。建议开展分组实验，以4~5人为一小组，3个小组为一个大组。每个大组只探究一个课题，以节省实验时长。3个小组进行同一实验，平行重复，取平均值，避免实验操作误差带来的影响。在教学中，教师引导学生思考检测装置气密性、控制无关变量、检测因变量等，并采用不同的植物、光照强度、光质、二氧化碳浓度和温度等条件探究影响植物光合作用强度的情况，促使学生深刻理解和掌握知识，同时联系光合作用的知识指导农业生产，以提高生物学科核心素养。

实验教学是体现生物学课程特色的一种重要教学形式，传感器等信息技术手段的使用实现了信息技术与生物学实验的整合，优化了实验操作，改进了实验教学，使学生在实验教学中能掌握必要的实验技能，并高效得出实验结论，完成相关概念的内化。笔者建议，广大教师在实验教学的实践中应适时利用传感器开展实验创新，以使传感器为实验教学的发展注入新的活力。

参考文献

[1] 肖云.用传感器探究环境因素对光合作用强度的影响［J］.中学生物学，2017，33（09）：40-43.

[2] 刘东波，贺秉军.生物传感器在植物光合作用实验教学中的应用［J］.内蒙古师范大学学报（教育科学版），2017，30（05）：159-161.

[3] 李乐峰，丁元元.用氧气传感器进行“光合作用释放氧气”实验教学的探索［J］.中学生物教学，2015（11）：50-51. （上接第90页）

[4] 新的实验测量方法，领悟了数字化信息技术与学科之间相互融合，相互促进的意义，促使学生不断深入思考。在实验教学过程中，学生积极参与设计并改进实验方案，动手开展实验，应用软件分析实验结果并得出结论等环节，提升了创新能力、信息加工能力 等，使得教学效果显著提升。

[5] 结语

基金资助

广东省中山市2024年教育科研课题“高中生物学教学中运用SNP模式培养学生科学思维的实践研究”(B2024023)

广东省2025年教育科学规划课题“高中生物学跨学科主题化项目式学习设计与实施研究”(2025YQJK0581)