初中光合作用系列實驗的再探索*

何 君 夏曙華 朱毅鴻

（1 福建省三明市第八中學(xué) 福建三明 365000 2 福建省三明市第四中學(xué) 福建三明 365001 3 福建省三明市三元區(qū)教師進修學(xué)校 福建三明 365001）

初中光合作用系列實驗是初中生物學(xué)教學(xué)的重、難點內(nèi)容之一，因取材困難、效果欠佳，實驗開設(shè)率低。筆者前期進行探索，發(fā)現(xiàn)了銅錢草（Hydrocotyle vulgaris）在光合作用系列實驗中的應(yīng)用[1]，但只有較嫩的銅錢草才易脫色，銅錢草雖比較容易培養(yǎng)，但冬季嫩葉較少，實驗取材仍然有局限性。筆者進一步探索，從實驗取材、實驗方法、實驗裝置等方面反復(fù)地嘗試，取得了良好的實驗效果。

1 實驗材料的選取

1.1 所選材料的效果 選用多種植物反復(fù)實驗，發(fā)現(xiàn)了很多冬季也容易獲得的植物，葉片雖?。ㄒ话忝娣e1～4 cm2）、薄，但光合效率較高，可用于初中光合作用系列實驗，例如，用薄荷（Mentha canadensis）、婆婆納（Veronica didyma）、紅花酢漿草（Oxalis corymbosaDC）、牛繁縷［Malachium aquaticum（L.）Fries.］、豬殃殃（Galium spuriumL.）、綠豆幼苗等完成實驗，效果顯著（表1）。表1中的實驗均在5～15℃下完成，適合冬季教學(xué)。收集到的氣體量為多次實驗的數(shù)據(jù)范圍。

1.2 實驗材料的準(zhǔn)備 薄荷易種植、繁殖迅速，可直接購買盆栽薄荷小苗（平葉薄荷更易脫色），也可將原來的盆栽剪去老枝，留3 cm 長的莖，20 d左右長出的幼苗用于實驗。婆婆納、紅花酢漿草、牛繁縷、豬殃殃均為多年生草本植物，山野路邊常見，在實驗前，將其連根挖起，土培或水培2～3 d 讓其恢復(fù)活性。綠豆易萌發(fā)，常用于“種子萌發(fā)的條件”的探究實驗，將萌發(fā)的綠豆繼續(xù)培養(yǎng)，2 周后綠豆幼苗用于光合作用實驗。這些植物取材容易，成本較低，不受季節(jié)限制。

表1 初中光合作用系列實驗的實驗效果

上述植物的莖一般細軟，水培可如圖1所示方法處理，將泡沫片剪成比瓶口略大，使之正好能卡住瓶口，將泡沫片中間刺一小孔，從邊緣剪一道縫到孔，將枝條的莖卡在孔中用于固定。

圖1 遮光處理的水培綠豆幼苗

2 實驗方法的改進

2.1 遮光 用烘烤用的厚質(zhì)鋁箔紙將葉片上、下兩面部分遮光，鋁箔紙邊緣折疊用于固定，注意鋁箔紙與葉片貼緊，避免漏光（圖1）。鋁箔紙輕薄且邊緣易折疊，無須用曲別針固定，從而避免了對葉片的損傷。

2.2 光照 1 盞150 W 的白熾燈（燈距15～25 cm，封閉的裝置選擇小的燈距）和1 盞30 W 的LED 燈（燈距5 cm）從兩側(cè)照射，從而既保證足夠的光照強度，又避免灼傷植物，特別是封閉的裝置中不會因水溫升得過高影響植物活性。光合作用系列實驗均可在室內(nèi)燈光照射下完成，不受天氣限制，根據(jù)所需可控制光照時間，能更好地安排教學(xué)[1]。

2.3 脫色 考慮安全性問題，很多教師會用電磁爐代替酒精燈隔水加熱，但很多植物脫色時間長，葉片變得脆而易碎，酒精量消耗大。而上述植物葉片易脫色且時間短（一般4～6 min），只需開水水浴加熱[2]，筆者采用圖2所示的方法，大燒杯（500 mL）盛放300 mL 開水，小燒杯（250 mL）盛放20 mL 酒精（酒精沒過葉片即可），用保鮮膜將小燒杯與大燒杯一起封口，用橡皮筋扎緊，拉緊保鮮膜邊緣，讓保鮮膜貼緊小燒杯口，使小燒杯放平且底部浸入開水中多一些。如此處理能有效防止小燒杯側(cè)翻，防止酒精過快揮發(fā)，且熱量不易散失，保證溫度足夠，縮短脫色時間。婆婆納、紅花酢漿草、豬殃殃用工業(yè)酒精脫色效果好，薄荷、牛繁縷、綠豆幼苗用清水25 mL 加75 mL 工業(yè)酒精或無水乙醇配制的酒精脫色較快。

圖2 脫色

不用酒精燈加熱而采用開水水浴的方法，降低了實驗危險性，無需教師集中水浴，可分組進行酒精脫色，學(xué)生能直接觀察到脫色過程中酒精變綠、葉片變黃白的現(xiàn)象，增加了實驗的積極性。

2.4 漂洗 有些植物葉片脫色后較軟，易重疊，不易展平?？蓪? 個一次性塑料碗套在一起，內(nèi)碗周邊挖若干小洞，加水使葉片漂浮就易展平，拎起內(nèi)碗，漏掉水即可，易于學(xué)生操作。

3 實驗裝置的創(chuàng)新

3.1 探究“二氧化碳是光合作用必需的原料”的裝置

3.1.1 前期研究 教參中建議的玻璃罩不容易找到，改用透明的塑料瓶（圖3），達到了較好的效果。但在實驗中發(fā)現(xiàn)，用于密封的凡士林在光照下易熔化而導(dǎo)致開蓋不便；加入濃度為25%的氫氧化鈉溶液的裝置中葉片常會干枯失活，影響實驗結(jié)果；而加清水的裝置中，葉片變藍現(xiàn)象不明顯，分析原因主要是封閉的裝置中二氧化碳不足導(dǎo)致光合作用較弱。

圖3 探究“二氧化碳是光合作用必需的原料”的裝置[1]

3.1.2 再探索

1）裝置改進：用廢棄透明飲料瓶（2 L）和保鮮膜制作可封閉的容器，將廢棄飲料瓶上端變細的部分剪去，上端開口外側(cè)貼一圈雙面膠，用保鮮膜封口、貼緊，這樣制作的裝置既隔絕空氣又透光。完成實驗后，撕去保鮮膜，即可取出植物，裝置重復(fù)使用時，只需再貼膠、封膜。此裝置取材容易，若多班級分組探究可節(jié)約成本。

2）實驗設(shè)計改進：按圖4所示處理，各大瓶中液體均為50 mL，3 個相同的小礦泉水瓶（380 mL）中清水等量，3 株同種植物的枝條要相近（各留4～5 片葉）。小瓶瓶口如圖1方式處理，避免了小瓶中水的蒸發(fā)而影響裝置中溶液濃度。溶液濃度和量的配比保證了實驗組1 裝置內(nèi)無二氧化碳且植物保持活性、實驗組2 裝置內(nèi)有充足的二氧化碳，所以實驗效果非常明顯（表1）。

圖4 探究“二氧化碳是光合作用必需的原料”實驗設(shè)計改進

3.2 檢驗“光合作用產(chǎn)生氧氣”的裝置

3.2.1 前期研究 用自制裝置替代教材中的裝置進行實驗，收集氧氣的時間明顯變短，檢測時操作較簡便，學(xué)生亦可完成[1]，但裝置制作還是較為繁瑣。

3.2.2 再探索

1）裝置改進：截取輸液器不帶針頭的一端膠管10 cm，包括閥門，將瓶蓋刺孔，貼上2 層雙面膠，以保證氣密性（圖5），將輸液器頂端的硬管插入孔中即可，注意將粘在管口的雙面膠去除。制作明顯更簡單，因膠管較短，會向上豎立，檢驗時無需用鐵架臺固定。1.25～2 L 廢棄的透明飲料瓶均可制作裝置，取材很容易。

圖5 組裝裝置瓶蓋的材料

還可對瓶身標(biāo)注刻度線（用于定量觀察），方法：齊瓶口螺紋底部縱向貼一條雙面膠，瓶身加滿水，利用注射器抽水，每抽去10 mL，用細記號筆在雙面膠面上劃一條線標(biāo)注，刻度線從20 mL開始標(biāo)注，一般標(biāo)注至100 mL。

若將膠管留長些，可制成收集“種子萌發(fā)產(chǎn)生的二氧化碳”的裝置（圖6），裝置可用于呼吸作用的實驗。

圖6 種子萌發(fā)釋放二氧化碳的裝置

2）實驗準(zhǔn)備：稱取新鮮綠豆50 g，裝入如圖6所示的裝置瓶（500 mL 左右）中，量取100 mL 清水浸泡綠豆種子，24 h 后旋緊瓶蓋，關(guān)閉閥門。封閉24 h 后可用于實驗，需準(zhǔn)備6 瓶。萌發(fā)的種子可用于下節(jié)課呼吸作用的實驗。

3）實驗過程：將3 個2 L 的裝置瓶分別標(biāo)注1、2、3 號，各加1.9 L 清水，利用圖6所示裝置向1、2 號瓶的水中各通入3 瓶二氧化碳，剪取薄荷帶較多葉片的莖段各10 g，分別裝入3 個瓶中，擠去多余空氣，擰緊閥門已關(guān)閉的瓶蓋（圖7）。將2號瓶包上鋁箔紙進行遮光處理。分別將3 個裝置瓶上下顛倒幾次，盡量保證葉片不重疊，然后平放，同時光照。為加大受光面積，可將白熾燈于頂部、LED 燈于側(cè)面進行照射。光照8 h，觀察現(xiàn)象：1 號裝置內(nèi)水位降至距瓶口70 mL 的刻度線，說明收集到氣體體積為70 mL，2 號裝置水位無下降，沒有產(chǎn)生氣體，3 號裝置內(nèi)水位略降，收集到較少氣體（圖8）。

圖7 光照前示意圖

圖8 光照后示意圖

4）結(jié)果分析：檢驗1 號裝置的氣體：一只手捏住瓶身（避免閥門打開時，因氣壓改變，氣體回流），另一只手開足閥門，迅速將帶火星的牙簽伸到膠管口，牙簽立刻燃燒，現(xiàn)象十分明顯（圖9），驗證了氣體是氧氣。若學(xué)生檢驗，建議2 人配合完成。牙簽用鐵絲繞幾圈接長，便于手握，增加安全性。要注意檢驗前不能過分晃動裝置瓶，原因是容易導(dǎo)致殘留在水中的二氧化碳逸出，而影響實驗結(jié)果。1 號與2 號進行對照，可證明綠色植物在光下進行光合作用產(chǎn)生氧氣。

圖9 檢驗氧氣

3 號裝置內(nèi)氣體少（7 mL），無法用燃燒法檢驗，可用注射器抽取氣體，通入少量澄清石灰水，石灰水不變渾濁，說明氣體不是二氧化碳。對照1 號、3 號裝置的現(xiàn)象，判斷3 號裝置內(nèi)的氣體是氧氣，因為清水中含有少量二氧化碳，可提供綠色植物在光下進行光合作用。二氧化碳多，產(chǎn)生的氧氣就多，加深了學(xué)生對“二氧化碳是光合作用的原料”的認識。

上述實驗還說明，用封閉的裝置進行實驗，要增加水中的二氧化碳含量以確保植物產(chǎn)生足夠的氧氣，才能達到檢驗?zāi)康?。筆者用文中所述植物進行多次相同實驗，1 號裝置瓶中均能收集到60 mL 以上的氣體（表1），檢驗極易成功。

3.2.3 裝置的拓展應(yīng)用 利用裝置可完成光合作用系列實驗，可設(shè)計一個對照實驗：2 個相同裝置加入等量清水，各加入0.5%溴麝香草酚藍（簡稱BTB）指示劑5 mL，搖勻，通入等量二氧化碳，液體會由藍變黃，放入相同植物（暗處理過）各5 g，其他處理同上。用鋁箔紙將其中一個裝置包裹，同時光照12 h（確保葉片中積累較多淀粉，現(xiàn)象更明顯）。但光照時間不宜過長，避免陸生植物在水中失活。實驗分析見表2。

表2 實驗分析

通過實驗整合，以實施“光合作用”主題單元教學(xué)，克服了教材中“實驗材料不統(tǒng)一、內(nèi)容處理碎片化”的弊端，有利于學(xué)生從整體上把握學(xué)科知識和思想方法。

實踐證明，將上述探索結(jié)果用于教學(xué)，因為實驗材料容易獲得且成本低，實驗裝置取材生活化且制作簡單，實驗過程省時且易操作，實驗效果顯著且成功率高，保證了學(xué)生能真正參與到實驗探究活動中。學(xué)生通過對實驗現(xiàn)象的觀察、分析和推理，能由直觀的事實歸納出光合作用的條件、原料、產(chǎn)物等，從而自主構(gòu)建光合作用這個重要概念，同時提高實踐能力、實驗探究能力，促進了生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。