蒸腾作用实验的研究型学习案例研究.doc

8蒸腾作用实验的研究性学习案例研究内容摘要：在新课程理念的倡导下，研究性学习越来越受到教育界的关注，为了提高学生科学探究的能力和学习生物的兴趣，本课题以植物蒸腾作用实验为案例研究对象，首次利用相对压强传感器、数据采集器和计算机，探究环境因素空气运动（改变风速）对植物蒸腾作用的影响及其新教育技术装备的引进给中学生物实验带来的变化作一简单论述，以实现科学技术与传统实验教学的有效整合，旨在为中学生物教育教学提供重要的理论依据和可行的实践典范，期待新设备能够在中学教学中被推广。关键词：蒸腾作用；实验；研究性学习我国新一轮课程改革把研究性学习以必修课的形式列入了国家基础教育课程计划之中，可以说研究性学习已经进入中学教学，研究性学习是培养创新型人才的一种有效途径。那么，什么是研究性学习？研究性学习是以学生为学习的主体，以“培养学生发现问题、提出问题、从而解决问题的能力”为目标1。这种在教师指导下，以学生自主研究为主要学习方式的课程教育，与高中生物新课标的思想相契合，注重学生对问题的主动探究和积极体验，增强学生严谨求实的科学态度，旨在实现人的内在提升与主动解放。由于实施了生物教学改革，一些现代化教学设施不断地进入课堂，为课堂教学的研究性学习提供了可行的条件，教师应该借此机会大胆地将现代化教学设备运用于课堂，教师可以通过提供一部分现成的知识内容，让学生参与研究活动当中。以蒸腾作用实验作为研究性学习案例进行研究，该课题直接来源于高中生物教材，而研究的内容又高于教材，目的在于引导学生通过探究实验去解决与蒸腾作用相关的问题，且让学生学会使用新设备相对压强传感器测定有关压强变化的过程。1案例背景植物的蒸腾作用过程如下：土壤中的水分根毛根内导管茎内导管叶内导管叶肉细胞气孔大气。气孔是气体进出叶片的门户，大部分位于叶表面的下方，90%-95%的水份最后是通过气孔失掉的。由于大部分的水份由根部吸收，经蒸腾作用释放，而蒸腾作用产生的蒸腾拉力是水分运输的主要动力，那么如何说明蒸腾拉力的存在？可通过相对压强传感器测量蒸腾作用过程中植物水分散发时的速率，验证植物存在着蒸腾拉力。那么影响植物的蒸腾作用的因素有哪些？研究发现，环境因素和植物自身形态学特征会影响植物的蒸腾作用速率，影响蒸腾作用的环境因素包括：大气湿度、空气运动(风)、空气温度、光照条件、土壤情况等。2设立研究课题探究空气运动（改变风速）对植物蒸腾作用的影响2.1研究目的和意义高中生物教材中，讲述了蒸腾作用的内容，而对影响蒸腾作用的因素并没有详细的谈及，为了开阔学生的视野，培养学生的生物学兴趣，引发学生思考的积极性，对教材中“蒸腾作用”实验内容进行改进，设计了“探究影响植物蒸腾作用因素”的实验。本实验利用相对压强传感器、数据采集器和计算机，测定得到的实验数据使得学生对影响植物蒸腾作用因素的理解更加的具体化、直观化和实物化，并希望通过此次学习鼓励学生利用新设备去探究可能对植物蒸腾作用有影响的其他环境因素，以利于学生较全面认识环境因素与植物蒸腾作用之间的联系，同时，“有助于学生更有效地体验到如何去获取知识，如何将自己的各项技能和各种能力得到最大限度的发展和提高”3，这一变化使学生更能适应当今知识经济时代人才需求的新要求。2.2提出问题问题：若将电风扇对着植物的叶片吹，蒸腾速率将会发生什么变化？预测：电风扇造成的空气运动导致植物的气孔关闭，因而蒸腾速率降低。3确定研究方案3.1实验原理本实验设计利用相对压强传感器探究环境因素空气运动（改变风速）对植物的蒸腾速率的影响。植物叶片蒸腾作用导致在叶脉组织内的负压，负压引起的蒸腾拉力是使水从植物根组织运送到叶片的重要动力。在实验中，利用相对压强传感器测定一小片植物的蒸腾作用速率，植物茎末端的压强变化将被记录为该种植物的蒸腾作用速率。另外，此系统将通过增加风速（用电风扇）来测量空气运动对蒸腾速率影响的效果。3.2研究方法 观察、实验法和分析综合法相结合。3.3教学目标知识目标：（1）学会使用相对压强传感器，测定空气运动（改变风速）对植物 “蒸腾拉力”产生的压力的变化。（2）通过实验过程的观察与结果的综合分析，分析空气运动是如何影响植物的蒸腾作用，学会设计探究实验探究其他环境因素的改变产生的影响，加深对植物蒸腾作用的功能以及它对地球上生命的重要作用的认识。 能力目标：（1）通过实验过程的操作，提高动手操作能力；（2）通过实验成果的延伸，初步掌握探究实验的方法，加强实验创新的能力。 情感态度与价值观目标：（1）通过个人的努力实践取得成果感受成功的成就感和喜悦感；(2）通过小组内的分工协作和小组间的互相配合，增强沟通、协作与责任意识；(3)通过严密的理论推理和实验验证，树立实事求是的科学态度；(4)通过教学活动的改进，提高对生物探究实验的兴趣。3.4实验方案在其他环境条件不变的情况下，利用电风扇控制空气运动（风）对植物蒸腾速率的影响。第1组：打开Datastudio装置，测定无风的条件下植物的蒸腾速率。第2组：打开Datastudio装置，测定有风的条件下植物的蒸腾速率。3.5实验可行性分析3.5.1内容分析（1）相对压强传感器在限定的压强范围内有良好的精度和分辨率，能够在短时间内快速检测样品。并且本实验所涉及的大部分实验材料都可在实验室获得，这提高了实验的便捷性。（2）本实验难度适中，所需时间在1课时范围之内，在实验教学中借助相对压强传感器，操作简单，传输速度快，处理实验数据和分析简捷高速，节约时间，教师能够在有限的时间内引导学生去发现问题和分析实验结果，整个教学活动体现了新课程的理念，符合中学实验的教学要求。3.5.2学情分析（1）由于高中学生对知识的探索欲望较强，而本实验一改以往的教学模式，将科技引进中学生物学实验，让学生体验科技与生物实验的结合。而学生初次接触传感器，较新鲜，无形中提高了学生对生物学习的兴趣。（2）学生在教材中已经学习了“蒸腾作用”相关的知识点，在此知识背景下，给予学生用理论指导实践 ,又用实践检验理论的机会。4实验过程的准备4.1学生准备在实验开始前要求学生认真阅读蒸腾作用实验手册中的相关内容，一是弄清实验的目的和原理；二是弄清实验的步骤，正确理解每一句话的含义，搞清步骤的先后次序，不能颠倒，必要时还应当明白每一步骤的原理；三是掌握实验过程需要用到的实验器材的使用；四是了解实验室规则。同时，完成实验手册中相关的概念性问题以及尝试回答或预测实验手册中提出的探究性问题。4.2教师准备在理论课堂上，教师有意识的引导学生加深对蒸腾作用过程的认识，要求学生完成本次探究实验的实验手册，并提前准备好实验用品，如下：带USB接口的计算机、USB接口或数据采集器、相对压强传感器(PS-2114)、DataStudio软件 、小三脚架和杆、电风扇、剃刀片或剪刀、滴管、试管夹、三指夹、凡士林、植物树枝、水、甘油等。4.3课堂组织建议每四人为一小组，每组使用一份学生实验手册，每一位学生有一份实验问答，学生之间分工合作，保证具体任务落实到每个学生上。第一个学生要对实验手册非常熟悉，以确保小组能按实验手册上的过程进行实验；第二个学生完成实验手册里的实验问答；第三个学生负责建立和控制实验；第四个学生控制计算机。5实验方法、结果与分析5.1实验方法和结果（1）使用相对压强传感器附件，将一滴甘油滴到快速释放连接器的倒钩上，将倒钩插入塑料管的尾部。（2）用刀切植物树枝的茎2-3cm，立即将切口底部浸入瓶子里的水里。（3）将茎尾部的新鲜切口削至45度角，将切口底部浸没。（4）用一圈厚的油，大概1cm宽涂到离切口尾部5cm的红花继木的茎上，确信没有油碰到切口尾部。然后，将橡皮管弯至U形，用一个吸管或者是滴管向橡皮管里装上水。（5）将橡皮管放在一盆水的上部，缓慢上升带有快速释放连接器的橡皮管底部的那一端，直到有2或3cm空气空间在连接器以下。（6）用拇指顶住橡皮管的底端，将其放入水盆里，移去拇指，首先将植物切口端插进去(避免在橡皮管里有气泡)。（7）将凡士林油涂到橡皮管底部，使其在橡皮管边缘与植物茎之间形成一个密封条件。（8）用夹子以及支撑杆等将树苗固定在一个垂直位置。（9）用三指夹将相对压强传感器固定到支撑架上。压强端口将在茎切口底部以上，这将保护传感器不进水。（10）等大概10-15分钟，以使采集的植物从移动的震荡中稳定下来。（11）将传感器压强端口的连接器与橡皮管上的快速释连接器连接。将连接器拉到端口上，然后转动大概1/8圈直到听到响声。确信没有水进入相对压强传感器。在水面和传感器端口间应该有一个2-3厘米的气穴。（12）打开DataStudio装置，按下列要求测定数据。实验1：测定无风的条件下植物的蒸腾速率。记录数据采集将在300秒以后结束，如果压强降至0.0kpa，点击“停止”按钮，停止数据采集。本课题中笔者选用红花继木的树枝作为实验1和实验2材料，如下表所示表1：无风的条件下红花继木的蒸腾速率变化压强（kpa）时间（s）压强变化（kpa）时间变化（s）蒸腾速率（kpa/s）0.800.9239.70.003750.1239.7结果：无风的条件下，测得橡皮管内的压强变化是0.00375 kpa/s，红花继木蒸腾速率的大小是0.00375 kpa/s，负值表示水分通过红花继木的蒸腾作用散失掉，在相对压力传感器的管子中形成负压，同时验证了蒸腾拉力的存在。实验2：测定有风的条件下植物的蒸腾速率。将电风扇放至离树苗最少1米的位置。将电风扇以很低的风速打开，所以将有一股轻微的风吹过树苗。从相对压强传感器端口上的快速释放连接器释放，然后再重新将连接器连接到压强端口上，再次打开DataStudio的开始按钮，600秒后数据采集将结束，如表2所示。如果压强降至0.0kpa，点击“停止”按钮停止数据运行。表2：有风的条件下红花继木的蒸腾速率变化压强（kpa）时间（s）压强变化（kpa）时间变化（s）蒸腾速率（kpa/s）1.101.25400.00220.1540结果：通过电风扇改变风速来模拟空气运动，此时测得的红花继木的蒸腾速率的大小是0.0022 kpa/s，相对无风的条件，植物的蒸腾速率变化小，因为增加空气运动，植物的气孔关闭，因而减少了植物的蒸腾速率；有风和无风的条件下同种植物的起始压强不同，有风的为0.8kpa，无风的为1.1kpa，因为刚开始增加的微风是有利于植物的蒸腾作用，随着时间的延长，叶表的气孔关闭，蒸腾拉力产生的负压减小，最终两种条件下测得的压强都降低为0.1kpa，只是后者压强降低所需的时间较长。5.2分析在实验室的环境下，虽然人为的控制空气流动，但是不能完全排除在无电风扇的情况下，仍然存在着空气流动；不同天气的实验，会由于空气温度、光照等环境因素以及选择的植物的健康性和年龄而得到不同的实验数据。值得强调的是，空气湿度以及选择的叶片年纪不影响水分在植物体内的运动，这是学生容易产生误解的地方，在教学过程中要注意讲解。通过测定空气运动对植物的蒸腾作用的影响，学生可以模仿本实验自主设计实验来探究其他环境因素对植物蒸腾作用的影响，例如：温度、湿度、光照等，增强了学生学习生物的兴趣，培养学生的自学能力和创造力。5.3实验注意事项为了将实验误差降到最低，在实验操作中要注意：在实验过程中要求光照、温度、湿度等实验条件尽可能一致；刚采集的植物树枝的切口会由于暴露在空气中，而使小部分的空气进入植物的脉管组织，影响水分的向上运输；植物叶片的多少也会影响测定的数据，因为叶片是植物蒸腾作用发生的主要场所，所以减少植物的叶片将会减少蒸腾面积，从而减小蒸腾速率；相对压力传感器的橡皮管中有小气泡容易被忽视，要求橡皮管和植物茎之间形成一个密闭的环境，避免有少许的水分进入相对压力传感器等。6结论（1）实验探究是学生学习生物过程中的一个薄弱环节，从研究性学习的实践及取得的成果来看 ,在课堂教学过程中并不是不能开展研究性学习。只要通过科学的教学设计 ,在课堂教学过程中运用研究性学习方式是可行的，而且达到了基础知识的传授和创造性思维能力、创新精神培养同步实现的理想目标。但是，如何更好地将研究性学习渗透到日常教学中，这需要广大教师不断地进行研究，而只有在切实做的过程中，才能获得直接的经验。（2）本实验课题具有社会价值，内容来于课本但又有扩展，具备一定的挑战性。上述实验结果证明，在老师的指导下，通过研究性学习，学生加深了植物蒸腾作用过程和环境之间关系的认识与理解，懂得通过实验数据的变化来分析环境因素的变化对植物产生的影响。通过实验方案的实施,不但可以提高学习者学习兴趣，而且对改变学习者传统的学习方式和方法具有明显的作用，能显著提高学习者的认知水平和科学思维能力，以及知识迁移能力、知识运用能力等，明显的提高了学习效率，实现了学科知识教学目标和素质教育目标的统一，同时，还“有利于激发学生良好的学习动机和兴趣，利于培养学生的协作精神、环保意识和社会责任感”4。（3）学生首次接触相对压强传感器的设备，在实验的操作技术上可能会存在着一些问题，在时间允许的情况下，此类小问题是可以在学生多次实验之后避免的，因而学生能够得到准确的实验结果：在蒸腾过程中，橡皮管内的液体在没有根的作用下，仅仅依靠蒸腾作将水分吸入枝叶内，证明这种力量来自叶片蒸腾作用产生的拉力 蒸腾拉力；增加空气运动使得植物的气孔关闭，因而减少了植物的蒸腾作用。（4）利用相对压力传感器代替传统的实验仪器，极大的促进了实验教学的发展，解决教师开展探究式实验遇到的仪器不够精密准确，不够灵敏快速等缺点，提高了课堂的效率，为学生在探究性实验提供支持和帮助4。这一教学的改变体现教学过程和现代信息技术的相整合，提高了学生实施探究性实验的可能性，让中学生物实验范围更广泛，更贴近科技，期待这一新科学技术能广泛地应用于中学生物教学，促使由传感器和科学技术相结合的数字化实验应用于中学生物验室教学。参考文献：1王建军.如何在生物教学中开展研究性学习J.当代教育论坛,2005(8):108-1092王卿璜.在“蒸腾作用”一课中引导探究性学习的教学J.福建教育学院学报,2003(12): 76-783胡晓宾.高中生物研究性学习的教学实施案例分析J.科学教育家,2008(6):2384 吴顺迪，吴贤平.浅谈传感器技术给中学实验带来的变化J.技术应用，2010(3):51-56.Study on the Transpiration Experimental Research Study CaseMajor: Physical Education Student Number: 200711000155 Name: Zheng Xiaoyan Supervisor: Yang Hua Wei YanyanAbstract: In the advocacy of new curriculum idea, the educational circles pay more attention to research learning, in order to improve the scientific inquiry ability of students and the interested of learning biology. This case take the transpiration experiment of plants as the object of study, use the simple and rapid detection function of relative pressure sens