“環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案

韓子煜+朱利川

摘 要 從實(shí)際教學(xué)中可操作性的角度，通過對(duì)人教版高中生物教材《必修1·分子與細(xì)胞》第五章第四節(jié)“環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”實(shí)驗(yàn)中光源、光照強(qiáng)度、CO2來源及濃度等相關(guān)變量進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，確定了合適的操作方法即變量范圍，并給出兩套推薦實(shí)驗(yàn)方案，方便在冬季條件下課堂教學(xué)中的演示和學(xué)生自主探究的進(jìn)行。

關(guān)鍵詞 光合作用 探究實(shí)驗(yàn) 圓葉片上浮法 光照強(qiáng)度 CO2濃度

中圖分類號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

研究影響光合作用的環(huán)境因素是《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》（以下簡稱“課標(biāo)”）“細(xì)胞代謝”中的一項(xiàng)重要知識(shí)點(diǎn)，在高考《考試說明》中列為“II級(jí)”要求。不管是從“課標(biāo)”的角度還是從“考試說明”的角度去觀察，該知識(shí)點(diǎn)都應(yīng)是教學(xué)的重點(diǎn)?？v觀以往的教學(xué)，多以分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案為主要抓手，少有動(dòng)手操作的環(huán)節(jié)。這樣學(xué)生就缺失了“身臨其境”的感性體驗(yàn)，教材中相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作表述模糊。

“環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”實(shí)驗(yàn)是人教版高中生物教材《必修1·分子與細(xì)胞》第五章第四節(jié)的一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)利用圓葉片上浮法將光合作用這一不可見的過程直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前，幫助學(xué)生分析光合作用的影響因素，同時(shí)深化對(duì)光合作用這一重要的生物學(xué)概念的理解和掌握。教材中提供了“探究光照強(qiáng)度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”這一參考案例，在實(shí)驗(yàn)材料和方法步驟上只給予了部分的提示，而且按常規(guī)教學(xué)進(jìn)度，本實(shí)驗(yàn)一般會(huì)在冬季進(jìn)行?？紤]到氣溫較低的因素，在某些影響因素不確定的條件下實(shí)驗(yàn)很難在一堂課時(shí)間內(nèi)完成，因而實(shí)際教學(xué)操作中存在實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和操作優(yōu)化的空間。

筆者通過多組對(duì)照實(shí)驗(yàn)的預(yù)實(shí)驗(yàn)，分別從注射器、葉片直徑、光源、光照強(qiáng)度、CO2來源及濃度等方面對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整，綜合多種因素后，將教材實(shí)驗(yàn)方案改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)效果明顯，且操作時(shí)間短，有利于在短時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)，有利于在實(shí)際教學(xué)中操作實(shí)施，為教師實(shí)驗(yàn)演示和學(xué)生自主探究提供了便利。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

在超市選購新鮮菠菜葉為實(shí)驗(yàn)材料，菠菜為冬季時(shí)令蔬菜，各地在冬季均容易獲取。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

小臺(tái)燈，5 W的LED節(jié)能燈泡，60 W普通白熾燈泡，打孔器（直徑分別為0.8 cm、0.6 cm、0.4 cm）的20 mL一次性塑料注射器、20 mL玻璃注射器、凡士林、吸管、計(jì)時(shí)器、卷尺、溫度計(jì)、光強(qiáng)傳感器，500 mL大燒杯、80 mL小燒杯若干、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaHCO3溶液，清水。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

用打孔器制備直徑分別為0.8 cm、0.6 cm、0.4 cm的菠菜圓葉片若干，制備時(shí)盡量避開大葉脈。

對(duì)葉片抽氣時(shí)，將圓葉片置于注射器內(nèi)，注射器吸入清水10 mL，推動(dòng)注射器排出殘留的空氣。用手指堵住注射器前端的小孔并向后拉動(dòng)推桿至20 mL刻度，保持約5 s，使葉圓片內(nèi)的氣體逸出。

將抽氣后圓葉片的置于清水中備用，并覆蓋遮光布。

1.3.1 注射器的選擇

取相同直徑的菠菜圓葉片30枚，均分為3組浸泡于清水中，分別選用20 mL一次性塑料注射器、20 mL玻璃注射器以及20 mL玻璃注射器推桿涂抹凡士林對(duì)三組圓葉片進(jìn)行抽氣處理，觀察比較葉片下沉效果。

1.3.2 葉片直徑大小的選擇

選取抽氣處理后的直徑為0.8、0.6、0.4 cm的菠菜圓葉片各20枚，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaHCO3母液按體積比2∶8加水稀釋。相同直徑圓葉片每10枚一組浸泡于80 mL稀釋后的NaHCO3溶液中。將盛有不同直徑葉片的小燒杯兩兩組合分別放置在與同一光源水平距離為10、20、30 cm處，觀察各燒杯中葉片上浮的快慢。

1.3.3 光源的選擇

使用同一臺(tái)小臺(tái)燈，先后使用5W的LED節(jié)能燈泡和60W普通白熾燈泡作為光源。將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaHCO3母液按體積比2∶8加水稀釋。選取抽氣處理后的直徑為0.4 cm的菠菜圓葉片，每組10枚浸泡于6個(gè)均盛有80 mL稀釋后的NaHCO3溶液的小燒杯中，按表1.1處理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量各燒杯中溶液溫度變化。

1.3.4 光照強(qiáng)度的選擇

將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaHCO3母液按體積比2∶8加水稀釋。取9個(gè)小燒杯向其中分別注入80 mL稀釋后的NaHCO3溶液，選取抽氣處理后的直徑為0.4 cm的菠菜圓葉片，每個(gè)燒杯中浸泡10枚。以5W的LED節(jié)能燈泡作為光源，在與光源水平距離為10、20、30 cm處分別放置3個(gè)上述小燒杯，用光強(qiáng)傳感器測(cè)量3種距離下的光照強(qiáng)度，觀察并記錄葉片上浮時(shí)間。

1.3.5 CO2來源及濃度的選擇

實(shí)驗(yàn)1：選取抽氣處理后的直徑為0.4 cm的菠菜圓葉片，每組10枚分別浸泡于5個(gè)盛有80 mL清水小燒杯中，以5W的LED節(jié)能燈泡作為光源，小燒杯與光源水平距離15 cm，通過吸管分別向5只燒杯中均勻緩慢吹氣0、1、3、5、7次，每次時(shí)間相同，記錄第一片圓葉片上浮時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)2：配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaHCO3溶液作為母液，按表2進(jìn)行稀釋后，每組各取80 mL置于小燒杯中，將抽氣處理后的直徑為0.4 cm的菠菜圓葉片10枚一組浸泡在上述溶液中。以5W的LED節(jié)能燈泡作為光源，在溶液溫度14℃、與光源水平距離20 cm條件下，觀察并記錄圓葉片上浮情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 注射器的選擇

注射器在實(shí)驗(yàn)中用于抽氣，目的是將菠菜圓葉片中的氣體抽出，使葉片下沉，從而通過觀察葉片的上浮快慢判斷光合作用的強(qiáng)度大小。因此所選用的注射器應(yīng)有良好的氣密性才能使得圓葉片迅速下沉以方便實(shí)驗(yàn)。在使用玻璃注射器時(shí)，由于其氣密性略差，需要在其推桿上涂抹適量凡士林以達(dá)到較好的抽氣效果，而塑料注射器則不存在這一問題，直接使用就能達(dá)到理想效果。另外，玻璃制品在學(xué)生使用過程中也存在一定的使用風(fēng)險(xiǎn)，因此選用塑料注射器較為方便。

2.2 葉片直徑大小的選擇

在與光源水平距離相同的條件下，即同一光照強(qiáng)度下，直徑為0.4 cm的圓葉片上浮速度均快于直徑為0.8 cm和0.6 cm的圓葉片，故直徑為0.4 cm的圓葉片為理想的實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

2.3 光源的選擇

普通燈泡組三個(gè)不同距離下燒杯中的溶液溫差為1～2℃，而LED燈泡組的溫差為0.1～0.3℃，且兩個(gè)燈泡組中圓葉片上浮情況良好，因此用LED節(jié)能燈泡既能達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果，又能減少溫度差異對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾。

2.4 光照強(qiáng)度的選擇

從表3中可以看出，三種光照強(qiáng)度下，距離30 cm的實(shí)驗(yàn)組12 min內(nèi)圓葉片并未出現(xiàn)上浮；距離20 cm組有部分葉片上浮，但是12 min內(nèi)圓葉片上浮不完全；而距離10 cm組圓葉片上浮情況良好，在12 min內(nèi)所有圓葉片均上浮。相比之下，距離光源越近，實(shí)驗(yàn)效果越明顯。

2.5 CO2來源及濃度的選擇

實(shí)驗(yàn)1：在5個(gè)采用吹氣法提供CO2的小燒杯中，10 min內(nèi)均未出現(xiàn)圓葉片上浮現(xiàn)象，第一片葉上浮時(shí)間過長。其原因可能是CO2在水中溶解度較低，通過吹氣的方法，很難使其溶于清水中，因此溶液CO2濃度較低，進(jìn)而導(dǎo)致光合作用強(qiáng)度較低，圓葉片難以上浮，實(shí)驗(yàn)效果不理想。另外，采用吹氣法輸入CO2存在個(gè)體差異，不同操作者吹氣速率不同，使得CO2濃度大小難以控制。因此采用吹氣法并不適合本實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)2：表4結(jié)果顯示，第6、7組NaHCO3溶液濃度較大時(shí)，葉片會(huì)直接上浮，不利于實(shí)驗(yàn)的觀察；第1、2組NaHCO3溶液濃度較低時(shí)，葉片上浮較慢，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，將導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間較長；第4、5組NaHCO3溶液濃度較為合適，且全部葉片上浮耗時(shí)約11 min。因此在實(shí)際教學(xué)過程中，選擇第4、5組所對(duì)應(yīng)的NaHCO3溶液濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)較為合適，即NaHCO3溶液濃度應(yīng)選擇用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的母液按體積比為1∶9～2∶8范圍內(nèi)進(jìn)行梯度稀釋進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3 結(jié)論

根據(jù)以上影響因素的對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為保證在一個(gè)課時(shí)內(nèi)順利完成教材中的實(shí)驗(yàn)，將各影響因素控制在合適范圍內(nèi)，綜合分析得出以下兩個(gè)推薦實(shí)驗(yàn)方案。

3.1 探究光照強(qiáng)弱對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響

材料用具：直徑0.4 cm的打孔器，20 mL塑料注射器，臺(tái)燈和5W的LED節(jié)能燈泡，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaHCO3 溶液作為母液，80 mL的小燒杯，新鮮菠菜葉片。

方法步驟：

（1） 按前文所述實(shí)驗(yàn)方法制備菠菜圓葉片若干，抽氣后備用。將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaHCO3母液按體積比2∶8加水稀釋備用。

（2） 取3只小燒杯，分別倒入等量稀釋后的NaHCO3溶液80 mL。并分別向3只燒杯中各放入10枚葉圓片。觀察葉圓片均沉入燒杯底部。

（3） 將3只燒杯分別放在與臺(tái)燈水平距離10、20、30 cm處，打開臺(tái)燈。根據(jù)所在學(xué)校實(shí)驗(yàn)條件，可用光照強(qiáng)度傳感器測(cè)定并記錄三只燒杯所在位置的光照強(qiáng)度。

（4） 連續(xù)觀察并記錄3只燒杯中葉圓片依次上浮的時(shí)間，或相同時(shí)間內(nèi)各燒杯中上浮葉圓片的數(shù)量。統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

3.2 探究不同濃度NaHCO3溶液（即CO2濃度）對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響

材料用具：

直徑0.4 cm的打孔器，20 mL塑料注射器，臺(tái)燈和5W的LED燈泡，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaHCO3溶液作為母液，80ml的小燒杯，新鮮菠菜葉片。

方法步驟：

（1） 按前文所述實(shí)驗(yàn)方法制備菠菜圓葉片若干，抽氣后備用。

（2） 配制不同濃度的NaHCO3溶液：分別按表5對(duì)應(yīng)比例對(duì)NaHCO3溶液母液進(jìn)行梯度稀釋，清水組作為對(duì)照組。

（3） 將燒杯編號(hào)，并分別倒入清水、稀釋（或配制）的不同濃度的NaHCO3溶液80 mL。每只燒杯中放入10枚圓葉片。觀察葉圓片均沉入燒杯底部。

（4） 將燒杯放置在與臺(tái)燈水平距離10 或20 cm處等距離處（若室溫較低建議選擇10 cm），打開臺(tái)燈。

（5） 連續(xù)觀察并記錄各燒杯中圓葉片依次上浮的時(shí)間，或相同時(shí)間內(nèi)各燒杯中上浮葉圓片的數(shù)量。統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

按上述推薦方法進(jìn)行操作，能夠使得在冬季氣溫較低條件下，短時(shí)間內(nèi)完成本實(shí)驗(yàn)，使得在課堂教學(xué)演示及學(xué)生自主探究活動(dòng)中本實(shí)驗(yàn)?zāi)茼樌麑?shí)施。

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