“环境因素对光合作用强度的影响”实验改进方案

2017-03-20韩子煜朱利川

中学生物学 2017年2期

韩子煜+朱利川

摘要从实际教学中可操作性的角度，通过对人教版高中生物教材《必修1·分子与细胞》第五章第四节“环境因素对光合作用强度的影响”实验中光源、光照强度、CO2来源及浓度等相关变量进行对照实验，确定了合适的操作方法即变量范围，并给出两套推荐实验方案，方便在冬季条件下课堂教学中的演示和学生自主探究的进行。

关键词光合作用探究实验圆叶片上浮法光照强度 CO2浓度

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

研究影响光合作用的环境因素是《普通高中生物课程标准（实验）》（以下简称“课标”）“细胞代谢”中的一项重要知识点，在高考《考试说明》中列为“II级”要求。不管是从“课标”的角度还是从“考试说明”的角度去观察，该知识点都应是教学的重点。纵观以往的教学，多以分析实验数据、设计实验方案为主要抓手，少有动手操作的环节。这样学生就缺失了“身临其境”的感性体验，教材中相关实验操作表述模糊。

“环境因素对光合作用强度的影响”实验是人教版高中生物教材《必修1·分子与细胞》第五章第四节的一个探究实验，该实验利用圆叶片上浮法将光合作用这一不可见的过程直观地展现在学生面前，帮助学生分析光合作用的影响因素，同时深化对光合作用这一重要的生物学概念的理解和掌握。教材中提供了“探究光照强度对光合作用强度的影响”这一参考案例，在实验材料和方法步骤上只给予了部分的提示，而且按常规教学进度，本实验一般会在冬季进行。考虑到气温较低的因素，在某些影响因素不确定的条件下实验很难在一堂课时间内完成，因而实际教学操作中存在实验改进和操作优化的空间。

笔者通过多组对照实验的预实验，分别从注射器、叶片直径、光源、光照强度、CO2来源及浓度等方面对实验进行调整，综合多种因素后，将教材实验方案改进，实验效果明显，且操作时间短，有利于在短时间完成实验，有利于在实际教学中操作实施，为教师实验演示和学生自主探究提供了便利。

1 材料与方法

1.1 实验材料

在超市选购新鲜菠菜叶为实验材料，菠菜为冬季时令蔬菜，各地在冬季均容易获取。

1.2 实验仪器

小台灯，5 W的LED节能灯泡，60 W普通白炽灯泡，打孔器（直径分别为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、计时器、卷尺、温度计、光强传感器，500 mL大烧杯、80 mL小烧杯若干、质量分数为10%的NaHCO3溶液，清水。

1.3 实验方法

用打孔器制备直径分别为0.8 cm、0.6 cm、0.4 cm的菠菜圆叶片若干，制备时尽量避开大叶脉。

对叶片抽气时，将圆叶片置于注射器内，注射器吸入清水10 mL，推动注射器排出残留的空气。用手指堵住注射器前端的小孔并向后拉动推杆至20 mL刻度，保持约5 s，使叶圆片内的气体逸出。

将抽气后圆叶片的置于清水中备用，并覆盖遮光布。

1.3.1 注射器的选择

取相同直径的菠菜圆叶片30枚，均分为3组浸泡于清水中，分别选用20 mL一次性塑料注射器、20 mL玻璃注射器以及20 mL玻璃注射器推杆涂抹凡士林对三组圆叶片进行抽气处理，观察比较叶片下沉效果。

1.3.2 叶片直径大小的选择

选取抽气处理后的直径为0.8、0.6、0.4 cm的菠菜圆叶片各20枚，将质量分数为10%的NaHCO3母液按体积比2∶8加水稀释。相同直径圆叶片每10枚一组浸泡于80 mL稀释后的NaHCO3溶液中。将盛有不同直径叶片的小烧杯两两组合分别放置在与同一光源水平距离为10、20、30 cm处，观察各烧杯中叶片上浮的快慢。

1.3.3 光源的选择

使用同一台小台灯，先后使用5W的LED节能灯泡和60W普通白炽灯泡作为光源。将质量分数为10%的NaHCO3母液按體积比2∶8加水稀释。选取抽气处理后的直径为0.4 cm的菠菜圆叶片，每组10枚浸泡于6个均盛有80 mL稀释后的NaHCO3溶液的小烧杯中，按表1.1处理进行实验，测量各烧杯中溶液温度变化。

1.3.4 光照强度的选择

将质量分数为10%的NaHCO3母液按体积比2∶8加水稀释。取9个小烧杯向其中分别注入80 mL稀释后的NaHCO3溶液，选取抽气处理后的直径为0.4 cm的菠菜圆叶片，每个烧杯中浸泡10枚。以5W的LED节能灯泡作为光源，在与光源水平距离为10、20、30 cm处分别放置3个上述小烧杯，用光强传感器测量3种距离下的光照强度，观察并记录叶片上浮时间。

1.3.5 CO2来源及浓度的选择

实验1：选取抽气处理后的直径为0.4 cm的菠菜圆叶片，每组10枚分别浸泡于5个盛有80 mL清水小烧杯中，以5W的LED节能灯泡作为光源，小烧杯与光源水平距离15 cm，通过吸管分别向5只烧杯中均匀缓慢吹气0、1、3、5、7次，每次时间相同，记录第一片圆叶片上浮时间。

实验2：配制质量分数为10%的NaHCO3溶液作为母液，按表2进行稀释后，每组各取80 mL置于小烧杯中，将抽气处理后的直径为0.4 cm的菠菜圆叶片10枚一组浸泡在上述溶液中。以5W的LED节能灯泡作为光源，在溶液温度14℃、与光源水平距离20 cm条件下，观察并记录圆叶片上浮情况。

2 结果与分析

2.1 注射器的选择

注射器在实验中用于抽气，目的是将菠菜圆叶片中的气体抽出，使叶片下沉，从而通过观察叶片的上浮快慢判断光合作用的强度大小。因此所选用的注射器应有良好的气密性才能使得圆叶片迅速下沉以方便实验。在使用玻璃注射器时，由于其气密性略差，需要在其推杆上涂抹适量凡士林以达到较好的抽气效果，而塑料注射器则不存在这一问题，直接使用就能达到理想效果。另外，玻璃制品在学生使用过程中也存在一定的使用风险，因此选用塑料注射器较为方便。

2.2 叶片直径大小的选择

在与光源水平距离相同的条件下，即同一光照强度下，直径为0.4 cm的圆叶片上浮速度均快于直径为0.8 cm和0.6 cm的圆叶片，故直径为0.4 cm的圆叶片为理想的实验对象。

2.3 光源的选择

普通灯泡组三个不同距离下烧杯中的溶液温差为1～2℃，而LED灯泡组的温差为0.1～0.3℃，且两个灯泡组中圆叶片上浮情况良好，因此用LED节能灯泡既能达到实验效果，又能减少温度差异对实验的干扰。

2.4 光照强度的选择

从表3中可以看出，三种光照强度下，距离30 cm的实验组12 min内圆叶片并未出现上浮；距离20 cm组有部分叶片上浮，但是12 min内圆叶片上浮不完全；而距离10 cm组圆叶片上浮情况良好，在12 min内所有圆叶片均上浮。相比之下，距离光源越近，实验效果越明显。

2.5 CO2来源及浓度的选择

实验1：在5个采用吹气法提供CO2的小烧杯中，10 min内均未出现圆叶片上浮现象，第一片叶上浮时间过长。其原因可能是CO2在水中溶解度较低，通过吹气的方法，很难使其溶于清水中，因此溶液CO2浓度较低，进而导致光合作用强度较低，圆叶片难以上浮，实验效果不理想。另外，采用吹气法输入CO2存在个体差异，不同操作者吹气速率不同，使得CO2浓度大小难以控制。因此采用吹气法并不适合本实验。

实验2：表4结果显示，第6、7组NaHCO3溶液浓度较大时，叶片会直接上浮，不利于实验的观察；第1、2组NaHCO3溶液浓度较低时，叶片上浮较慢，实验现象不明显，将导致实验持续时间较长；第4、5组NaHCO3溶液浓度较为合适，且全部叶片上浮耗时约11 min。因此在实际教学过程中，选择第4、5组所对应的NaHCO3溶液浓度进行实验较为合适，即NaHCO3溶液浓度应选择用质量分数10%的母液按体积比为1∶9～2∶8范围内进行梯度稀释进行实验。

3 结论

根据以上影响因素的对照实验结果，为保证在一个课时内顺利完成教材中的实验，将各影响因素控制在合适范围内，综合分析得出以下两个推荐实验方案。

3.1 探究光照强弱对光合作用强度的影响

材料用具：直径0.4 cm的打孔器，20 mL塑料注射器，台灯和5W的LED节能灯泡，质量分数为10%的NaHCO3 溶液作为母液，80 mL的小烧杯，新鲜菠菜叶片。

方法步骤：

（1）按前文所述实验方法制备菠菜圆叶片若干，抽气后备用。将质量分数为10%的NaHCO3母液按体积比2∶8加水稀释备用。

（2）取3只小烧杯，分别倒入等量稀释后的NaHCO3溶液80 mL。并分别向3只烧杯中各放入10枚叶圆片。观察叶圆片均沉入烧杯底部。

（3）将3只烧杯分别放在与台灯水平距离10、20、30 cm处，打开台灯。根据所在学校实验条件，可用光照强度传感器测定并记录三只烧杯所在位置的光照强度。

（4）连续观察并记录3只烧杯中叶圆片依次上浮的时间，或相同时间内各烧杯中上浮叶圆片的数量。统计分析实验数据得出实验结论。

3.2 探究不同浓度NaHCO3溶液（即CO2浓度）对光合作用强度的影响

材料用具：

直径0.4 cm的打孔器，20 mL塑料注射器，台灯和5W的LED灯泡，质量分数为10%的NaHCO3溶液作为母液，80ml的小烧杯，新鲜菠菜叶片。