蒸腾作用实验的研究型学习案例研究.doc

1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）0.80－0.9239.7－0.00375－0.1239.7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）1.10－1.2540－0.0022－0.1540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。