摘要本文以植物呼吸作用实验为例，介绍生物传感器在中学生物学实验教学中的应用。
关键词中学生物学实验；传感器；应用案例
在实验过程中使用传感器，能利用数字、图表等直观的数据精确反映出定量实验的结果，将以往的定性实验提高为定量实验，使传统实验中无法完成的实验得到很好的改进，具有非常独到的优点。但是，目前为止，有关传感器应用于中学生物实验教学中的实践并不多［1］。为此，笔者尝试将生物传感器运用在植物呼吸作用实验中，实验结果表明，使用传感器对本节实验教学有很好的辅助作用。苏教版七年级上册“植物的呼吸作用”一节安排了“植物呼吸作用产生CO2”和“植物呼吸作用消耗氧气”两个实验，均采用传统的实验方法，且为定性实验。在教学过程中，引入传感器测量，与传统实验相辅相成，可使实验结果更科学，更有说服力。此外，应用湿度传感器和温度传感器，检测植物呼吸作用引起的环境CO2浓度、湿度和温度的变化，引导学生分析植物呼吸作用过程中物质和能量的变化，将传统的定性实验上升为定量实验，能使学生深刻地理解和掌握知识，取得更佳的教学效果。
1植物呼吸作用产生CO2的检测
传统的实验方法是用澄清石灰水来检测CO2，通过观察澄清石灰水的浑浊程度来判断植物是否产生了CO2。但是，具体释放了多少CO2，无从得知。另外，实验过程中受到塑料袋的气密性和石灰水的质量等因素的限制，且CO2的含量要达到一定的量才能观察到实验现象，操作起来比较繁琐，使得实验的实施和实验效果有一定的局限性。采用CO2传感器能精确测定植物一段时间内进行呼吸作用产生CO2的量，还能反应植物呼吸作用的过程，实验操作更方便、结果更直接。1．1实验方法实验步骤如下:(1)处理实验材料选取两份20g菠菜，其中实验组为新鲜菠菜，对照组菠菜用开水烫过;分别装入500mL的锥形瓶，锥形瓶外包裹一层黑色塑料袋，放置3h。(2)连接装置将两个CO2传感器与数据采集器、计算机连接，然后将传感器的探头插入锥形瓶塞后分别伸入两个锥形瓶中。(3)数据采集打开实验系统软件TriEilab，进入数据采集页面，设置数据采集时间为1min，选择相应模板和曲线名称后，点击“开始实验”按钮，开始采集数据，这时界面上就会显示锥形瓶内CO2的含量值和变化曲线。1．2实验结果与分析数据采集结束后，可得到1min内CO2的含量变化数值(表1)和CO2含量随时间变化的曲线(图1)。从表1可以看出，黑暗处理3h后，实验组CO2含量明显高于对照组，说明植物呼吸作用产生了CO2。根据两者的差值可准确得出植物在一定时间内呼吸作用产生CO2的含量，这一点在曲线(图1)上也能直观地体现出来。同时，观察图1发现，实验组曲线倾斜向上，而对照组是一条水平的直线，说明实验组植物在测定时间内仍然在进行呼吸作用产生CO2。可见，通过CO2传感器，不仅能测定植物一段时间内产生的CO2的含量，还能记录植物呼吸作用的过程，与传统实验方法相比，这种实验方法更加精确和客观。
2植物呼吸作用产生水的检测
植物在有氧条件下进行的呼吸作用，不仅会产生CO2，还会产生水。为了说明这一点，通常是在课堂上引导学生观察装有新鲜植物材料的容器内壁上是否产生水珠，方法简单明了。但问题是，如果看不到水珠就肯定没有水产生吗?湿度传感器的使用就可以使问题迎刃而解。2．1实验方法实验步骤如下:(1)处理实验材料选取两份绿豆种子，各30g;一份萌发，另一份烤熟;分别装入500mL的锥形瓶，在室温下放置3h。(2)连接装置将两个湿度传感器与数据采集器、计算机连接，然后将传感器的探头插入锥形瓶塞后分别伸入两个锥形瓶中。(3)数据采集打开实验系统软件TriEilab，进入数据采集页面，设置数据采集时间为1min，选择相应模板和曲线名称后，点击“开始实验”按钮，开始采集数据，这时界面上就会显示锥形瓶内湿度值和湿度的变化曲线。2．2实验结果与分析在实验进行1min后，可得到两个锥形瓶内的湿度值(表2)和湿度随时间变化曲线(图2)，从表2可以看出，1min后实验组锥形瓶内的湿度为93．5%，而对照组锥形瓶内的湿度为50．0%，湿度可间接反应了产生水的含量，分析实验组和对照组湿度的差异，可得出植物呼吸作用产生了水。同样，观察图2中的曲线变化趋势，发现测定的1min内，实验组中植物的呼吸作用仍在继续，并有水生成(第60s的湿度比刚开始测定时的湿度高2．5%)，实验结果更准确直观，让学生有更直观、更深刻的认识，还能在短时间内(还未形成明显水珠时)检测到植物呼吸作用产生了水。
3植物呼吸作用
释放能量的检测在前两个实验进行的同时，可同步探究植物呼吸作用释放能量，即用温度传感器测定实验装置内的温度。测得的数据通过数据采集器上传到计算机，在分析CO2含量、湿度的同时，分析温度的变化，以说明植物呼吸作用是否释放了能量，测定的原理与传统实验中用温度计测定装有植物的保温瓶内的温度是一样的。由于该实验比较特殊，需要用到保温装置，且在测定过程中不能与外界环境发生温度传递，受到实验装置的限制，不宜分组实验，采用教师演示实验。3．1实验方法实验材料和方法步骤参考2．1所述，不同的是将锥形瓶换成保温瓶，将湿度传感器换成温度传感器。3．2实验结果与分析从温度传感器测得的数据(表3)可以看出，实验组测定结束时的温度是56．1℃，对照组测定结束时的温度是25．4℃(接近当时的室温)，在测定的1min内，实验组温度略有上升，对照组温度保持不变，比较可知，植物呼吸作用释放了能量，且测定时间内植物呼吸作用的过程仍在进行。由于传感器反应灵敏，能在短时间内迅速测得容器内的温度，且数据精确到小数点后一位，比温度计更快捷准确。另一方面，每个数据采集器上都有4个通道，可同时连接4个传感器，且实验系统软件中有多个复合模板可选，这就意味着实验过程中可同时测定两个或两个以上的生理指标。同时，分析不同指标的变化情况，节省实验时间，提高实验效率，还能确保实验结果的准确性，能取得更佳的教学效果。
主要参考文献
［1］王磊，沈雁吉．2014．氧气传感仪在高中生物学实验中的应用．生物学教学，39(2):50～51?
作者：蔡三娟 单位：江苏省南京市第九初级中学
