?探究種子萌發(fā)環(huán)境條件實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

葉培毅

摘? 要 通過(guò)改進(jìn)和完善探究種子萌發(fā)所需條件的實(shí)驗(yàn)裝置，并在泡沫保溫箱中設(shè)計(jì)出常溫和低溫兩個(gè)環(huán)境，使其具有便攜性和適用性等優(yōu)點(diǎn)，更能適應(yīng)課堂教學(xué)要求，達(dá)到較為理想的效果。

關(guān)鍵詞 種子萌發(fā);初中生物;實(shí)驗(yàn)教學(xué);實(shí)驗(yàn)裝置;半導(dǎo)體制冷片系統(tǒng)

1 前言

“探究種子萌發(fā)的環(huán)境條件”是初中生物教材中一個(gè)必做的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)，能更好地學(xué)習(xí)理論知識(shí)。良好的實(shí)驗(yàn)效果，不僅會(huì)加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解和掌握程度，也是對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)控制實(shí)驗(yàn)變量、掌握科學(xué)探究方法的一次實(shí)踐訓(xùn)練。

以人教版生物學(xué)教材為例，實(shí)驗(yàn)中共用到四個(gè)罐頭瓶（編號(hào)1～4號(hào)），通過(guò)設(shè)計(jì)三組對(duì)照實(shí)驗(yàn)來(lái)探究種子萌發(fā)所需的條件。在構(gòu)成的三組對(duì)照實(shí)驗(yàn)中，1號(hào)瓶中種子因缺乏水分不發(fā)芽;3號(hào)瓶放入冰箱中，因缺乏適宜的溫度，種子不發(fā)芽;4號(hào)瓶中的種子則因?yàn)橥耆菰谒?，水中缺氧，所以也不能發(fā)芽;只有作為對(duì)照組的2號(hào)瓶，種子在符合適宜的溫度、充足的空氣、一定的水分的條件下，能夠正常萌發(fā)。

這樣的實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)，容易受各種不確定因素的干擾，而且實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，器材煩瑣復(fù)雜，還需要冰箱等設(shè)備，確實(shí)很難在課堂內(nèi)進(jìn)行。課外學(xué)生更不可能花大量時(shí)間去進(jìn)行探究活動(dòng)，使實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)無(wú)法起到應(yīng)有的效果。因此，設(shè)計(jì)制作一種簡(jiǎn)便易攜、成功率高的一體式“探究種子萌發(fā)的環(huán)境條件”裝置供實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用，是很有必要的。

2 種子萌發(fā)的原理與裝置改進(jìn)思路

根據(jù)潘瑞熾等人的研究，種子萌發(fā)的過(guò)程主要經(jīng)歷三個(gè)階段[1]。

1）吸脹吸水階段。此階段是萌發(fā)的初始階段，其關(guān)鍵因素是水，溫度和氧氣的影響很小，種子通過(guò)吸水活化和激發(fā)萌發(fā)時(shí)的酶系統(tǒng)。

2）無(wú)氧呼吸階段。此階段種子利用激活的酶系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)氧呼吸釋放能量，用于細(xì)胞分裂和生長(zhǎng)，使胚根開始生長(zhǎng)。酶的作用在這一階段至關(guān)重要，而酶活性受溫度的影響，因此影響此階段的關(guān)鍵因素是溫度。

3）有氧呼吸階段。胚根生長(zhǎng)突破種皮后，氧氣供應(yīng)量增加，使有氧呼吸取代無(wú)氧呼吸，細(xì)胞快速分裂生長(zhǎng)。因此，溫度、水分、氧氣共同成為種子繼續(xù)萌發(fā)的關(guān)鍵因素。

三組對(duì)照實(shí)驗(yàn)研究的變量分別是溫度、空氣、水分。實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)要易于操作、效果明顯，并且可以讓學(xué)生清楚地觀察到種子萌發(fā)的全過(guò)程。

首先，可以利用泡沫保溫箱簡(jiǎn)單加工，隔成大小相等的兩個(gè)封閉空間，一側(cè)保持低溫（類似于冰箱），另一側(cè)保持適宜的溫度，用來(lái)研究溫度這一變量。

其次，課本中采用將種子浸沒(méi)在水中以達(dá)到隔絕空氣的目的，但水中溶解的少量氧仍可能使吸脹后的種子萌發(fā)，只是在缺氧的情況下，種子萌發(fā)需要時(shí)間更長(zhǎng)且發(fā)育情況不佳[2]。因此，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)對(duì)種子種類進(jìn)行優(yōu)選，如果對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)間要求不高時(shí)，可以選用體積較大、萌發(fā)時(shí)耗氧量多的蠶豆、蕓豆等的種子，4～5天后對(duì)比明顯。如果要在較短時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，可以在實(shí)驗(yàn)前將自來(lái)水煮沸一段時(shí)間以減少溶解的氧氣，以避免實(shí)驗(yàn)時(shí)浸沒(méi)水中的部分種子進(jìn)一步萌發(fā);然后選擇萌發(fā)率高的綠豆、小麥種子，適合條件下1～2天內(nèi)即可觀察到明顯的胚根結(jié)構(gòu)。

最后，作為對(duì)照組，種子要在適宜的環(huán)境條件下萌發(fā)，水量的把握要適宜，水分太少則過(guò)于干燥而不能發(fā)芽，水分過(guò)多則可能使種子漚爛發(fā)霉，降低實(shí)驗(yàn)的成功率。因此，要采用適當(dāng)?shù)霓k法，讓水分不多不少，既滿足種子萌發(fā)需要，又不致太多，導(dǎo)致萌發(fā)失敗[3]。

3 實(shí)驗(yàn)裝置的構(gòu)成

限制這一實(shí)驗(yàn)無(wú)法在課堂內(nèi)進(jìn)行的一個(gè)重要原因，是當(dāng)以溫度作為變量時(shí)，要將一個(gè)實(shí)驗(yàn)組放在冰箱內(nèi)才能作對(duì)照實(shí)驗(yàn)，因此要解決的就是便攜性低溫環(huán)境的構(gòu)建。利用現(xiàn)在被廣泛使用的半導(dǎo)體制冷片來(lái)實(shí)現(xiàn)小范圍制冷，在外接散熱良好的情況下，具有降溫迅速、制冷效率高、使用壽命長(zhǎng)、安全和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。利用半導(dǎo)體制冷片作為冷源，將其用導(dǎo)熱硅膠與鋁板、水冷頭相連，如圖1所示，構(gòu)成半導(dǎo)體制冷片系統(tǒng)，鋁板即成為制冷端放置于泡沫保溫箱內(nèi)一端，而水冷頭則外接水冷循環(huán)散熱裝置，即可達(dá)到移動(dòng)小冰箱的效果。

整套實(shí)驗(yàn)裝置的主體由半導(dǎo)體制冷片系統(tǒng)（包含水泵和散熱裝置）、溫控調(diào)節(jié)器、區(qū)隔為常溫和低溫兩區(qū)的泡沫保溫箱三部分組成，通過(guò)12 V低壓供電，形成循環(huán)水路，以達(dá)到散熱目的。組裝完成后，接入溫控器，利用溫控器進(jìn)行恒溫控制（0～4 ℃），如圖2所示。

選用兩個(gè)透光性好的塑料瓶，依泡沫箱高度剪去瓶口部分，使其能放置于箱內(nèi)。用鐵絲網(wǎng)（或花盆用的底孔塑料網(wǎng)格墊片）剪成瓶身直徑大小相同的圓片，圓片兩端各留下一個(gè)凸起的承托架，如圖3左側(cè)所示。在塑料瓶距瓶底一定高度分別剪出平行的兩個(gè)洞，均剪至瓶身直徑一半，厚度和兩個(gè)洞相對(duì)，便于分別從兩側(cè)插入圖3所示放置種子的塑料網(wǎng)格片或鐵絲網(wǎng)。在洞口同樣高度的另一側(cè)，再剪一個(gè)小孔以承托塑料片（或鐵絲網(wǎng)）的另一端。在中層剪出幾個(gè)透氣的小孔，實(shí)驗(yàn)時(shí)將塑料網(wǎng)格片插入兩個(gè)瓶子中，如圖3右側(cè)所示。在塑料網(wǎng)格上鋪上一層紗布或?yàn)V紙，紗布或?yàn)V紙可以包裹住網(wǎng)格邊緣便于吸水，然后加水，過(guò)多的水分會(huì)從網(wǎng)格片插入的洞中溢流出，使中層的網(wǎng)格在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持含有一定的水分。

4 實(shí)驗(yàn)裝置操作方法

1）在甲、乙兩瓶?jī)?nèi)及鋪有紗布或?yàn)V紙的塑料網(wǎng)格上放入相同數(shù)量的種子，分別置于泡沫保溫箱常溫室和低溫室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2）以甲瓶為例，下層的種子浸沒(méi)在水中無(wú)法接觸空氣，上層的種子則無(wú)法接觸到水，只有中層的種子既有充足的空氣，又有一定的水分，可以探究水分和空氣對(duì)種子萌發(fā)的影響。甲乙兩瓶的種子置于不同的溫度下，可以探究溫度對(duì)種子萌發(fā)的影響。

3）在低溫天氣或隔熱不佳時(shí)，可以在泡沫箱另一側(cè)的常溫區(qū)用PTC恒溫發(fā)熱片連接溫控器進(jìn)行恒溫設(shè)置，將溫度設(shè)置在適宜種子發(fā)芽的最適溫度，以增加實(shí)驗(yàn)成功率。

5 創(chuàng)新特點(diǎn)

1）適用性廣，便攜性強(qiáng)，能夠克服實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中場(chǎng)地和空間限制，在教室內(nèi)即可進(jìn)行，也方便學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察和探究整個(gè)過(guò)程。

2）操作簡(jiǎn)便，取材容易，安全性高，能滿足長(zhǎng)時(shí)間工作的要求。

3）從效果上看，能很好地達(dá)到設(shè)置對(duì)照、控制變量、減少誤差的探究實(shí)驗(yàn)原則，有利于學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)過(guò)程，拓展思路，培養(yǎng)實(shí)踐能力和觀察能力。

4）可以根據(jù)需要對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，進(jìn)行拓展實(shí)驗(yàn)，由學(xué)生按自己的思路對(duì)實(shí)驗(yàn)器材、方法、過(guò)程等進(jìn)行拓展和改進(jìn)，如增加光照、改變種子種類等，開展進(jìn)一步探究。

參考文獻(xiàn)

[1]潘瑞熾，王小菁，李娘輝.植物生理學(xué).北京：高等教育出版社，2012：238-241.

[2]姜麗，殷作民.改進(jìn)種子萌發(fā)條件實(shí)驗(yàn)裝置的探究[J].生物學(xué)教學(xué)，2010（3）：31-32.

[3]楊小會(huì)，殷從江，徐作英.對(duì)“種子的萌發(fā)”實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)[J].中學(xué)生物教學(xué)，2016（20）：56-57.