GRAF 1 Koncentracija kisika
Iz grafa je razvidno, da rastline ponoči kisik porabljajo, čez dan pa ga proizvajajo. Čez dan je koncentracija kisika višja, saj se povzpne iz približno 19,2 % na najvišjo izmerjeno vrednost, približno 20,3 %. S pomočjo luči, ki so bile v komori, smo ustvarili dnevno–nočni ritem rastline in tako z merilnikom za kisik izmerili koncentracijo le-tega. Čez noč je koncentracija kisika
18,8
15
nekako konstantna, okoli 19,2 % in se s pričetkom dneva, torej s prižigom luči v komori, postopoma viša ter začne upadati, ko nastopi noč oziroma se luč v komori ugasne. Približno med 10. in 20. uro se povišana koncentracija kisika vidno izrazi na samem grafu, medtem ko je med 35. in 45. uro povišanje koncentracije kisika manj opazno. Manj izrazit upad lahko povežemo s slabšo kondicijo rastline, ki je bila že 30 ur zaprta v komori, brez zalivanja ter svežega zraka in odvisna le od lastne produkcije CO2, ki pa je lahko omejujoč dejavnik pri fotosintezi. Svoj delež prispeva tudi uhajanje kisika iz komore, ki je relativno majhna molekula v primerjavi s CO2.
GRAF 2 Osvetljenost in ogljikov dioksid
Koncentracija ogljikovega dioksida je čez dan padala, medtem ko se je ponoči dvigovala, saj rastlina pri procesu celičnega dihanja porablja atmosferski kisik, ogljikov dioksid pa v tem času nastaja. Na začetku se v grafu 2 opazi povečana koncentracija ogljikovega dioksida. Do tega je prišlo zato, ker je bil to ogljikov dioksid, ki smo ga skupaj z rastlino zaprli v komoro in ne tisti ogljikov dioksid, ki ga rastlina sama proizvede tekom celičnega dihanja. Naš senzor je to uspešno zaznal.
Merilnik osvetljenosti smo uporabili zgolj za beleženje časa osvetljenosti. Tekom dneva je rastlina aktivna in s pomočjo svetlobe vrši proces fotosinteze, kar pa ne pomeni, da rastlina neha dihati. Rastlina prav tako čez dan diha in porablja kisik za celično dihanje, produkt katerega je ogljikov dioksid. Rastlina čez dan diha in fotosintetizira, vendar lahko rečemo, da so produkti fotosinteze v porastu glede na izmerjene koncentracije kisika in ogljikovega dioksida.
16
Svetlobo smo izmerili s pomočjo merilnika za svetlobo. Za enoto smo izbrali {lux}, relativno zračno vlažnost smo izmerili v {%} (merilnike le-te smo dodali pri drugem merjenju), koncentracijo ogljikovega dioksida smo izmerili v {ppm}, koncentracijo kisika pa smo izmerili v {%}. Ne smemo pozabiti še na čas, saj smo merili 50 ur, vsaka meritev pa je bila narejena 30-krat na uro.
Silikagel je služil temu, da je nase vezal odvečno vlago v komori. Poskrbel je, da rastlina zaradi prevelike zračne vlažnosti ni propadla. Kot lahko vidimo iz slike, so na levi strani v petrijevki kroglice silikagela oranžne barve, medtem ko so kroglice silikagela na desni strani bele oziroma že rahlo prosojne. Kroglice silikagela, ki so oranžne barve, smo v komoro dali na začetku našega eksperimenta, po končanem eksperimentu pa smo silikagel kroglice bele barve oziroma že skoraj prosojne odstranili iz komore. Iz tega sklepamo, da so kroglice služile svojemu namenu in nase uspešno vezale odvečno vlago v komori, ki bi lahko rastlino poškodovala.
Slika 7 Silikagel pred (levo) in po (desno) eksperimentu
17 4.2 Meritev 2
GRAF 3 Osvetljenost, ogljikov dioksid in kisik
Druga meritev je potekala podobno kot prva, le da smo pri tej v komoro dodali še senzor za merjenje relativne zračne vlažnosti in senzor za merjenje temperature v komori. Prav tako smo bolje zatesnili komoro, v kateri se je izvajal eksperiment, saj smo želeli prikazati očitno nihanje koncentracije kisika čez dan in ponoči. Molekula kisika je manjša od molekule ogljikovega dioksida, zato se je tudi bolj dvigovala in uhajala iz komore pri prvem merjenju, ki ni bila nepropustno zaprta in izolirana. Iz tega razloga smo v drugem eksperimentu, ki smo ga izvedli 5. 6. 2016, komoro na zunanji strani oblepili z močnim srebrnim lepilnim trakom. S tem smo skušali omejiti uhajanje kisikovih molekul iz komore.
Pri drugem poskusu smo prav tako v komoro dali baziliko, ventilator, silikagel in lučko, sprememba je bila le pri merilnikih, saj jih je bilo nekaj več. Poleg merilnika, ki je meril koncentracijo kisika, ogljikovega dioksida in senzorja za merjenje svetlobe, smo dodali merilnik za merjenje temperature in merilnik za merjenje relativne zračne vlažnosti.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
0 10 20 30 40 50 60
čas [h]
CO2[ppm]
osvetljenost[lux]
18 GRAF 4 Koncentracija kisika
Koncentracija kisika se na začetku rahlo dvigne in nato začne postopoma upadati upada, kar lahko razberemo iz grafa. Ko smo rastlino z vsemi merilnimi inštrumenti zaprli v komoro, smo vanjo ujeli tudi nekaj atmosferskega kisika, ki so ga naši senzorji zabeležili in rahlo popačili predvidene rezultate. Po približno desetih urah merjenja je v komori nastopila tema, tako imenovana noč za našo rastlino. Koncentracija kisika se ni spreminjala, ampak je nihala med 18,39 % in 18,45 %. Iz tega lahko sklepamo, da je bila rastlina fotosintetsko neaktivna zaradi pomanjkanje svetlobe. Kasneje, okoli dvajsete ure merjenja, lahko opazimo skok koncentracije kisika iz približno 18,4 % na 18,6 % in kasneje na 18,9 %. Med 19. uro in 31. uro merjenja je bila luč v komori prižgana. Med tem časom je bila rastlina fotosintetsko aktivna, zato se je koncentracija kisika vidno povišala. Po 31. uri merjenja je zopet nastopil nočni ritem rastline in posledično je tudi koncentracija kisika padla na nivo med 18,4 % in 18,5 %. Kasneje, nekaj po 40. uri merjenja, je za rastlino nastopil dnevni ritem, torej prižig luči in koncentracija izmerjenega kisika se je postopoma višala.
18,3
19 GRAF 5 Temperatura in relativna zračna vlažnost
Temperatura je tekom celotnega poskusa večinoma ostajala ista, bila so manjša nihanja, vendar se je gibala med 22°C in 26°C. Prav tako je bila koncentracija relativne zračne vlažnosti tekom eksperimenta kar konstantna, opazna so bila le manjša nihanja. Na začetku lahko opazimo, da je bila koncentracija relativne zračne vlažnosti nekoliko manjša, približno 68 %, kasneje pa se je konstantno gibala okoli 90 %. Začetno manjšo vrednost lahko pripišemo vplivu odprtega sistema, torej času, ko komora še ni bila popolnoma zaprta in je vlaga krožila po komori in laboratoriju. Ko smo komoro neprepustno zaprli, se je znotraj nje vzpostavilo neko novo ravnovesje glede na prostor in rastlino. Vrednost relativne zračne vlažnosti se je v prvih urah dvignila nekje na 90 %. Relativna zračna vlaga je izražena v procentih (%) in je razmerje med dejanskim in nasičenim parnim pritiskom. Temperatura in relativna zračna vlažnost skupaj vplivata na bivalno okolje. V našem primeru, torej v komori, kjer je bila povprečna temperatura 26°C in povprečna relativna zračna vlažnost 90%, lahko rečemo, da je bilo to okolje precej vlažno. Bazilika je po svojih karakteristikah razmeroma nezahtevna rastlina in raste na hladnih območjih, tropskih in vlažnih območjih, kjer je vlaga v ozračju zelo visoka, zato ji razmere v komori niso povzročale neprijetnih posledic. Ko smo sadiko bazilike vzeli iz komore, smo lahko videli, da je nekaj listov ovenelo oziroma rahlo porjavelo, medtem ko je bila celotna rastlina v zelo dobrem stanju.
V drugem poskusu izvajanja meritev lahko opazimo, kako dnevno nočni ritem rastline vpliva na proces fotosinteze. Ko je bila luč v komori prižgana, je rastlina uspešno vezala atmosferski ogljikov dioksid v procesu fotosinteze, natančneje v Calvinovem ciklu. Koncentracija je
0
20
postopoma padala od približno 1200 ppm vse do približno 580 ppm. Ponoči, oziroma ko je bila luč v komori ugasnjena, pa se je koncentracija ogljikovega dioksida dvigovala. Čeprav rastlina ponoči ni fotosintetsko aktivna, še ne pomeni, da ne izvaja kakšnega drugega procesa. Iz tega lahko sklepamo, da rastlina ponoči diha, saj se koncentracija ogljikovega dioksida, ko je luč v komori ugasnjena, povzpne vse do približno 1200 ppm, koncentracija kisika pa pade in se giblje okoli 20 %. Produkt celičnega dihanja sta ogljikov dioksid in voda, porabljata pa se kisik in glukoza. Pri procesu fotosinteze je obratno, saj se porabljata ogljikov dioksid in voda, nastaneta pa glukoza oziroma sladkor in kisik. Fotosinteza je odvisna od svetlobe, zato v procesu aktivno sodeluje tudi svetloba. Pri procesu fotosinteze se energija porablja, ravno obratno pa je pri procesu celičnega dihanja, kjer se energija sprošča. Reakcija celičnega dihanja lahko poteka brez prisotnosti svetlobe oziroma svetloba ni pogoj za izvajanje procesa v rastlini, medtem ko je za proces fotosinteze svetloba zelo pomemben dejavnik. Iz tega lahko sklepamo, da rastline dihajo čez dan in ponoči, fotosintetsko pa so aktivne le čez dan, ko je dovolj sončne svetlobe.
Slika 8 Eksperiment
21 4.3 Učno gradivo
FOTOSINTEZA
Fotosinteza je kompleksen proces, ki poteka le znotraj žive celice. Glavni in najpomembnejši produkt so sladkorji. Rastlina lahko iz sladkorja izdela druge snovi, ki jih potrebuje za zgradbo in delovanje svojega telesa, na primer beljakovine, maščobe, celulozo, barvila ... Fotosinteza je proces, ki hrani večino živih bitij na Zemlji. Proces poteka tako, da rastline porabijo hrano, ki so jo izdelale za svoje potrebe. Del porabijo za procese metabolizma, del pa za izgradnjo telesnih delov. Deli rastlin so hrana rastlinojedcem, ti pa so hrana mesojedcem. Rastline in nekatere bakterije izdelajo hrano same, vsa druga bitja jo dobimo neposredno ali posredno od rastlin. Med fotosintezo nastaja tudi plin kisik, ki se sprosti v ozračje. Brez fotosinteze v ozračju ne bi bilo kisika (Bačič in dr, 2011).
NALOGA
S pomočjo pripomočkov izmeri potek spremembe koncentracije CO2 in koncentracije O2. Bodi pozoren na dnevno nočni ritem rastline, temperaturo in vlago v ozračju.
PRIPOMOČKI:
- komora s pokrovom,
- zelena rastlina (sobna rastlina z dovolj velikimi zelenimi list, bazilika, peteršilj …), - Labquest2,
- lučka, - ventilator, - silikagel,
- merilnik za ogljikov dioksid, - merilnik za kisik,
- merilnik za svetlobo,
- merilnik za relativno zračno vlažnost in - časovnik za lučko.
22 POTEK DELA
1. Sestavi aparaturo kot kaže skica.
(Rastlino postavi v komoro. Komora je lahko iz lahkega umetnega materiala ali kakšnega drugega materiala, ki je pri roki, pomembno je le, da dobro tesni. V desni kot namesti ventilator, v levi kot pa daj petrijevko z nekaj silikagela. Nato komoro pokrij s pokrovom, na pokrovu pa naredi luknjice, ki bodo pravšnje velikosti za merilnike in lučko. V luknjice vstavi lučko, ki se bo ponoči izklopila s pomočjo časovnika in merilnikov.)
2. Merilnike povežeš z napravo LabQuest, ki bo pomagala beležiti podatke. Počakaj, da naprava samodejno prepozna merilnike.
3. S klikom na ikono za nastavitve nastavi čas merjenja. Prav tako nastavi, kolikokrat na minuto naj merilnik pomeri in zabeleži podatke.
4. Vklopi svetilko, ventilator in klikni na ikono PLAY.
5. Po končani meritvi shrani datoteko in izklopi svetilko in ventilator. Komoro odpri, da se prezrači, rastlino zalij in jo postavi na okensko polico.
6. Dobljene meritve prenesi z merilne naprave LabQuest na računalnik s pomočjo programa Logger Pro in podatke kopiraj v program Microsoft Excel.
Slika 9 Skica aparature
23
7. S pomočjo Microsoft Excel-a izriši grafe, ki jih boš kasneje uporabil/-a in komentiral/-a. Podatke shrani na namizju in datoteko smiselno poimenuj.
8. Dobljene grafe lahko tudi natisneš.
REZULTATI IN ANALIZA
Dobljene rezultate iz programa Logger Pro prenesi v Microsoft Excel, podatke smiselno obdelaj in oblikuj graf, tako da boš znal/-a iz grafa razbrati pomembne ugotovitve. Graf priloži h končnemu poročilu in ga poimenuj.
Dobljene rezultate in grafe je potrebno pokomentirati. Zapiši nekaj stavkov in komentiraj dobljene rezultate s pomočjo literature.
Prostor za rezultate z grafi in komentarje.
24 DISKUSIJA
Odgovori na naslednja vprašanja:
Zakaj je koncentracija kisika v komori večja ko sveti luč?
Kaj se dogaja s silikagelom v komori in čemu je namenjen?
Obstaja možnost, da bi rastlina ovenela med izvajanjem poskusa. Kaj bi v tem primeru storil/-a?
Naloga:
Naredi pojmovno mrežo na temo FOTOSINTEZA, zraven lahko vključiš povezavo s celičnim dihanjem. V pomoč naj ti bodo naslednji pojmi: fotosinteza, kisik, ogljikov dioksid, svetloba, sladkor, voda, celično dihanje, rastlina, žival, kloroplast in mitohondrij. Po želji lahko v pojmovno mapo dodaš tudi svoje pojme.
25 4.4 Navodila za učitelja
Teoretično gradivo
Fotosinteza kot proces je življenjskega pomena za vse zelene rastline. Avtotrofni organizmi imajo sposobnost, da si sami pridelajo hrano s pomočjo sončne svetlobe. Rastline imajo sposobnost, da pretvorijo sončno energijo v kemično, z njeno pomočjo pa se ogljikov dioksid lahko veže v obliki glukoze.
Splošna enačba fotosinteze:
6CO2 + 6H2O C6H12O6 + H2O Namen vaje/eksperimenta
Namen celotnega eksperimenta je z učiteljevo pomočjo učencem približati delo z računalniško podprtim sistemom in izkustveno učenje na temo fotosinteze. Proces fotosinteze je danes s strani učencev pogosto na pamet in brez razumevanja naučen proces, ki je zgolj ena gmota naučenih podatkov in napačnih predstav. Z računalniško podprtim sistemom lahko učenci v skupini sami nastavijo celoten eksperiment od začetka do konca pod vodstvom učitelja, ki jih usmerja in vodi skozi proces učenja.
Didaktično izvedbena priporočila
- Učenci naj pred izvedbo eksperimenta poznajo teoretične osnove o procesu fotosinteze in celičnega dihanja.
- Pred izvedbo poskusa učence seznanite z računalniško podprtim sistemom poučevanja in izvajanja eksperimentov.
- Kakšno uro prej jim demonstrirajte enostaven poskus, ki ga bodo lahko izvedli tudi sami po skupinah, da se seznanijo z merilnimi napravami, ki jih povežemo z računalnikom ali LabQuestom.
- Pustite učencem, da sami sestavijo aparaturo oziroma dajo v komoro rastlino, silikagel in ventilator, jo pokrijejo in vstavijo merilnike in svetilko ter jih priklopijo v LabQuest.
- Pred začetkom merjenja preverite pravilnost priklopov, območja meritev in časovnega intervala merjenja.
- Učenci naj dnevno opazujejo dogajanje v komori.
- Učenci si naj zapisujejo opažanja, s pomočjo katerih bodo lahko oblikovali končna poročila.
- Učencem lahko postavljate vprašanja, ki jih bodo spodbudila k razmišljanju:
svetloba
26
Kaj misliš, da se bo zgodilo z rastlino …?
Kaj se dogaja s silikagelom?
Ali lahko pojasniš …?
- Preden začnejo učenci izvajati eksperiment, se prepričajte, če razumejo navodila in vedo, kaj je potrebno narediti.
- Med teoretično razlago procesa fotosinteze uporabljajte veliko slikovnega gradiva. Prav tako lahko uporabite kakšen diagram, ki prikazuje položaj fotosintetskega aparata in same reakcije v kloroplastu, saj lahko s pomočjo le-tega objasnite dogajanje. Prostorske slike so namreč lahko zelo učinkovita podpora suhoparni razlagi.
Preglednica kriterija za ocenjevanje eksperimentalnega/laboratorijskega dela
Kriterij Točke Navodila za ocenjevanje
Varnost pri delu
0 1
2
- Poznavanje in upoštevanje pravil varnosti pri delu,
- poznavanje zaščitnih sredstev in pravilna uporaba le-teh,
- odgovornost do sebe in drugih udeležencev,
- Učenec dela organizira, koraki si logično sledijo, delo opravi hitro, - samostojno načrtuje in upošteva
navodila, - postopke pri
eksperimentalnem/laboratorijskem delu popolnoma razume,
- natančno skicira, se posveti podrobnostim,
- označuje vsako stvar,
- smiselno izbere način ureditve podatkov (tabela, graf) – z vsemi podatki,
27
- je samostojen pri delu,
- obvladuje računsko obdelavo podatkov, ne dela napak,
- uspešno sodeluje pri delu v skupini in se čuti odgovornega za skupno delo.
Izvedba poročila
- Metodološka ustreznost in zahtevnost (ustreznost vzorca, postopki obravnave problema, korektna uporaba metod, obdelava izbranih podatkov).
- Interpretacija podatkov, analitična raven (povezava s teorijo, vzročno posledična razlaga, analiza podatkov, enostavna deskripcija, kritičnost).
- Kritičnost do uporabljenih metod, rezultatov, ideje za nadaljnje raziskave.
- Delo je primerno in konsistentno oblikovano skladno z navodili
- Jezikovna pravilnost, slogovna ustreznost.
- Ustrezno citiranje in navajanje del in mnenj drugih avtorjev/avtoric (seznam literature, citati).
- Uporaba ustrezne, sodobne strokovne literature, tudi viri v tujem jeziku.
Predstavitev poročila 0 1
- Jasnost, jedrnatost.
- Argumentirana razlaga.
- Ni očitnega branja z drsnic ali lista.
- Upoštevanje časovne omejitve.
28 2
3 4
- Drsnice so pregledne in jedrnate (če jih uporablja).
- Uporaba in predstavitev izdelkov, če so le-ti nastali v okviru dela.
- Očesni stik s poslušalci in ne le z
- Tekoče odgovarjanje na vprašanja v zvezi z delom.
- Argumentirana razlaga v zvezi z delom.
- Zastavljanje vsebinsko smiselnih vprašanj sošolcem/kolegom.
Skupno število doseženih točk
Komentar
Vir: Gregor Torkar; Pregled ustreznosti eksperimentalnega dela s poročilom.
Primer pojmovne mreže
29 5 SKLEP
S pomočjo izpeljave eksperimenta na temo fotosinteze smo pokazali, da je lahko računalniško podprt sistem učinkovit za prikaz procesa fotosinteze in posledično tudi procesa celičnega dihanja. Merilne naprave v komori so čez dan uspešno zaznale povečano koncentracijo kisika, ponoči pa povečano koncentracijo ogljikovega dioksida, ki se poleg vode sprošča v procesu celičnega dihanja. Celično dihanje poteka z enako intenziteto tudi podnevi, le da je poraba CO2
čez dan večja zaradi procesa fotosinteze. Lahko potrdimo, da je rastlina fotosintetsko aktivna čez dan, ko je dovolj sončne svetlobe. Prav tako lahko potrdimo, da celično dihanje poteka podnevi in ponoči, le da z merilniki čez dan nismo mogli zaznati povečane koncentracije ogljikovega dioksida, saj je rastlina le-tega uspešno vezala v procesu fotosinteze, natančneje v Calvinovem ciklu.
Naprava LabQuest in vsi uporabljeni merilniki, torej merilnik za merjenje svetlobe, relativne zračne vlažnosti, temperaturo in koncentracijo kisika ter ogljikovega dioksida, so nam omogočili uspešno izpeljavo eksperimenta. Eksperiment smo ponovili dvakrat. Pri prvih meritvah smo uporabili le merilnik za svetlobo in merilnika za merjenje koncentracije kisika ter ogljikovega dioksida. V drugem poskusu smo se odločili, da zraven dodamo še merilnik za merjenje temperature in merilnik za merjenje relativne zračne vlažnosti, ker sta temperatura in relativna zračna vlaga pomembna za potek same fotosinteze in odprtost listnih rež. Glede na tehnično opremljenost osnovnih šol smo sklepali, da bi se lahko takšen eksperiment izvedel v okviru šolskega izobraževanja.
Na podlagi opravljenega eksperimenta, ki smo ga izvedli v dveh ponovitvah, in s katerim smo se popolnoma prepričali, da se lahko izpelje v takšnem časovnem okviru in z vsemi pripomočki, smo izdelali učno gradivo za učence in didaktična priporočila za učitelje. Predstavljeni eksperiment je namenjen tako demonstracijskemu poskusu ali samostojnemu delu učencev.
Učenci lahko sami s pomočjo učitelja izvedejo poskus v šolskem laboratoriju ali pa v učilnici in tako aktivno sodelujejo pri obravnavanju učne snovi. Eksperiment lahko učenci izvajajo v skupini, paru ali posamezno, če se učitelj tako odloči. Prav tako je lahko eksperiment zasnovan kot projektno delo, ki ga izvaja določeno število učencev, kot dodatno delo pri pouku naravoslovja ali biologije in pri bioloških izbirnih predmetih.
Prikazan eksperiment lahko vključimo v učni načrt pri predmetu Naravoslovje v 6. razredu kot del ur, ki so namenjene eksperimentalnemu delu in tako konkretiziramo izobraževanje. Prav
30
tako bi lahko eksperiment vključili v 7. razred naravoslovja, kjer je proces fotosinteze obravnavan v povezavi s kompleksnejšimi vsebinami.
Namen priprave eksperimenta na temo procesa fotosinteze in izdelave učnega gradiva je, da bi tako učiteljem kot tudi učencem lahko ponudili možnost uporabe računalniško podprtih merilnih naprav oziroma sistemov kot je Vernier. V zadnjih letih so osnovne šole kupile računalniško opremo kot so razni merilniki ipd., zato da lahko učencem omogočijo učenje z informacijsko komunikacijsko tehnologijo. Večinoma učitelji ne vedo, kaj početi z vso to sodobno opremo, saj sami nimajo dovolj znanja in praktičnih izkušenj, zato smo se odločili izdelati primeren eksperiment procesa fotosinteze, ki ga lahko izvede vsak, če le ima ustrezne merilnike in voljo do izdelave komore in vsega potrebnega. Prav tako je eksperiment mogoče vpeljati v učni načrt in pokriti nekaj ur eksperimentalnega praktičnega dela, ki v okviru predmeta Naravoslovje obsega kar 40 % ur.
Namen priprave eksperimenta na temo procesa fotosinteze in izdelave učnega gradiva je, da bi tako učiteljem kot tudi učencem lahko ponudili možnost uporabe računalniško podprtih merilnih naprav oziroma sistemov kot je Vernier. V zadnjih letih so osnovne šole kupile računalniško opremo kot so razni merilniki ipd., zato da lahko učencem omogočijo učenje z informacijsko komunikacijsko tehnologijo. Večinoma učitelji ne vedo, kaj početi z vso to sodobno opremo, saj sami nimajo dovolj znanja in praktičnih izkušenj, zato smo se odločili izdelati primeren eksperiment procesa fotosinteze, ki ga lahko izvede vsak, če le ima ustrezne merilnike in voljo do izdelave komore in vsega potrebnega. Prav tako je eksperiment mogoče vpeljati v učni načrt in pokriti nekaj ur eksperimentalnega praktičnega dela, ki v okviru predmeta Naravoslovje obsega kar 40 % ur.