1、- 1 -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
2、 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 。
3、 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
4、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 -2 对 活 动 小 组 成 员 进 行 分 工 ，指 导 小 组 成 员 把 以 下 工 作 按
5、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
6、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
7、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
8、，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- 3 -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
9、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。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.
10、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 _- 4 -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：
11、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
12、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- 5 -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
13、 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
14、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- 6 -试验品 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
15、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- 7 -氧平衡中的光合作
16、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 是氧气收集装置左图 3 是水罗，右图 4 是苹果藻- 8 -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（
17、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。- 9 -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 32 64 5 0.0400苹果藻 8 2 5 0.0500红玫瑰 25 23 5 0.0184绿玫瑰 18 24 5 0.0267小宝塔
18、 20 44 5 0.04402）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。- 10 -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）。图 1
19、2 测定装置左图13重复测定- 11 -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1 2 11 克 0.6 cm 2.1 cm2 2 8 克 0.5 cm 2 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
20、，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）：- 12 -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）四）数据分析论证和探究总结1分析
21、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：3.140.3 22.10.5935 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时间(分钟) 5 8 10 12 18 20 30 45 60 65水柱上升
22、 高度 (cm) 2 2.5 2.9 3.2 3.6 3.8 4.2 4.7 5.1 5.2- 13 -气已经接近饱和。此时被吸收的气体体积：3.140.3 25.1=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
23、/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/cm 2.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/cm 2.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2
24、4 208.4 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。- 14 -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
25、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，要是把水生植物推荐到各家来制氧养鱼，那不就又能节约能
26、源，又能保护自然资源了吗？李翠欣：这次，我很荣幸被邀请参加这个活动。其 实我家里也有养金鱼，通 过试验让我了解到增氧泵的缺点，如果把它换上既漂亮又实用的水生植物，那能为我家省一定电费啊！还可以为环境保护作一份贡献呢！黄沛瑜：自从了解了温室效应和节能减排的理论知识后，自己也总希望为环境保护处一分力，在家中开展节能实践。每当我看到我家里的那台制氧机，心里 总感到不自然。但现在我终于找到解决的方法了，那就是水生植物。通过实验，我要劝说父母把家中的增氧机换为美丽的苹果藻，那一定能创造一个好的环境。六）教师点评- 15 -经过一段时间的努力，聂 雅 媛 等四位女同学总算是完成了探究金鱼缸水生植物制氧能力
27、的探究。作她们的指导老师，几 经接触了解，感觉到她们对于这个研究性学习十分感兴趣，好学上进。 虽然在探究过程中，她们遇到很多的困难，但是她们慢慢学会了首先在小组内部进行讨论解决，不行再通过网上查找答案，最后都不能解决的情况下，才来找老师求助。另外，几个同学学 习掌握相关技能和理论的速度比较块，对于一些还没有接触过的化学测定技能，也能理解并加以改进创新， 这点能够在初一的女同学身上做到，实在不容易。在指导她们开展活动的过程中，也发现她们对于节能减排这个话题有很大热情，同时也渴望通过自己的努力能为节能减排出一分力。所以，在开展相关测定的时候，总 是表现的一丝不苟，并且想出很多别具匠心的环保创意，例如：在家中栽培各种陆生和水生的植物，进行空气净化和污水处理。希望几位同学能够继续保持这种探究热情，不断进行系列的研究性学习，取得丰硕研究成果。
