“探究光照强度对植物净光合速率的影响”教学案例

2017-05-12浙江省金华市第一中学浙江金华321015

生物学通报 2017年3期

邵昂（浙江省金华市第一中学浙江金华 321015）

1 教学指导思想

在《普通高中生物课程标准》实施建议中提出：“在重视定性实验的同时，也应重视定量实验，让学生在量的变化中了解事物的本质。教师应向学生提供机会学习量的测定，实事求是地记录、整理和分析实验资料、定量表述实验结果等［1］。”在定量测定过程中，学生从实验操作、观察实验现象、记录实验数据、定量分析数据到表述实验结果的整个过程中，会发现一系列问题，通过解决这些问题，学生能够很好地提升实验与探究能力、获取和处理信息的能力、分析和解决问题的能力，以及理解与表达等能力。

“探究环境因素对光合作用的影响”选自浙科版必修1第2章第5节，是课程标准要求的一个学生活动，在《浙江省普通高中学科指导意见》中明确提出对该活动的各种要求。然而，由于实验条件的限制，很多学校并未有效开展本实验，大多以讲授的形式进行教学。但教材编写者的目的是通过本实验的探究过程提高学生发现问题、提出假设、设计实验、分析讨论等能力。如果以讲授式进行教学，教材编写者的目的将难以实现。该实验是高中生物学进行实验教学的良好素材，既能培养和提高学生实验设计与实验探究的能力，又能使学生体会生物学与生产、生活紧密联系，激发学生的学习兴趣。

本实验是一个开放性实验，教材中只提供了实验材料与部分实验器材，在设计实验步骤的过程中遇到了一些问题。笔者在充分了解学生已有知识与技能的基础上，进行以下4点改进：

1）用光饱和点相对较低的绿萝取代黑藻或金鱼藻，通过研究发现，金鱼藻的光饱和点约11 000 lx［2］，黑藻的光饱和点更高，约 27 500 lx［3］；

2）在反应箱周围设计一圈水槽，再在白炽灯与反应箱之间设计双层水槽，在3层防护下，确保反应箱中的温度保持恒定；

3）运用先进的数字化实验仪器——氧气与光照强度传感器，快捷、准确地测量反应箱中的氧气含量与接受到的光强，通过计算斜率，用斜率表示净光合速率；

4）利用Excel的绘制曲线功能，获得随光照强度增加的净光合速率变化曲线，找到绿萝生长的最适光照强度。

利用光合速率变化曲线，帮助学生理解“光饱和点”与“光饱和点下的光合速率”，通过变式训练“当环境条件改变时，判断光饱和点的变化趋势”进一步巩固光饱和点知识；理解光照强度对净光合速率的影响。学生能够找到最适宜于绿萝生长的光照强度，与工厂化培育绿萝联系起来，体会生物学与生产生活实际的联系，激发学习兴趣，并取得了很好的教学效果。

2 教学目标

1）知识目标：设计单因子对照实验方案；分析光强度对净光合速率的影响；概述光饱和点的定义；分析环境因素的改变对光饱和点的影响。

2）能力目标：运用控制变量法；熟练使用传感器与电脑；测定某光强下的净光合速率；制作随光照强度增加的净光合速率变化曲线；尝试对实验结果进行分析和解释；得出相应的结论。

3）情感态度与价值观目标：认同本实验探究方法；关注生产生活实践中环境因素对农作物产量的影响；认同光合作用原理对提高农作物产量的指导作用；在讨论中学会与他人沟通，体验团队协作学习的过程；养成创新和探求新知的能力；形成严谨的科学态度，养成良好的实验习惯，提高生物学素养。

3 实验材料与装置

绿萝：取材容易、光饱和点较低。能够在较低的光强（7 000 lx）下通过设置一系列梯度的光照强度测定净光合速率。

光源的选择：使用白炽灯，不考虑LED灯。通过预实验发现，在LED灯（5 000 lx）的照射下，氧气传感器显示反应箱内的氧气含量略微下降，如图1所示。当时间为0 s时，氧气含量约22.6%，但是空气中的氧气含量约21%，造成氧气含量偏高的原因是：①在实验操作过程中，先将叶片放入反应箱，接着盖上盖子，最后通过氧气传感器检测氧气含量。在此过程中，绿萝叶片会进行光合作用，产生一定量的氧气。②本校地址在郊外，周边绿化程度较高，氧气含量相对较多。

图1 LED灯（5 000 lx）照射下的O2含量变化图

3%NaHCO3溶液:通过预实验发现,3%NaHCO3溶液能够提供充足且恒定的CO2。

实验装置：因为一片绿萝在10 min内产生的氧气量有限，为使测量结果明显，应该将反应箱设计得足够小；在足够小的空间内要放下一片绿萝，又需保证其接触到足够多的光照，应将反应箱的边长设计成一片绿萝的宽度，在测量大量成熟绿萝叶片的基础上，将反应箱设计为边长为6 cm、高为17 cm的长方体；因为白炽灯的光线中含有大量的热能，会强烈影响反应箱内的温度，故在反应箱周围设计3层水槽；因为需要光强传感器测量叶片接受到的光强，而传感器感受光的位置应与叶片一致，故在反应箱侧面中间设计“光强传感器托槽”；因为需要氧气传感器测量氧气，故在反应箱盖上开孔，如图2所示。

图2 实验装置示意图

课前任务单：项目与内容如表1所示。

表1 课前任务单中项目与内容

学案：见附件。

除此之外还需要氧气和光强度传感器、电脑、遮光布、橡皮泥等。

4 教学过程

本节课的教学流程如图3所示。

图3 本节课教学流程图

4.1 创设情境，导入新课投影显示一个普通的温室大棚，结合年前持续阴雨天、阳光严重不足导致草莓大量减产的现状，提问：怎样才能提高大棚内植物的产量？需要为植物提供最适宜的光照强度、CO2浓度等，但是在此之前，必须先知道该植物生长的最佳环境条件。基于草莓减产现象导入新课，明确主题，激发学生的学习兴趣。

4.2 新课教学请一位学生汇报“课前任务单”，其他学生可提出质疑与补充。在讨论结果的基础上介绍本次实验的实验步骤。在课前预习过程中，培养学生分析单因子变量实验的自变量、因变量、无关变量及控制方法，并讨论得出实验思路。通过课堂上的讨论取长补短，并认同教师的实验步骤。

将学生分为6组，每组取大小相同的绿萝叶片1片，搭建实验器材、设置软件参数、设置相应的光照强度（分别为 0 lx、2 000 lx、4 000 lx、5 000 lx、6 000 lx、7 000 lx），保证其他条件相同且适宜。在此过程中，教师应仔细观察各组实验情况、巡回辅导、答疑解惑。

将传感器测量数据的时间设定为10 min，需充分利用这段时间。当每组电脑均开始记录实验数据时，提问：电脑中的曲线能代表氧气释放速率吗？如何得到在某光照强度下的净光合速率？学生应先理解电脑中曲线的含义（如图4所示），再思考如何转换成净光合速率。在此过程中培养学生获取和处理信息的能力、理解与表达的能力。

图4 光照强度为6 000 lx时，反应箱内的O2含量变化曲线

通过“斜率法”，计算出曲线的斜率表示净光合速率，如图5所示。但是遇到新的疑惑，曲线的斜率单位是%/s，它会随着反应箱大小的改变而改变，应将其转化为μmol/s，转化的方法呈现在学案上，见附件。充分利用数据采集的时间，学生在此期间阅读学案的第2与第3部分内容，旨在培养学生的阅读及理解能力，理解如何进行单位换算，并为绘制曲线做准备。

图5 斜率法计算净光合速率示意图

传感器数据读取结束后，每组学生汇报本组所得曲线的斜率并进行单位转化，再通过学案上的方法绘制出随光照强度增加的净光合速率变化曲线，如图6所示。学生在充分理解光照强度对光合作用的影响下描述曲线含义，并帮助其他学生更好地理解该曲线。在此基础上，引出概念“光饱和点”与“光饱和点作用下的净光合速率”，帮助学生更好地理解2个概念及区别。

图6 光照强度对绿萝净光合速率的影响

4.3 拓展延伸当环境条件改变时，判断光饱和点的变化趋势：①若绿萝缺乏Mg元素；②若二氧化碳浓度从较低提升至适宜。通过变式训练，帮助学生加深对光饱和点的理解。

4.4 知识迁移在实验结果中发现一个现象：当光照强度继续升高时，净光合速率并不会维持不变，反而会下降。提问：在工厂化培育绿萝的过程中应注意什么光照条件？鼓励学生利用本次实验的原理和方法，继续探究其他环境因素对绿萝净光合速率的影响。也可换成经济效益更好的植物，找到最适宜的外界环境，为经济效益最大化打下基础。旨在鼓励学生对所学的新知识进行迁移，解决生产生活中的实际问题。

5 反思总结

通过本节课的教学实践，发现最值得反思和总结的问题是对无关变量的控制。若无关变量全由学生探究，难度大、耗时多，所以教师需要在课前做大量的预实验，例如反应装置的设计、叶片的大小、二氧化碳浓度的控制等。通过预实验，得到大量数据，积累了丰富经验并发现相关问题，为更好地落实本实验课的教学目标，做好充分准备。学生虽然不用直接探究无关变量的设置，但教师需通过学案的方式培养和提高学生设计单因子对照实验的能力。

附件：

“探究光照强度对植物净光合速率的影响”学案

1 实验结果

光照强度（lx）斜率（%／s）氧气释放速率（μmol／s）0 2 000 4 000 5 000 6 000 7 000

2 数据转换

反应箱的尺寸为：长（6 cm）×宽（6 cm）×高（17 cm），气体的摩尔体积为22.4 L/mol，若氧气含量增加1%，则为______μmol。

解析：1）求氧气的体积增加量：

1%×（6×6×17-100）=5.12 mL，即 5.12×1/1 000=0.00512 L。

2）转换成物质的量：

0.00512/22.4=0.000229 mol,即为 229 μmol。

3 绘制净光合速率变化曲线

1）打开 Excel软件，在 A1中输入“光强”，B1中输入“斜率”，C1中输入“氧气释放速率”，接着输入相应数据（注意：因为从斜率到氧气释放速率，要进行数据转换，利用 Excel自身的计算能力，即在 C2中输入“=B2×229”，再点击“回车”键，即看到运算结果，再选中C2，将鼠标放在该方框的右下角，出现黑色“+”符号，拖拉“+”号至 C7）。

2）选中数据。（按住“control”键，选择 A列和 C列数据）

3）点击“插入”“图表”“XY 散点图”中的“平滑线散点图”，点击“下一步”。

4）图表标题设置为“光照强度对绿萝光合速率的影响”，X轴设置为“光照强度（lx）”,Y轴设置为“氧气释放速率（μmol/s）”（注意“μ”在搜狗输入法中文下可通过输入“V6”找到该字母）。点击“完成”。

5）记录曲线。