PRIPRAVA EKSPERIMENTA ZA POUČEVANJE FOTOSINTEZE PRI PREDMETU NARAVOSLOVJE V 6. RAZREDU OSNOVNE ŠOLE

UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA

SENDI SELIČ

PRIPRAVA EKSPERIMENTA ZA POUČEVANJE FOTOSINTEZE PRI PREDMETU NARAVOSLOVJE V 6. RAZREDU OSNOVNE ŠOLE

DIPLOMSKO DELO

LJUBLJANA, 2016

II

UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA

DVOPREDMETNI UČITELJ BIOLOGIJE IN GOSPODINJSTVA

SENDI SELIČ

Mentor: izr. prof. dr. GREGOR TORKAR Somentor: mag. LUKA PRAPROTNIK

PRIPRAVA EKSPERIMENTA ZA POUČEVANJE FOTOSINTEZE PRI PREDMETU NARAVOSLOVJE V 6. RAZREDU OSNOVNE ŠOLE

DIPLOMSKO DELO

LJUBLJANA, 2016

III Zahvala

Iskreno se zahvaljujem mentorju izr. prof. Gregorju Torkarju in mag. Luki Praprotniku za prijaznost, spodbudo, vse nasvete in pomoč pri pisanju diplomske naloge.

Posebna zahvala gre staršema, Jožici in Stanetu, ki sta mi v času študija stala ob strani, me spodbujala in moralno ter finančno podpirala.

Velika zahvala tudi mojemu partnerju Maticu, ki je vedno našel spodbudne besede, mi stal ob strani in imel potrpljenje ter razumevanje tekom mojega študija.

Hvala tudi vsem tistim, ki ste mi stali ob strani in se z menoj veselili uspehov na moji poti.

IV IZJAVA

Podpisana Sendi Selič, rojena 9. 5. 1992, študentka Pedagoške fakultete Univerze v Ljubljani, smer Dvopredmetni učitelj biologije in gospodinjstva, izjavljam, da je diplomsko delo z naslovom Priprava eksperimenta za poučevanje fotosinteze pri predmetu naravoslovje v 6. razredu osnovne šole pri mentorju izr. prof. dr. Gregorju Torkarju in somentorju mag. Luki Praprotniku avtorsko delo. Uporabljeni viri in literatura so korektno navedeni, teksti niso prepisani brez navedbe avtorjev.

__________________________

V POVZETEK

Rastline imajo pomembno vlogo v ekosistemu živih bitij, v katerega je vključen tudi človek.

Opazovanje in odkrivanje narave nudita učencem obilo priložnosti za neposredno učenje, odkrivanje organizmov in aktivno vključenost pri raziskovanju. Pomembno je, da učenci razumejo pomen rastlin v ekosistemu.

Učenje in poučevanje procesa fotosinteze sta ena izmed najzahtevnejših naravoslovnih tematik, predvsem zaradi svoje kompleksnosti. Pogosto se težave pojavijo v celostnem razumevanju procesa fotosinteze, predvsem zaradi napačnih pojmovanj in napačnega poenostavljanja. Za uspešno poučevanje procesa fotosinteze se učiteljem priporočajo aktivne učne metode pouka, med drugimi tudi uporaba informacijsko - komunikacijske tehnologije, na primer računalniške animacije ali simulacije, izvedba poskusa s pomočjo raznih merilnikov, kot smo tudi sami izvedli v eksperimentalnem delu.

V diplomski nalogi smo želeli z izvedbo eksperimenta učencem in učiteljem približati eksperimentalno in raziskovalno delo s pomočjo sodobnih računalniških pripomočkov in programov pri pouku naravoslovja in biologije. Na podlagi izvedenega eksperimenta smo izdelali učno gradivo za učitelje, ki si želijo predstaviti proces fotosinteze ter gradivo za učence, ki bi omogočilo poglobljeno razumevanje, aktivno sodelovanje učencev in lastno izvedbo poskusa pri pouku.

Rezultati izvedenega eksperimenta so pokazali, da je poskus načrtovan tako, da merilniki zaznajo dnevno nočne spremembe v vsebnosti kisika in ogljikovega dioksida v komori, kjer smo gojili rastlino, in da poskus omogoča izvajanje praktičnega pouka po ciljih učnega načrta za predmet Naravoslovje v 6. razredu osnovne šole, za vsebine, povezane s procesi fotosinteze.

Ključne besede: fotosinteza, eksperiment, aktivno učenje, učenec, učitelj, učno gradivo, IKT.

VI ABSTRACT

Plants play an important role in the ecosystem, living creatures, which involve humanity.

Observation and detection of nature offers students plenty of opportunities for direct learning, detect organisms and active involvement in research. It is important that students understand the importance of plants in the ecosystem.

Learning and teaching photosynthesis can be difficult demanding since it is one of the most complex science topics, mainly due to its complexity. Often problems arise in a holistic understanding of the process of photosynthesis mainly due to misconceptions and simplification. In order to successfully teach the photosynthesis teachers recommend active learning methods of teaching, including the use of information and communication technology, such as computer animation or simulation, execution attempt with the help of various gauges, as we ourselves conducted in the experimental part.

In this diploma thesis, we wanted to carry out the experiment closer to teachers and students experimental and research work with the help of modern computer devices and programs in science and biology on the topic of photosynthesis. On the basis of experiments carried out we have developed training materials for teachers who wish to present the process of photosynthesis, and materials for students, which would allow deeper understanding of the active participation of pupils and their own experiment in the classroom.

The results of the experiment showed that the experiment is designed to observe day and night changes in oxygen and carbon dioxide in the chamber where the plant was grown, and it makes an attempt to provide practical lessons from the objectives of the curriculum for the subject of sciences in sixth grade of elementary school, for content related to the processes of photosynthesis.

Keywords: photosynthesis, experiment active learning, sudent, teacher, teaching materials, information and communication technology.

VII Vsebina

1 UVOD ... 1

2 TEORETIČNI DEL ... 2

2.1 Svetloba ... 2

2.2 Kloroplast ... 2

2.4 Fotosinteza ... 4

2.4.1 Svetlobna faza (tok elektronov) ... 5

2.4.2 Temotna faza (Calvinov cikel) ... 6

2.5 Učni načrt ... 6

2.6 Napačne predstave učencev o procesih fotosinteze ... 7

2.7 Metode poučevanja v naravoslovju ... 8

2.8 Laboratorijsko – eksperimentalna metoda ... 10

2.9 Računalniško podprto učenje ... 10

2.9.1 Merilni sistem Vernier ... 10

3 EMPIRIČNI DEL ... 11

3.1 Opredelitev raziskovalnega problema in namen raziskave ... 12

3.2 Cilji in hipoteze ... 12

3.3 Metoda dela ... 12

3.3.1 Material ... 13

4 REZULTATI IN INTERPRETACIJA ... 14

4.1 Meritev 1 ... 14

4.2 Meritev 2 ... 17

4.3 Učno gradivo ... 21

4.4 Navodila za učitelja ... 25

5 SKLEP ... 29

6 LITERATURA ... 31

VIII SEZNAM SLIK

Slika 1 Kloroplast ... 3

Slika 2 Elektronska transportna veriga ... 5

Slika 3 Calvinov cikel ... 6

Slika 4 Merilni sistem Vernier - LabQuest in senzorji ... 11

Slika 5 Notranjost komore ... 13

Slika 6 Senzorji povezani z računalniškim vmesnikom (LabQuest) ... 13

Slika 7 Silikagel pred (levo) in po (desno) eksperimentu ... 16

Slika 8 Eksperiment ... 20

Slika 9 Skica aparature ... 22

SEZNAM GEAFOV GRAF 1 Koncentracija kisika ... 14

GRAF 2 Osvetljenost in ogljikov dioksid ... 15

GRAF 3 Osvetljenost, ogljikov dioksid in kisik ... 17

GRAF 4 Koncentracija kisika ... 18

GRAF 5 Temperatura in relativna zračna vlažnost ... 19

1 1 UVOD

Proces fotosinteze je pomemben za vsa živa bitja na našem planetu. S pomočjo svetlobe, vode in ogljikovega dioksida zeleni deli rastlin proizvajajo plin kisik in sladkor. Sladkor se kasneje pretvori v škrob, celulozo in ostale ogljikove hidrate, kar je za rastlino zelo koristno, medtem ko se kisik sprosti v ozračje. Rastline si v procesu fotosinteze same pridelajo hrano, zato jim pravimo avtotrofi.

Učenci se prvič podrobneje srečajo s procesom fotosinteze v šestem razredu pri naravoslovju, kjer podrobneje spoznajo sam proces. V sedmem razredu znanje o procesu fotosinteze dodatno nadgradijo, kar predstavlja temelj za razumevanje in povezovanje ostalih vsebin.

Fotosinteza je kompleksen proces, ki je za učence težje razumljiv. Učenci imajo težave pri samem razumevanju procesa, zato lahko v procesu učenja pride do napačnih predstav. Pogosto je pri učencih prisotno napačno razumevanje glede hrane, ki jo rastlina sama pridela v procesu fotosinteze in je ne črpa iz tal tako kot vodo in mineralne snovi.

Učenci zelo radi sami raziskujejo, odkrivajo, poizkušajo, gledajo, opazujejo … Učitelji lahko učence spodbudijo, da so med poukom čim bolj aktivni. Radovednost in vedoželjnost učencev je tista, ki učitelju nudi možnost, da jim prikaže učenje, v katerega so lahko aktivno vključeni.

Z izvajanjem naravoslovnih in projektnih dni ter eksperimentov, ki so lahko demonstracijski ali pa jih učenci izvajajo sami. Tako lahko učitelji učence aktivno vključijo sam v proces izobraževanja.

V diplomskem delu smo zasnovali poskus, s katerim smo želeli prikazati proces fotosinteze pod določenimi pogoji. V sam eksperiment smo vključili računalniško podprto učenje oziroma računalniški sistem, ki omogoča izvajanje meritev v časovno določenem okvirju ter prikaz rezultatov s pomočjo grafov in tabel. Menimo, da je uporaba informacijsko-komunikacijske tehnologije v osnovnih šolah priporočljiva, saj učencem in učiteljem ponuja izvajanje vsebin iz učnega načrta na nov in inovativen način. Na podlagi tega smo naredili eksperiment, v katerega smo vključili rastlino, komoro in merilne naprave, ki so merile želene parametre. Iz tega smo naredili gradivo za učence in učitelje, ki bodo lahko eksperiment izvajali skupaj s svojimi učenci v osnovni šoli.

2 2 TEORETIČNI DEL

2.1 Svetloba

Svetloba je elektromagnetno valovanje. Hitrost svetlobe lahko opišemo kot produkt valovne dolžine in frekvence. Svetloba ima naravo delcev, ki jim pravimo fotoni in imajo svojo energijo ali kvant. Sončna svetloba je sestavljena iz mnogo fotonov, ki imajo različno valovno dolžino (Vodnik, 2012).

Svetloba je vir energije za proces fotosinteze. S povečanjem jakosti svetlobe se intenzivnost reakcij fotosinteze povečuje vse do zasičenja in se kljub povečanju sevanja ustali (Tome, 2006).

Dejavnost fotosintetskega aparata se ob zvišanju koncentracije CO2 prav tako poveča. Zvišanje koncentracije CO2 ob podpori encimov vpliva na listne reže ter na hitrost poteka fotosinteze (Kosobryukhov, 2009).

Sončna energija izpolnjuje dve zelo pomembni potrebi v bioloških organizmih, in sicer energijo in informacije. Sončna energija ohranja temperaturo površine planeta v območju, ki je primerno za življenje in s pomočjo fotosinteze, ki je vir energije, ohranja večino življenja v naši biosferi.

Sevanje, predvsem v obliki svetlobe, zagotavlja pomembne informacije o okolju (Vodnik, 2012).

2.2 Kloroplast

Kloroplast je rastlinski organ, s pomočjo katerega zeleni deli rastline na svetlobi izvajajo proces fotosinteze. Kloroplast je sestavljen iz zunanje in notranje membrane, med njima je medmembranski prostor. V notranjosti kloroplasta se tilakoidna membrana oblikuje v sploščene cisterne, imenovane tilakoide. Izvor tilakoidne membrane je notranja membrana kloroplasta. V notranjosti tilakoidne membrane so številni pigmenti, med njimi izstopa klorofil. Klorofil je barvilo, ki granam daje zeleno barvo. Tilakoide nanizane ena na drugo tvorijo grano. Vse skupaj v notranjosti obdaja tekočina oziroma stroma. Na tilakoidah poteka pretvorba svetlobne energije v kemično. V stromi poteka sinteza ogljikovih hidratov z vezavo ogljika ali tako imenovan Calvinov cikel (slika 1) (Dermastia, 2007).

3 2.3 Fotosintetski (asimilacijski) pigmenti

Fotosintetski pigmenti so vsi tisti pigmenti, ki sodelujejo pri absorpciji, prenosu in pretvorbi svetlobne energije. Klorofil je odgovoren za zbiranje svetlobne energije za fotosintezo.

Molekulo klorofila sestavljata dva dela; porfirinska glava in dolg ogljikovodikov fitolni rep.

Klorofil je sestavljen iz štirih pirolovih obročev, v sredini je magnezijev ion, na osnovni skelet pa je zaestren fitol. Štirje pirolovi obroči okoli magnezijevega iona tvorijo hidrofilni del molekule, medtem ko je zaestren fitol na osnovnem skeletu lipofilni del molekule in zato omogoča stik z lipidi tilakoidne membrane (Hopkins, Hüner 2008).

Poznamo klorofil a, b, c in d. Primarna fotosintetska pigmenta sta klorofil a in klorofil b. Če v molekuli klorofila zamenjamo centralni magnezijev ion z dvema vodikovima ionoma dobimo feofitin. Klorofili absorbirajo v rdečem in modrem delu vidnega spektra. Klorofil a absorbira pri 430 in 660 nm vidnega spektra, klorofil b pa pri 460nm in 640nm. Klorofil a je modrozelen, klorofil b pa rumenozelen. Pri klorofilu c ni fitolnega dela molekule, pri klorofilu d pa je vinilna skupina v porfirinskem obroču nadomeščena s formilno skupino.

Druga skupina fotosintetskih pigmentov so karotenoidi, ki so po strukturi tetraterpeni in absorbirajo v modrem delu vidnega spektra med 400 in 520 nm. Karotenoide ločimo na rdeče

Slika 1 Kloroplast

(prirejeno po: https://sl.wikipedia.org/wiki/Kloroplast) [Vir:

https://sl.wikipedia.org/wiki/Kloroplast#/media/File:Chloroplast_diagram.svg, 30.8.2016]

4

karotene, ki so čisti ogljikovodiki, in na rumenkaste ksantofile, ki so okidacijski produkti karotenov, kateri vsebujejo kisik. Med karoteni sta najpogostejša alfa-karoten in beta-karoten.

Karotenoidi imajo prav tako zaščitno funkcijo v primeru visokih intenzitet svetlobe (Hopkins, Hüner 2008).

Pri nekaterih nižjih rastlinah lahko srečamo tudi druge skupine fotosintetskih ali asimilacijskih pigmentov, kamor uvrščamo fikobiliproteide. Vsem asimilacijskim pigmentom je skupna prisotnost konjugiranih dvojnih vezi v molekuli, saj lahko tako elektroni, ko absorbirajo svetlobo, preidejo v višje energetsko stanje (Vodnik, 2012).

2.4 Fotosinteza

Fotosinteza, vrsta presnovnih reakcij, pri katerih se svetlobna energija pretvori v kemično, z njeno pomočjo pa se CO2 veže v obliki glukoze. Ta se pretvori v škrob, ki se kopiči v kloroplastih. Bruto enačba fotosinteze je: 6CO2+6H2O+svetlobaC6H12O6+6O2 (Strgar, 2002).

Proces fotosinteze je eden od osnovnih procesov, ki omogočajo življenje na Zemlji. Zelene rastline si hrano izdelajo same, saj so fotoavtotrofni organizmi. Zeleni deli rastline na svetlobi izdelujejo sladkor (glukozo) v procesu fotosinteze. Sladkor rastline izdelajo iz vode in ogljikovega dioksida, ki ju dobijo iz okolice. Med fotosintezo se svetlobna energija, ki na Zemljo pride s Sonca, pretvori v energijo, ki je vezana v sladkorju (Bačič in dr, 2011).

Fotosinteza je kompleksen proces, ki poteka le znotraj žive celice. 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 sproti 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).

Reakcije v fotosintezi potekajo v dveh delih, in sicer v svetlobni fazi in temotni fazi. V svetlobni fazi poteka proces zajemanja svetlobe in njena pretvorba v kemijsko energijo, pri tem pa sodelujeta NADPH in ATP. V temotni fazi se NADPH in ATP uporabita za pogon anabolnih procesov, kot je sinteza heksoz iz CO2 v Calvinovem ciklu. V temotni fazi se produkta svetlobne faze, torej ATP in NADPH, porabljata za biosintezo in druge celične procese, ki

5

energijo porabljajo. V tej fazi se s pomočjo ATP in NADPH ogljik iz CO2 porablja za sintezo ogljikovih hidratov. Reakcije v temotni fazi so del Calvinovega cikla.

2.4.1 Svetlobna faza (tok elektronov)

V elektronski transportni verigi sodeluje svetloba. Fotoni ustrezne valovne dolžine zvišajo energetski potencial makro-molekulskih kompleksov. S tem se sproščajo elektroni, ki sodelujejo v elektronski transportni verigi. V svetlobnih reakcijah fotosinteze se tako svetlobna energija prevaja v energijo kemijskih vezi. Elektroni potujejo od vira (donorja), ki je v tem primeru voda (H2O) k sprejemniku (akceptorju) (NADP⁺). Potovanje elektronov od vira k sprejemniku je termodinamično neugoden proces, zato je potrebna svetlobna energija. V sklopu svetlobne faze sodelujeta fotosistema I in II. Fotosistema I in II sestavljajo klorofili in pomožni pigmenti. Fotosistema delujeta kot primarna sprejemnika, kjer se zbira svetlobna energija.

Fotosistem I je sestavljen iz klorofila a, pomožnih pigmentov in prenašalcev elektronov. Njegov absorbcijski spekter je med 600 in 700 nm. Fotosistem II je sestavljen iz klorofila a in b, pomožnih pigmentov in prenašalcev elektronov. Absorbcijski spekter fotistema II je pri 680 nm. Vloga fotosistema II je oksidacija vode oziroma fotoliza vode, medtem ko je vloga fotosistema I redukcija NADP⁺. Elektronski transport s fotosistema II na fotosistem I vodi protonski gradient iz strome v lumen tilakoid. Produkt te reakcije je sinteza ATP, ki jo poganja svetloba, fotofosforilacija (slika 2).

Elektronska pot od fotosistema II do fotosistema I oziroma do NADP⁺ se imenuje linearni transport elektronov, ta transport elektronov pa je lahko tudi cikličen. Cikličen transport opravijo elektroni iz fotosistema I, v tej reakciji pa sodeluje kompleks citokrom b6f, ki vrača elektrone v fotosistem I. Ob tem nastaja protonski gradient, ne pa tudi redukcijska moč (Vodnik, 2012).

Slika 2 Elektronska transportna veriga

[Vir: http://www-f9.ijs.si/~margan/LT_web_test/ST_main_article.html, 30.8.2016]

6 2.4.2 Temotna faza (Calvinov cikel)

Poseben pomen zelenih rastlin je vgradnja CO2 v organske molekule. To poteka v temotni fazi fotosinteze. V temotni fazi se s pomočjo ATP in NADPH, ki sta produkta svetlobne faze, ogljik iz CO2 porabi za sintezo ogljikovih hidratov. Vgradnja poteka v stromi kloroplasta. Ogljikov dioksid se transportira z difuzijo po apopolastu in simplastu. V stromi kloroplasta so prisotni encimi, ki reakcije Calvinovega cikla regulirajo in usmerjajo.

Calvinov cikel poteka v treh fazah; faza karboksilacije, faza redukcije in faza regeneracije. V fazi karboksilacije se ogljikov dioksid veže na ribulozo-1,5-bifosfat, reakcijo pa katalizira encim Rubisco (ribuloza-1,5-bifosfat karboksilaza). Kot produkt te reakcije nastaneta dve molekuli 3-fosfoglicerata. V naslednji fazi, torej v fazi redukcije, se v prej nastali molekuli 3- fosfoglicerata reducirata do dveh molekul gliceraldehida 3-fosfata. V tej reakciji kot vir elektronov sodeluje NADPH, ki je nastal v procesu svetlobnih reakcij fotosinteze, in ATP, katerega vir je fotofosforilacija. Nastali sladkor trioza je torej produkt fotosinteze, ki se ga nekaj usmeri tudi v zadnjo fazo tega cikla. V fazi redukcije se skozi več reakcij obnavlja Rubisco. Da lahko Calvinov cikel nemoteno deluje, je potrebnih dovolj intermediantov in encimov, ki morajo biti aktivirani. Reakcije z ogljikovim dioksidom potekajo sočasno s svetlobnimi reakcijami, ki jim zagotavljajo vir energije in reducente. Svetloba je glavni regulator aktivacije encimov za potek Calvinovega cikla (slika 3) (Vodnik, 2012).

Slika 3 Calvinov cikel

(prirejeno po: https://bs.wikipedia.org/wiki/Calvinov_ciklus) [Vir: https://bs.wikipedia.org/wiki/Calvinov_ciklu, 30.8.2016]

7 2.5 Učni načrt

Učni načrt v 6. razredu pri naravoslovju fotosintezo in celično dihanje obravnava kot samostojna življenjska procesa. Začne se v vsebinskem sklopu Energija s samo predstavitvijo pomembnosti sončne energije. Učenci se seznanijo, da je Sonce osnovni vir energije na Zemlji, ki je njuno potrebna za vzdrževanje življenja. V nadaljevanju sklopa se dotaknejo tematike fotosinteze s stališča, da je v biomasi in fosilnih gorivih nakopičena sončna energija, ki se je v snovi vezala pri fotosintezi. V tem sklopu se fotosinteza le omeni, medtem ko jo kot proces skupaj s celičnim dihanjem podrobneje obravnavajo v sklopu Živa narava (Program osnovna šola. Biologija. Učni načrt, 2011). Razumevanje kompleksnejših procesov, kot sta celično dihanje in fotosinteza, ki omogočata kroženje energije in hranil med organizmi znotraj ekosistemov, sta pomembna procesa in predstavljata predpogoj za nadaljnje razumevanje ostalih sklopov vsebin. V 7. razredu se proces fotosinteze obravnava posredno, fotosinteza je osnova za razumevanje kompleksnejših vsebin. Prav tako je tudi v 8. in 9. razredu pri biologiji poznavanje procesa fotosinteze osnova za nadaljnje razumevanje in nadgradnjo snovi. Najmanj 40 % ur naravoslovja mora biti zasnovanih na aktivnih metodah dela, kar vključuje eksperimentalno raziskovalno delo v razredu in na terenu. V 8. in 9. razredu pri predmetu Biologija je le 20 % celotnih ur namenjenih eksperimentalnemu in terenskemu delu, pri katerem naj bi se učence delilo v skupine (Program osnovna šola. Biologija. Učni načrt, 2011).

Laboratorijsko delo, projektno delo in terensko delo omogočajo boljše razumevanje snovi (Verčkovnik, 2000). Učiteljeva vloga v procesu poučevanja je poleg podajanja znanja tudi ustvarjanje spodbudnega učnega okolja in situacij, ki učencem omogočajo aktivno sodelovanje, ustvarjanje, odkrivanje, opazovanje, primerjanje, razvrščanje, napovedovanje, induktivno in deduktivno sklepanje, eksperimentiranje … Da bi učenci razvijali eksperimentalne in raziskovalne spretnosti, jih je potrebno aktivno vključiti v eksperimentiranje in raziskovanje, ne pa samo v opazovanje učiteljeve demonstracije (Program osnovna šola. Biologija. Učni načrt, 2011).

2.6 Napačne predstave učencev o procesih fotosinteze

Proces fotosinteze je zapleten pojav, zato ga učenci težko razumejo. Zaradi svoje kompleksnosti je ena izmed najzahtevnejših naravoslovnih tematik, zato se pojavljajo težave v celostnem razumevanju fotosinteze kot procesa. Najpogostejša napačna pojmovanja, ki jih učenci o fotosintezi oziroma o prehranjevanju rastlin imajo, so, da rastlina dobi hrano iz zemlje. Prav tako jih večina ne razume, da rastline dihajo (Rode in Skribe Dimec, 2012).

8

Učenci imajo pri bioloških procesih, kot so fotosinteza, respiracija oziroma celično dihanje in hranila, pogosto izoblikovane napačne predstave. Fotosinteza se razume kot proces, pri katerem se svetlobna energija pretvarja v kemično. Z združevanjem ogljikovega dioksida in vode pri kemijski reakciji nastajata kisik in glukoza. Ključnega pomena je sončna energija, s pomočjo katere rastline same proizvajajo hrano. Učenci ob podajanju razlage procesa fotosinteze odgovarjajo na različne načine, kot na primer:

»fotosinteza se izvaja v zelenih rastlinah ob prisotnosti sončne svetlobe«,

»rastline spremenijo ogljikov dioksid v kisik«,

»poznam kemijsko reakcijo, ker sem se jo moral naučiti«,

»ko sonce sije direktno na rastlino – takrat poteka fotosinteza«,

»fotosinteza ohranja rastlino zeleno«,

»zelene rastline pretvarjajo ogljikov dioksid in sončno svetlobo v klorofil« (Anderson, 1990).

Problemi, s katerimi se učenci pri predmetu biologije srečujejo, ne zahtevajo le učenja po znanih, ustaljenih vzorcih, ampak terjajo nove in izvirne pristope. Zaradi napredovanja tehnologije se morajo tradicionalni načini poučevanja spremeniti in slediti razvoju tehnologije.

Učenci se v šoli seznanijo z uporabo računalnika in z njegovo vsestransko uporabo: iskanje informacij, obdelava podatkov ipd. To znanje lahko učenci uporabijo tudi pri biologiji.

Računalnik, ki je dopolnjen z različnimi merilniki, lahko meri podatke, ki jih učenci interpretirajo glede na učno snov. Potrebno je smiselno vključiti medpredmetno povezovanje, v tem primeru biologijo, kemijo in računalništvo. Pogosto se zgodi, da šole uporabljajo takšen način dela kot demonstracijski eksperiment, čeprav imajo učenci dovolj znanja za delo z računalnikom.

2.7 Metode poučevanja v naravoslovju

Metoda kot beseda izhaja iz grškega jezika in pomeni pot, torej na splošno pomeni pot k nečemu, k cilju, kar lahko sklepamo iz prejšnjega odstavka. Učne metode so znanstveno in praktično preverjeni načini učinkovite komunikacije med učiteljem in učencem (Ivanuš Grmek, Javornik Krečič, 2001).

Poučevanje se je z razvojem tehnologije in novimi trendi na področju naravoslovja spremenilo.

Danes se metoda razlage pogosto nadomešča z aktivnim sodelovanje učencev v procesu vzgoje in izobraževanja. H kvalitetnemu poučevanju naravoslovja sodijo različne oblike učenja, in

9

sicer skupinsko delo, učenje v dvojicah, projektno delo, problemski pouk, raziskovalno učenje, izkustveno učenje, eksperimentalno in terensko delo (Strmčnik, 2001).

Metode dela, ki jih zahteva učenje naravoslovja, razvijajo sposobnosti in spretnosti. Delijo se na dve skupini; na sposobnosti, ki so vezane na zbiranje podatkov oziroma opazovanje, in sposobnosti, ki se nanašajo na obdelavo teh zbranih podatkov, z drugimi besedami razvijanje in testiranje zamisli (Krnel, 1993).

O opazovanju govorimo, kadar se osredotočamo na sposobnosti vezave in zbiranja podatkov.

Pomembno je, da si pri opazovanju že v naprej postavimo namen opazovanja oziroma cilj.

Opazovanje v naravoslovju se razlikuje od slučajnega opazovanja, saj se loči po namenu in vsebini opazovanega. Prav tako je opazovanje v naravoslovju vodeno s strani odrasle osebe, ki otroku postavlja produktivna in odprta vprašanja.

K opazovanju štejemo naslednje dejavnosti:

- ugotavljanje enakosti, - ugotavljanje raznolikosti, - opredelitev spremenljivke, - spremljanje spremenljivke,

- delo z več spremenljivkami (Krnel, 1993).

Razvijanje in testiranje zamisli se nanaša predvsem na obdelavo podatkov. Faze si sledijo po vrsti in v skladu s potekom dela. K razvijanju in testiranju zamisli štejemo naslednje dejavnosti (Krnel, 1993):

- postavljanje hipotez, - načrtovanje poskusa, - napoved izida poskusa, - razlago rezultatov,

- posploševanje, iskanje zakonitosti, - sporočanje.

Poučevanje naravoslovja je aktiven učni proces, zato se naj uporabljajo metode, ki bodo to tudi spodbudile. Spodbujati je potrebno metode, ki bodo pri učencih spodbudile višje kognitivne sposobnosti, in sicer samostojno odkrivanje podatkov, analizo, sintezo in vrednotenje znanja (Janežič, Vrtačnik, 2011).

10 2.8 Laboratorijsko – eksperimentalna metoda

Ta metoda dela omogoča, da je učenec intenzivno miselno, ustvarjalno in čustveno vključen v proces dela. Laboratorijsko–eksperimentalna metoda je zelo uporabna pri naravoslovnih predmetih, kjer je potrebno izvajanje laboratorijskih vaj in eksperimentalnega dela. Za izvajanje te metode sta potrebna delovni prostor in aktivnost otrok (Tomić, 2000).

Laboratorijsko delo omogoča učitelju stopnjo visoke individualizacije in prispeva k boljšemu razumevanju snovi. Pri pouku eksperiment služi kot vizualizacijsko sredstvo, ki pripomore k boljšem razumevanju abstraktnih oziroma težje razumljivih pojmov (Šorgo, 2004). Prav tako pri učencih spodbuja radovednost in služi kot sredstvo za motivacijo (Strmčnik, 2001).

Abstraktni pojmi se obravnavajo na teoretičnem nivoju, eksperimentalno delo pa je le nadgradnja za boljše razumevanje le-teh (Šorgo, 2014). Redkokatera učna metoda poleg eksperimentalnega dela omogoča izvedbo tolikšnih ciljev in s tem razvijanje znanj. S tem načinom dela so učenci kinestetično veliko aktivnejši kot pri samem opazovanju (Strmčnik, 2001). Splošne cilje, zapisane v učnih načrtih za Naravoslovje v osnovni šoli, ni mogoče doseči brez eksperimentalno-raziskovalnega dela, ki temelji na problemskem pristopu (Šorgo, 2014).

Kritika laboratorijskega dela je, da učitelj učencem v primerjavi s frontalno metodo ali ostalimi metodami dela, ne more podati enakih količin informacij (Šorgo, 2014).

2.9 Računalniško podprto učenje

Danes se zavedamo, da so računalniki postali del našega življenja. Učitelj je vse pogosteje del vsakodnevnih situacij, v katere je potrebno smiselno vključiti vsebine strokovnega predmeta, didaktične vsebine, tehnologije in materialno tehnične izbrane metode. Poseben pomen za naravoslovne predmete ima eksperimentalno in laboratorijsko delo, medtem ko so druge metode poučevanja skupne vsem predmetom. Računalniško podprto laboratorijsko in eksperimentalno delo lahko izboljša kvaliteto pouka, tako da učenci osvojijo čim več novega znanja, spretnosti in pridobijo pozitiven odnos do dela. Računalniško podprt eksperiment omogoča prikaz podatkov, informacij ali procesov na način, ki ga z drugimi metodami dela prikažemo s težavo ali pa je njegov prikaz nemogoč (Šorgo, 2004).

2.9.1 Merilni sistem Vernier

Merilni sistem Vernier LabQuest 2 je samostojen računalniški vmesnik. Zgleda kot manjši tablični računalnik, ki je uporaben za zbiranje podatkov. Na vmesnik so že predhodno, s strani proizvajalca, naložene aplikacije za izris in analizo grafov. Zaslon, ki je občutljiv na dotik,

11

omogoča enostavno pregledovanje, spreminjanje in analiziranje podatkov. Preko senzorjev, ki jih izberemo glede na eksperiment in jih povežemo z merilnim sistemom, pridobimo podatke.

Pridobljene podatke lahko z merilnega sistema LabQuest 2 prenesemo v računalniški program Logger Pro (Vernier, 2016).

V osnovnih šolah, srednjih šolah in tudi drugje je uporaba merilnega sistema Vernier koristna.

Njegova prednost se kaže predvsem pri naravoslovnih predmetih, pri katerih se kar nekaj ur nameni eksperimentalnemu delu (Šorgo, 2004)

Slika 4 Merilni sistem Vernier - LabQuest in senzorji

12 3 EMPIRIČNI DEL

3.1 Opredelitev raziskovalnega problema in namen raziskave

Raziskovalni problem pri diplomskem delu je razviti poskus za ponazoritev procesov fotosinteze in ga smiselno vključiti v učni načrt za predmet Naravoslovje v 6. razredu osnovne šole.

S tem želimo učencem približati eksperimentalno in raziskovalno delo s pomočjo sodobnih računalniških pripomočkov in programov pri pouku naravoslovja in biologije ter obravnavati fotosintezo, ki velja za eno izmed zahtevnejših bioloških vsebin v osnovni šoli. Prav tako je namen izdelati kvalitetno učno gradivo, ki bi omogočilo poglobljeno razumevanje, aktivno sodelovanje in lastno izvedbo poskusa.

3.2 Cilji in hipoteze

V diplomski nalogi želimo izdelati didaktično gradivo za učitelje in učence za eksperimentalno delo oziroma projektno delo na temo fotosinteze ter ob tem ponuditi učiteljem in učencem idejo za uporabo računalniško podprtih merilnih naprav, kot je Vernier.

Hipoteze:

- Poskus je načrtovan tako, da zaznamo dnevno–nočne spremembe v vsebnosti kisika in ogljikovega dioksida v komori, kjer gojimo rastlino.

- Poskus omogoča izvajanje praktičnega pouka po ciljih učnega načrta za Naravoslovje v 6. razredu osnovne šole, za vsebine, povezane s procesi fotosinteze.

3.3 Metoda dela

Raziskava je zasnovana kot eksperiment. Izvedli smo ga v komori, v katero smo dali sobno rastlino, ki ima veliko listno površino. Uporabili smo baziliko (Ocimum basilicum). Poleg rastline smo v komoro namestili različne merilnike tako, da smo merili koncentracijo kisika in ogljikovega dioksida, relativno vlažnost zraka, temperaturo in osvetljenost. Merilniki so sproti merili in beležili podatke. Merili smo izmenjavo dnevno nočnega ritma vsebnosti kisika in ogljikovega dioksida v zraku komore in tako prikazali proces fotosinteze. Eksperiment je v zaprti komori potekal 48 ur.

Rastlino, ki je bila v komori, smo spremljali s pomočjo tipal, ki so bila priklopljena na napravo Vernier, LabQuest2. Na tej napravi smo nastavili trajanje merjenja in kako pogosto tipala zajemajo podatke (časovni interval). Na tej napravi se nam je na ekranu izrisoval graf, tako da

13

smo lahko podrobneje spremljali poskus. Za izvedbo eksperimenta smo potrebovali programsko opremo, ki je kompatibilna z Vernierjevimi vmesniki oziroma merilniki. Uporabili smo program LoggerPro, ki je za uporabo enostaven in podatke izpisuje tako tabelarično kot tudi grafično. Podatke smo nato prenesli v program Exel, kjer smo izrisali grafe in jih obdelali.

3.3.1 Material Uporabili smo:

 merilni sistem Vernier,

 merilno komoro,

 rastlino (baziliko),

 senzor za merjenje vlage tal,

 senzor za merjenje relativne vlažnosti zraka,

 senzor za merjenje ogljikovega dioksida,

 senzor za merjenje kisika in

 senzor za osvetljenost. Slika 5 Notranjost komore

Slika 6 Senzorji povezani z računalniškim vmesnikom (LabQuest)

14 4 REZULTATI IN INTERPRETACIJA Izvedli smo dve meritvi.

Prvo meritev smo izvedli 10. 5. 2016. Serijo meritev smo 50 ur izvajali s pomočjo merilnih senzorjev, ki so merili svetlobo, koncentracijo kisika in koncentracijo ogljikovega dioksida.

Poskus smo izvedli tako, da smo sadiko bazilike dali v komoro, ki smo jo izdelali sami. V komori smo v desni kot postavili večjo petrijevko, ki smo jo napolnili s silikagelom. Silikagel je služil kot sredstvo, ki nase veže vlago. Tako rastlina ni ovenela zaradi prevelike vlage v ozračju. V komoro smo namestili tudi ventilator, ki je mešal ozračje. Ko smo rastlino, silikagel in ventilator nastavili v komoro, smo komoro zaprli in namestili senzorje, ki smo jih priklopili na napravo LabQuest in svetilko. Svetilka je bila priklopljena na časovnik (timer), ki je reguliral dnevno-nočni ritem. Časovnik smo nastavili na 12 ur svetlobe in 12 ur teme. Naprava LabQuest je 50 ur zapisovala vse meritve, tako da smo izmerili dva polna cikla dnevno–nočnega ritma rastline. Na zaslonu se je sproti risal graf, tako da smo lahko sproti spremljali rezultate.

4.1 Meritev 1

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 19 19,2 19,4 19,6 19,8 20 20,2 20,4

0 10 20 30 40 50 60

delež kisika [%]

čas [h]

Povišana koncentracija

kisika

Dan Noč

Noč

Povišana koncentracija

kisika

Dan

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.

0 200 400 600 800 1000 1200

0 10 20 30 40 50 60

čas [h]

osvetljenost[lux]

CO2[ppm]

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 18,4 18,5 18,6 18,7 18,8 18,9 19

0 10 20 30 40 50 60

delež kisika [%]

čas[h]

Povišana koncentracija

kisika Noč

Dan Povišana koncentracija

kisika

Noč

Dan

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 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 10 20 30 40 50 60

čas [h]

T[°C]

rel vl zraka[%]

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,

- skrb za šolski inventar.

Načrtovanje in izvedba

0 1

2 3 4 5 6

- 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

0 1 2 3 4 5 6

- 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 (oštevilčenost strani, ustrezno

oblikovano kazalo, ustrezno oblikovani naslovi in podnaslovi, konsistentno navajanje uporabljene literature, ustrezna velikost črk …).

- 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 učiteljem/tlemi …

Zagovor dela

0 1 2 3

- 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

Svetlobo

Fotosinteza

Kloroplaste Klorofil

Co2 Voda

Sladkor Rastline

O2

Živali

Celično dihanje Mitohondrije imajo

V njih poteka za

in

V njih poteka nastaja

Porablja se Potrebujejo

in

nastaja

imajo

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.

Našo prvo hipotezo lahko potrdimo. Poskus je načrtovan tako, da zaznamo dnevno–nočne spremembe v vsebnosti kisika in ogljikovega dioksida v komori, kjer gojimo rastlino. Po pregledu dobljenih rezultatov in izrisu grafov lahko rečemo, da je mogoče opaziti, kako se koncentracija ogljikovega dioksida in koncentracija kisika čez dan in ponoči spreminjata.

Tekom dneva, ko je bila rastlina osvetljena, kar je predstavljalo dnevni ritem rastline, se je koncentracija ogljikovega dioksida zmanjševala, medtem ko je koncentracija kisika naraščala.

Lahko potrdimo, da je bila čez dan rastlina fotosintetsko aktivna s pomočjo svetlobe. Rezultati so ravno obratno pokazali ponoči, ko se je koncentracija kisika zmanjševala, naraščala pa je koncentracija ogljikovega dioksida, kar pomeni, da rastlina ni bila fotosintetsko aktivna, je pa celično dihala. Tekom dneva rastlina vrši proces fotosinteze s pomočjo svetlobe in ogljikovega dioksida - tako podnevi kot tudi ponoči celično diha.

Poskus omogoča izvajanje praktičnega pouka po ciljih učnega načrta za predmet Naravoslovje v 6. razredu osnovne šole, za vsebine, povezane s procesi fotosinteze. Prav tako lahko potrdimo našo drugo hipotezo, saj smo poskus smiselno umestili v učni načrt. Tako se lahko obravnavajo cilji, povezani s procesom fotosinteze. Aktivno delo učencev lahko izboljša samo razumevanje procesa fotosinteze in naučijo se uporabljati računalniško podprt sistem merjenja in izvajanja eksperimenta.

31 6 LITERATURA

Anderson, C. W., Sheldon, T. H., Dubay, J. (1990). The effects of instruction on college nonmajors' conceptions of respiration and photosynthesis. Journal Of Research In Science Teaching, 27(8), 761.

Bačič, T., Vilfan, M., Strgulc Krajšek, S., Dolenc Koce, J., Krajšek V. (2011). Spoznavamo naravo 6. Učbenik za naravoslovje v 6. razredu osnovne šole. Ljubljana: Tinka Bačič.

Dermastia, M. (2007). Pogled v rastline. Ljubljana: Nacionalni inštitut za biologijo.

Ivanuš Grmek, M., Javornik Kerčič, M. (2011). Osnove didaktike. Maribor: Pedagoška fakulteta.

Hopkins, W. G., Hüner, N. A. (2009). Introduction to plant physiology. Hoboken : John Wiley

& Sons, cop. 2009.

Janežič, L., Vrtačnik, M. (2011). Izkustven način, da ali ne? V. Grubelnik (Ur.), Strategije poučevanja za razvoj naravoslovnih kompetenc (str. 57-64). Maribor: Univerza v Mariboru, Fakulteta za naravoslovje in matematiko.

Kosobryukhov, A. A. (2009). Activity of the Photosynthetic Apparatus at Periodic Elevation of CO2 Concentration. Russian Journal of Plant Physiology, 56(1), 6–13.

Pridobljeno s http://eds.a.ebscohost.com.nukweb.nuk.uni- lj.si/eds/pdfviewer/pdfviewer?sid=51889043-682a-44c3-a048- becec0ec77e6%40sessionmgr4001&vid=5&hid=4205

Krnel, D. (1993). Zgodnje učenje naravoslovja. Ljubljana: DZS.

Program osnovna šola. Biologija. Učni načrt. (2011). Ljubljana : Ministrstvo za šolstvo in šport : Zavod RS za šolstvo, 2011. Pridobljeno s

http://www.mizs.gov.si/fileadmin/mizs.gov.si/pageuploads/podrocje/os/prenovljeni_UN/UN_

Biologija.pdf

Program osnovna šola. Naravoslovje. Učni načrt. (2011). Ljubljana: Ministrstvo za šolstvo in šport : Zavod RS za šolstvo, 2011. Pridobljeno s

http://www.mizs.gov.si/fileadmin/mizs.gov.si/pageuploads/podrocje/os/prenovljeni_UN/UN_

naravoslovje.pdf

32

Rode, S. in Skribe Dimec, D. (2012). Pojmovanje fotosinteze. Naravoslovna solnica, 16(3), 4- 7.

Slovar Slovenskega knjižnega jezika (1994). Ljubljana: Državna založba Slovenije.

Strgar, J. (2002). Biologija. Tematski leksikon. Tržič: Učila International.

Strmčnik, F. (2001). Didaktika – osrednje teoretične teme. Ljubljana: Znanstveni inštitut Filozofske fakultete.

Šorgo, A.(2004). Računalniško podprt laboratorij pri pouku biologije v programu gimnazije (Magistrska naloga). Biotehniška fakulteta, Ljubljana.

Tarman, K. (1992). Osnove ekologije in ekologija živali. Ljubljana: Državna založba Slovenije.

Tome, D. (2006). Ekologija: Organizmi v prostoru in času. Ljubljana: Tehniška založba Slovenije, d.d.

Tomič, A. (2000). Izbrana poglavja iz didaktike. Ljubljana: Center za pedagoško izobraževanje Filozofske fakultete.

Vernier. (2016). Pridobljeno s http://www.vernier.com/products/interfaces/labq2/

Verčkovnik, T.(2000). Biologija v prenovljeni šoli. Acta Biologica Slovenica. 43(3), 21-32.

Vodnik, D. (2012). Osnove fiziologije rastlin. Ljubljana: Oddelek za agronomijo, Biotehniška založba.