“環(huán)境因素對光合作用的影響”實驗的改進及拓展

梁 茜 李恩源

（江蘇省溧水高級中學 江蘇南京 211200）

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》提出在開展模塊1 分子與細胞的教學時，應引導學生掌握“細胞的功能絕大多數(shù)基于化學反應，這些反應發(fā)生在細胞的特定區(qū)域”這一重要概念[1]。為了幫助學生達成對這一概念的理解，開展“探究環(huán)境因素對光合作用的影響”的實驗。該實驗是人教版生物學必修1《分子與細胞》第5 章第4 節(jié)“光合作用與能量轉(zhuǎn)化”的探究性實驗。實驗探究了光合作用的原料、能量等因素對光合作用強度的影響，學生在設(shè)計實驗及操作實驗的過程中加深了對重要概念的理解并培養(yǎng)了科學探究精神，且能指導學生進行家庭綠植養(yǎng)護等活動，具有現(xiàn)實意義。

1 實驗分析

教材提供了一個實驗案例，實驗的自變量是光照強弱，因變量是光合作用強度，通過燒杯中葉圓片上浮的時間反映因變量。案例中提供的光源是5 W 的LED 臺燈（可用吉海仕牌智能全彩LED 射燈，1 600 萬色，無極調(diào)色），通過設(shè)置光源與燒杯的距離控制光照強度。該實驗在教學實踐過程中發(fā)現(xiàn)以下問題：①光源從側(cè)面照射燒杯，導致葉圓片受光照不均勻；②此裝置能探究的自變量因素較少。

教材的安排兼顧了不同教育條件下學生的實際情況，提供一種實驗案例作為參考。教師在開展實驗的過程中可根據(jù)學生學情，結(jié)合傳感器和信息技術(shù)軟件做到精確控制變量[2]。

2 實驗改進

2.1 實驗裝置的改進 改進實驗裝置如圖1所示，將智能LED 射燈作為光源，使用透明亞克力玻璃板做成罩子罩住射燈，實驗時將燒杯直接置于LED 射燈上方。通過手機應用程序“智能生活”（開發(fā)者：杭州愛相集科技有限公司，各應用商店可下載）遙控LED 的亮度及光質(zhì)。此裝置的優(yōu)點包括：①LED 射燈是冷光源，可減少溫度對實驗的影響；②該射燈可通過軟件實現(xiàn)精準調(diào)節(jié)光照強度、精確改變光質(zhì)（波長）等，并可借助光子照度計對光照強度進行測量，做到精確控制實驗的自變量；③盛有葉圓片的燒杯直接置于光源正上方，保證葉圓片受光均勻。④手機應用程序中設(shè)定好實驗條件，可遠程控制多個裝置同時進行實驗，提高實驗效率并減少無關(guān)變量的干擾。

圖1 實驗裝置圖

2.2 其他細節(jié)的改進

1）制備葉圓片。用手握式打孔器進行打孔，可提高獲取葉圓片的速度且形狀規(guī)則。每組實驗的葉原片取自同一株菠菜生理狀況相同的葉片。

2）葉圓片抽真空。用橡皮替代手指堵住注射器前端，然后抽真空，操作方便且省力。

3 利用改進裝置探究光照強度對光合作用強度的影響

每組取10 個已抽真空排除氧氣的直徑0.6 cm葉圓片，分別置于盛有質(zhì)量濃度為1.0%的NaHCO3溶液的燒杯甲、乙、丙、丁中。再將燒杯置于自制實驗裝置上，接通電源，通過應用程序“智能生活”中設(shè)置強度分別為200 μmol/（m2·s）、400 μmol/（m2·s）、800 μmol/（m2·s）、1 000 μmol/（m2·s）的4 種光源進行實驗。記錄每個葉圓片上浮的時間并計算10 片葉片上浮所用時間的平均值（表1）。實驗數(shù)據(jù)表明，改進后的裝置能良好地區(qū)分出不同光照強度下葉片上浮時間（圖2）。

表1 不同光照強度下葉圓片上浮時間（單位：s）

圖2 不同光照強度下葉圓片上浮時間

利用此裝置還可組織學生對實驗數(shù)據(jù)進行討論：實驗結(jié)果顯示隨著光照強度的上升，葉片上浮時間縮短，光合作用強度是否會隨著光照強度的增加而不斷增強？學生可從植物細胞葉綠體的數(shù)量、植物在光照強烈的中午反而生長不好的生活經(jīng)驗等多角度對此問題進行分析。

4 利用改進裝置進行拓展實驗

4.1 探究不同NaHCO3濃度對光合作用強度的影響 配制質(zhì)量濃度分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的NaHCO3溶液，取200 mL 分別置于4 個燒杯中，并于每個燒杯中放入10 個沉水的葉圓片，同時置于裝置上方。通過應用程序控制保證光照強度［800 μmol/（m2·s）］和光質(zhì)（白光）相同，同時打開所有裝置的燈，記錄每個葉圓片上浮的時間并計算10 片葉片上浮所用時間的平均值（圖3）。應用程序能保證所有實驗同時進行，減少實驗誤差。

圖3 不同NaHCO3 濃度下葉圓片上浮時間

葉片可利用NaHCO3分解后產(chǎn)生的CO2進行光合作用，實驗結(jié)果顯示不同濃度的NaHCO3中葉片平均上浮時間有明顯區(qū)別，例如，當NaHCO3的濃度為2%時，10 片葉片上浮的平均時間為196.5 s，當NaHCO3濃度為1.5%時平均上浮時間為255.6 s，二者差距59.1 s。以上結(jié)果說明，本裝置能較好地區(qū)分不同濃度NaHCO3中葉片上浮時間。

4.2 探究不同光質(zhì)對光合作用強度的影響 控制光質(zhì)的傳統(tǒng)方式是利用具有顏色的物質(zhì)過濾白光[3]。智能LED 燈能精確控制光質(zhì)，根據(jù)實驗需求可設(shè)置白光、紅光、藍光、綠光等不同光質(zhì)的光。裝置采用的LED 燈藍光和綠光最大的光強不超過250 μmol/（m2·s），因此，開展實驗時利用光子照度計對光照強度進行測量，將不同光質(zhì)的光照強度調(diào)至200 μmol/（m2·s）。將葉片置于濃度為2.0% NaHCO3溶液的燒杯中，記錄每個葉圓片上浮的時間，并計算10 片葉片上浮所用時間的平均值（圖4）。

圖4 不同光質(zhì)下葉圓片上浮時間

圖中數(shù)據(jù)顯示，光照強度為200 μmol/（m2·s）時，紅光、藍光照射時，葉圓片上浮較快，其次是白光，綠光最慢。

4.3 探究不同顏色薄膜對光合作用強度影響實驗 有學生觀察到，在冬季農(nóng)作物生產(chǎn)中，溫室大棚常選用透明塑料或玻璃作棚頂。其提出問題，為什么不能選用其他顏色材料制作大棚？可用此裝置對該問題進行探究：用透明塑料袋和紅色塑料袋模擬溫室薄膜，將塑料袋罩住玻璃板。2 個裝置設(shè)置光照強度1 400 μmol/（m2·s）、質(zhì)量濃度為1.0%的NaHCO3。開展實驗，記錄每個葉圓片上浮的時間，并計算10 片葉片上浮所用時間的平均值（圖5）。

圖5 不同薄膜下葉圓片上浮時間

實驗顯示，在同等光照強度的情況下，透明薄膜組葉圓片平均上浮時間較紅色薄膜少。結(jié)果表明，自然光穿過紅薄膜時只有紅光穿過，其他光被薄膜吸收不能被植物進行光合作用利用。相同光照強度的自然光穿過透明薄膜的有效光子量更多，植物可利用的光能更多。

5 總結(jié)

本實驗對原教材的裝置進行了改進，結(jié)合信息技術(shù)軟件做到了精準控制光照強度等變量。實驗操作簡單，效果明顯。利用此裝置開展拓展實驗，有效激發(fā)了學生探索生物學奧秘的興趣。