探究金鱼缸中水生植物制氧能力.doc

探索金鱼缸中水生植物的制氧能力一 教学设计一 ）确定活动主题家居设置金鱼缸已经是一种普遍的装饰，金鱼缸通常要配置增氧泵而要消耗电能，与当今社会的节能减排主题不相符，能否由水生植物制氧来替代增氧泵增氧，这就需要选择制氧能力较强的水生植物。刚好七年级学生在这学期的生物学上册学习了有关于光合作用的内容，了解到光合作用的实质，对光合作用的神奇功能倍感兴趣，可以做一个光合作用理论服务于金鱼缸水生植物设计的专题探究。光合作用有两大产物：氧气和有机物，其中的氧气，学生虽不能感觉到它的存在，却又知道自己呼吸离不开氧气，水中生活的动物也是离不开氧气。于是，我指导学生探究金鱼缸中水生植物的制氧能力，分析人们在设计金鱼缸时候采用水生植物代替增氧泵的可行性。 二 ）活动目的1指导学生探究金鱼缸中水生植物的制氧能力，加深对光合作用实质的认识，认同光合作用能产生氧气的理论。2在测定水草制氧能力实验的基础上，引导学生进一步拓展，测定金鱼的耗氧量和金鱼缸水面的溶解氧气速度，并尝试对相关数据进行处理，为人们设计金鱼缸时提供数据参考。3引导学生通过资料调查、探究实验和数据分析，加深对节能措施认识，增强节能意识。三 ）活动过程1引出活动主题1）调查当地居民的金鱼缸数量和增氧泵的配置比例，引出节能减排的措施的探究。2）分析光合作用的实质，思考对于光合作用的利用方向：探讨对于光合作用产生的氧气利用方向，确定研究为水生观赏水生动物提供氧气的研究主题。2对活动小组成员进行分工，指导小组成员把以下工作按照小组成员的特长和爱好进行分工，包括资料收集和数据调查，实验材料收集和实验器材准备，实验测定、数据记录和活动照片收集，还有协调小组探究活动安排和探究总结撰写、排版等，同时选定一名探究工作负责人。3调查和收集资料1）调查当地居民的金鱼缸拥有比例，增氧泵配置比例和开机时间比例，调查并收集当地花鸟虫市场常见的水生植物。2）查找空气组成成分，各种组成成分的溶解情况3）查找测定植物制氧能力的测定方法和金鱼耗氧量的测定方法4开展测定实验，记录实验结果和收集活动图片资料1)制作水生植物制氧量测定装置，开展多种水生植物制氧能力对照实验，记录实验数据。2）进行金鱼耗氧量的测定和单位水面氧气溶解速度的测定，分析水草代替增氧泵可行性分析水草替代耗能的增氧泵增氧的必须条件。5对数据相关进行处理和分析，探讨使用水生植物代替增氧泵的可行性和现实意义。四） 交流活动感受和收获，写出活动总结：收集活动的各种资料，包括活动设计和过程的记录文字、调查和实验数据，实验过程图片等，在小组内进行主题探究的讨论，发表个人的活动感受，总结出栽培水生植物代替增氧泵的可行性，写出活动报告，并形成电子文档。二、学生学习活动案例利用水草替代增氧泵制氧的可行性探究初一15班 聂雅媛、林颖欣、黄沛瑜、李翠欣一）探究缘由现在大多人家里都会养上一两条金鱼，并且很可能为金鱼缸配上一台增氧泵，但你有没有想过，是不是养金鱼就一定要用增氧泵呢，增氧泵的耗电量会是多少呢？对此我们进行了一个简单的调查。一个关于家居金鱼缸系列情况的调查1 制定调查计划，设计好调查问卷并印制180份。表一 金鱼缸情况调查问卷关于家庭的金鱼缸系列情况调查问卷调查时间：2007年12月20日调查人：初一15班 林颖欣、聂雅媛、黄沛瑜、李翠欣首先谢谢同学你能够支持这个关于节能减排的调查问卷，请真实完成问卷： 1. 你家里有没有金鱼缸或者相类似的水生动物饲养装置？（ ） A、是 B、否2. 你家的金鱼缸或相类似的饲养装置是否配置增氧泵？（ ） A、是 B、否3. 如果你家有增氧泵，每天的使用时间是 小时？4. 你家的金鱼缸饲养了 条金鱼，每条平均体重大约是 克。问卷结束，你的支持，将会是我们进步的阶梯 _2借助老师，在我校3个班的180学生中开展问卷调查。对回收的180份问卷进行统计分析，调查数据如下：1.你家里有没有金鱼缸或者相类似的水生动物饲养装置？有56个学生家庭有金鱼缸，配置比例为31。2. 你家的金鱼缸或相类似的饲养装置是否配置增氧泵？有49个学生家庭金鱼缸配置有增氧泵，配置比例占有金鱼缸家庭的87.5。3. 如果你家有增氧泵，每天的使用时间是 小时？在有增氧泵的学生家庭中统计得知：增氧泵的平均开机时间是2.68小时。4. 你家的金鱼缸饲养了 条金鱼，每条平均体重大约是 克。统计得出:学生家庭平均饲养6.73条金鱼 每条平均体重24.86克。结合我校学生家庭金鱼缸系列情况调查问卷分析的比例，再加上网上搜索得知中国大约有4个家庭（住宅），估算全国会配置4亿3087.51.05亿台增氧泵，每个增氧泵的功率约为0.01千瓦，按每天使用2.68小时来算，每年耗电约：1.05亿0.01千瓦2.68小时365天10.27亿千瓦时（度）。经调查估算，推断全国一年花在金鱼缸增氧泵中的电量就约有10亿度，更不要说是全世界了，这是一个多么惊人的数目。如果你关心地球的温室效应，就有可能想过利某些技术来减少耗费在金鱼缸上的宝贵能源，进而减少温室气体的排放。刚好我们在七年级生物学学习了光合作用，知道光合作用可以产生氧气。我们就想，栽培一种水生植物来为金鱼缸增氧，代替了增氧泵，是否具有可行性呢？这就是我们这次研究的主题。就让我们一起走上生物奥秘探索之路吧！二）活动目的1通过活动，加深对光合作用的认识和对光合作用能产生氧的认同。2了解多种水生植物的制氧量多少。3学会对一些应用技术的可行性进行简单的分析论证。4通过活动，唤起人类的环保意识，减少使用增氧泵，做到节能减排。三）活动过程1规划安排安排活动各项工作进程，进行小组成员活动工作分工：1） 规划整个活动的各项工作：在老师的指导下，我们知道了，要分析论证利用水生植物替代增氧泵的可行性，必需做好以下几方面的工作：a了解金鱼缸中氧气的来源和消耗：来源为水生植物光合作用产生的氧气和空气中的氧气溶解到水中；消耗主要是供给水生鱼类呼吸。（前提是要定时给金鱼缸换水，清除水中的腐殖质，以免氧气消耗在分解这些腐殖质。另外，水生植物夜晚呼吸消耗的氧气不多，在有灯光的晚上制造的氧气已足够了。）b测定单位重量水中植物的制氧速度和单位面积水面的氧气溶解速度。c测定单位重量鱼类的耗氧速度。d对所测定的数据进行数理分析，看看理论上在栽培了一定量水生植物后能否满足一定数量鱼类的氧气需求。e在网络查找系列与活动相关的资料，收集各个活动过程的文字资料、图片资料和数据资料。f书面总结出活动总结，归纳出活动结论。2）进行活动小组内部分工：我们小组内部商量后,决定进行以下分工安排：一小组负责b、c项工作，交由林颖欣和李翠欣完成，二小组负责a、e和f项工作，交由黄沛瑜和聂雅媛完成，整个活动的协调工作由聂雅媛负责，以便调动整个小组的力量解决某些两个负责成员难以独立克服的困难，同时负责制定各项工作完成的时间表。表二 探究小组工作规划时间表日期第一小组工作安排第二小组工作安排1224之前查找测定制氧速度的方法、测定金鱼耗氧量方法和测定氧气溶解速度方法，准备相关测定器材和试验品制定探究的目标要求，查找系列与活动相关的资料，了解金鱼缸中氧气的来源和消耗形式，学习简单的数据处理方法1224测定五种植物的制氧速度并记录拍摄相关照片，叙述项测定工作1225重复测定植物的制氧速度并记录处理计算相关数据1226分两组测金鱼的耗氧速度，记录相关容积变化拍摄相关照片，叙述项测定工作，处理相关数据1227测定凉开水的溶解氧气速度并记录相关容积变化列表计算处理相关实验数据1228分析相关测定数据，论证水生植物代替增氧泵可行性，撰写相关总结1229协助撰写总结继续撰写相关总结2制定这次探究的目标要求： 1)利用试验，加深了解光合作用的理论。 2)通过试验，切身了解水生植物的制氧能力。 3)从试验中，希望能得出可以令人折服的数据，是人类更进一步地认识水生植物的制氧能力，代替增氧泵，继而减少排放二氧化碳，减少温室效应。3一小组组织开展各项测定工作，同时二小组及时配合查找、收集相关资料1）测定单位重量各种水生植物的制氧速度：a制定测定计划：参考人教版生物学七年级上册第127页光第五章绿色植物与生物圈中的碳氧平衡中的光合作用还产生氧气专题的实验装置（如照片所示），进行排水法收集植物光合作用所所产生的氧。图1 2 测定五种植物的制氧速度具体做法：在天台从早上9：00到下午2：00测定方法,在透明的烧杯内放置一定重量供检测的水生植物，倒转漏斗罩住水生植物和在漏斗颈套装上充满水的试管，共测定五种植物。（图3、4、5、6、7、8）左图3是水罗，右图4是苹果藻左上图5是金旦，右上图6是黑藻左图7是小宝塔，右图8是氧气收集装置光照一段时间后，装置会排水收集到所产生的气体（如图9、9，主要成分是氧气）左图9气泡，右图10是收集到的气体b制作测定装置和收集测定材料如（上图）： c开展测定五种水生植物的制氧能力并记录测定结果：在实验终结时刻，用油性笔在水面下降处作出标记（如下图），然后倒转试管，装水到所标记的高度，用量桶测定水体积，得出该植物所产生氧气的体积。 图11五种植物集气量标记处对照表三 五种水生植物制氧能力测定结果（测定时间2007年12月26日，早上9：00到下午2：00）种类重量（克）制氧量 （毫升）制氧时间(小时)单位重量，单位时间产生氧气速度（毫升/克.小时）黑藻326450.0400苹果藻8250.0500红玫瑰252350.0184绿玫瑰182450.0267小宝塔204450.04402）测定金鱼耗氧量a制定测定计划并准备相关测定工具和材料：b测定过程：如图12所示，在一个带单孔胶塞密封的瓶子里，仅仅留有一条玻璃导管，连通于一个装有红墨水的溶液的烧杯，让红墨水水柱封堵导管开口。图12测定装置用油性笔标记用以封堵导管开口的红墨水水柱的初此水位。随后金鱼呼吸会消耗水中氧气而导致密封瓶子内氧气溶解到水中，于是密封的瓶子气压下降，引起封堵连接瓶子玻璃导管开口的水柱上升。标记测定结束时封堵导管开口水柱的终止水位，通过测量圆柱型水柱上升高度，计算总共上升水柱的体积，来测定被金鱼呼吸所消耗的氧气的体积，并做多一组重复实验（如图13）。左图13重复测定 图14水柱上升 图15标记水柱c开展测定并记录测定，标记测量并记录结果（如上图14、15）：表四 两组金鱼耗氧量测定结果（环境水温19度，测定时间1小时，导管直径是指水柱所在玻璃导管的直径）组别金鱼数量金鱼总重量导管直径水柱上升的高度1211克0.6 cm2.1 cm228克0.5 cm2 cm3)简单测定单位水面内氧气的溶解速度：a设计测定方法：这个装置的原理是：同样在一个用单孔胶塞封堵的集气瓶内，利用沸腾过的凉开水能够吸收溶解空气中的氧气和氮气，标记测定开始时候用以封堵导管开口的红墨水水柱高度，一直让气体溶解到饱和，标记出溶解测定溶解结束时候，封堵导管开口的红墨水水柱的最终水位，测量水位上升高度，计算出总共上升的水的体积，推算出瓶子内总共溶解了多少气体，然后按比例算出此时溶解了多少的氧气，计算单位时间内溶解了多少氧气，然后推算出一个普通的金鱼缸单位时间内可以溶解到多少氧气供金鱼呼吸。 b准备测定装置（见下页图16、17）： 图16溶解速度测定装置 图17水柱上升c开展测定并记录测定结果：表五 不同时段水柱上升高度记录（玻璃导管的直径为0.6cm, 装置内部直径是6.5cm,装水170毫升,空气170毫升）时间(分钟)581012182030456065水柱上升 高度 (cm)22.52.93.23.63.84.24.75.15.2四）数据分析论证和探究总结1分析实验数据1）分析表三五种水生植物制氧能力测定结果的数据苹果藻的制氧能力是最强的，达到0.05毫升/克.小时2)分析表四 两组金鱼在白天和黑夜时分耗氧量测定结果的数据第一组耗氧量：3.140.322.10.5935毫升，第二组耗氧量：3.140.25220.3925毫升，19克重金鱼1小时的总耗氧量是0.986毫升，单位重量鱼的耗氧速度： 0.985/19=0.05189毫升/克.小时3)分析表五不同时段水柱上升高度记录的数据观察表格数据可见到，60分钟以后水柱上升接近停止。可见集气瓶内的水吸气已经接近饱和。此时被吸收的气体体积：3.140.325.1=1.442毫升。查阅人教版九年义务教育四年制初级中学试用课本化学（第二册）得知，此时溶解在凉开水中的气体主要是氧气和氮气，而且在 20 时，氧气的溶解度是 0.031 ；就是指在20，1体积水里最多能溶解0.031体积的氧气，氮气的溶解度是 0.015，氧和氮的溶解比例是：31：15。测定时候的水温是19 ，比较接近，依照两种气体在水中溶解度，可以按比例计算出两种气体分别溶解了多少体积。计算得出氧气所占的比例是31/46,体积约为0.9713毫升，单位水面的氧气溶解速度为：0.9713/3.143.252=0.02927毫升/cm2.小时。2.水草代替增氧泵可行性分析和总结下面我们以一个长0.8米,宽0.3米,深0.8米的普通家用金鱼缸为例子，取之前调查到的速据一个金鱼缸平均养6.73条平均体重24.86克的金鱼，进行水生植物替代增氧泵可行性分析：一天之内吸收到的氧气量为：0.02927毫升/cm2.小时80 cm30 cm168.64毫升；金鱼缸的耗氧主要用于金鱼呼吸，所养的金鱼一天之内24小时的耗氧量是：0.05189毫升/克.小时6.7324.86克24208.4毫升。两者相差39.76毫升，那么这个39.76毫升氧气需求的缺口需要增氧泵来填补。如用苹果藻替代填补，假设家居阳台每天能够照到阳光的时间为5小时，将要栽种苹果藻量为：39.76毫升0.05毫升/克.小时5小时=159克，159克的苹果藻，数量不算多，还不用栽种满这个金鱼缸的底部，完全可以实现的，其次，黑藻和小宝塔的制氧能力与苹果藻相近，适当增加栽种量也是可以满足金鱼对氧气的需求的，至于金旦和水罗，制氧能力就稍微差了点，如果一定要栽种，那么就适当减少金鱼的饲养量了。通过数据分析比较，在相当部分水生植物的制氧量高的植物的协助下，很明显可以满足家居那几条金鱼消耗量，证明水生植物代替增氧泵是具有可行性的。五）探究感悟我们的活动感受：聂雅媛：身为研究小组的一员，我感到非常光荣。通过这次试验，我对光合作用又有了新的理解，并且了解了水深植物的制氧量原来如此大等等。这些数据对我们日常生活实在太重要了，如果用水生植物来代替增氧泵，那会节省多少度电！减少排放多少二氧化碳！希望能通过我们的报告，令更多的人行动起来，减少排放二氧化碳，那会让这个世界变得多么美好！林颖欣：这次参加老师组织的“利用水草替代增氧泵制氧的可行性探究”活动，使我获得许多书本获不到的知识。通过实验，证实水生植物的神奇用途，要是把水生植物推