优秀STEAM案例 | 定量测定植物的蒸腾作用

本课以“定量测定植物的蒸腾作用”为项目主题，结合STEM理念，指导学生利用分析天平等常见器材设计并完成实验，且使用该装置研究风力等环境因素对植物蒸腾速率的影响。

研究背景人教版《生物学(七年级上册)》第3章的《绿色植物与生物圈的水循环》一节讲到了蒸腾作用及其原理。植物的蒸腾作用客观存，但是肉眼无法直接观察到。应用高中生物实验室中已有的设备，融合学生在科学、技术、工程、数学方面的基础知识，实现定量测定植物的蒸腾作用，不但能帮助学生灵活应用已有知识和能力解决具体问题，实现深度学习，还有助于使其将各个学科的能力有效整合在实验过程中。项目涉及STEM教学理念的内容明细见表1。实践过程1.情境导入 任务驱动
展示以往蒸腾作用的定性实验，让学生观察实验现象，提出挑战性任务：如何利用实验室现有设备设计出简单的装置定量测量出植物的蒸腾速率？
实验室准备分析天平、普通天平、保鲜膜、火柴、桑树枝条(带叶)、20mL量筒、铁架台等实验用品。

2.分析原理 制订方案
(1)设置驱动型问题
①蒸腾作用会给植物带来什么变化？
②你打算用什么工具检测出这种变化？
③如何根据你的设想设计出合理的实验方案？
④如何操作？怎样收集数据并制作模型？
⑤结果如何分析？
(2)原理渐清 方案成形
蒸腾作用是指水分通过气孔以水蒸气的形式散失到大气中。对盆栽植株来说，植物通过叶片的蒸腾作用失水，通过根从盆土中吸水，失水与吸水的差值可使得植株质量增加、减少或保持不变，但盆和土的总质量一定是减轻的。学生讨论后能够得出：通过称量植物质量的变化来测量蒸腾速率。实验室中可以选用的称量设备有普通天平、分析天平。学生一开始都打算选用天平，但是不同组别的学生选用的天平种类不同。通过预实验，学生很快发现普通天平称量不出短时间内的植物水分变化。而分析天平可以精确测量到0.1mg，能够称量出被测物体质量细微的变化。但如何使用分析天平更好地展示实验结果成为一个很大的问题；用完整植物还是带叶片的枝条也是一个问题。
为此，学生围着分析天平、实验材料不停地尝试、提出修改方案，不断尝试、不断自我否定中，一个较为成熟的方案渐渐成形。

3.制作装置 实施实验
(1)实验装置的制作
取20 mL量筒，装上12 mL左右的清水置于分析天平托盘中央。将天平量筒上盖打开后，用保鲜膜蒙住上口，用火柴在量筒正上方的保鲜膜上烧一个小洞。取一根桑树枝条，去掉多余叶片，将下部枝叶伤口处用保鲜膜紧紧缠住。将枝条通过保鲜膜上的洞插入量筒中，上部用两侧的铁架台固定好，注意枝条下端不要碰到量筒壁(见图1)。(2)实验实施 多次测量
设置对照组：记录天平的初始数据，以后每隔1分钟进行一次数据记录，填入记录表。实验组的测量：对照组测量完成后，插入准备好的桑树枝条，记录初始数据，以后每隔1分钟进行一次测量，填入记录表(见表2)。

4.数据收集 构建模型
采集数据后，利用Excel生成数学模型。

5.实验结论
分析对照组数据可发现，10分钟内量筒内的水分蒸发只有0.0003 g，占初始质量的十万分之一，可以忽略不计。实验组因为蒸腾作用，植物的水分以平均每分钟0.00159g的量在减少，两组每分钟水分减少(实验组是蒸腾、对照组是蒸发)的曲线见图2。
从天平读数和曲线图上，都可以明显看出因为植物蒸腾作用而造成的水分减少。因此，完全可以利用分析天平定量测定植物的蒸腾速率，结果与预期相同。
（本文来源：STEAM教师）