探究“环境因素对光合作用强度的影响”实验改进建议和实验延伸

于爱玲段桂荣

（天津市滨海新区大港第三中学天津300270）

探究“环境因素对光合作用强度的影响”实验，是高中生物学人教版必修1《分子与细胞》模块，第5章“细胞的能量供应和利用”第4节“能量之源——光与光合作用”的内容。该实验旨在帮助学生理解光合作用的原理和过程，并以此分析不同环境因素对光合作用可能造成的影响，预测结果并通过实验证据得出结论。通过此次探究有助于培养学生的探究性思维和解决问题的能力。本实验在教材中安排了一个参考案例作为指导，探究“光照强弱对光合作用强度的影响”，但在实际教学中发现该案例内容单一，操作过程复杂，耗时较长。为了进一步提高课堂效率，笔者在充分利用参考案例的基础上，进行了实验改进和延伸，从而高效地实现了学生对“影响光合作用的外界因素及影响结果”的全面认识。

1 分组、分工

明确的分组、分工，可有效提高课堂效率，使学生手脑并用成为实验的参与者。在教材的基础上适当地展开延伸，使得探究内容更加丰富和完善，从而引导学生多角度分析问题，激发学生的改革意识和创新精神，实现创造性地使用教材，提高学生的学习兴趣，培养学生的合作精神（表1）。平行实验的设置有效地避免了因偶然因素造成的实验误差，使实验结果更有说服力。

表1 各小组人数及分工

2 实验改进建议

按照正常的教学进度，本实验需要在11月中旬进行，此时的天气较冷，且很可能没有供暖，实验室内的自然光线也较弱，因此，针对“探究光照强弱对光合作用强度的影响”实验变量的控制提出改进建议。

2.1 对自变量——光照强度控制的改进建议按照教材的建议，每个实验组用3盏40W台灯做光源，通过调整光源与烧杯的距离实现对自变量的控制。然而，同一实验台进行3个实验组时会对结果产生一定影响：一方面，光源互相干扰。不同光源发出的光线之间会发生叠加，且叠加的程度不同，有可能改变自变量，也可能影响实验温度；另一方面，耗时较长。在11月中旬，自然光线较弱，特别是实验室较阴暗时，40W台灯作为光源，需要较长时间（一般20～25 min），才会有少数叶片上浮。

改进建议：为了尽可能减少干扰，并在较短时间内出现明显的实验现象，建议3个实验组，只用一盏100 W台灯做光源，通过调整台灯与烧杯之间的距离控制光照强度。注意：各烧杯之间不要遮挡光源（图1）。

图1 光照强弱对光合作用强度的影响

2.2 对无关变量——温度控制的改进建议教材中没有明确该实验所需的温度范围。通过多次探究发现，以菠菜叶作为实验材料，40℃左右时，实验现象最为明显，在30℃左右实验现象较明显。由于11月中旬做此实验时（特别是取暖期来临之前）室温偏低，与适宜温度间温差较大难以控制，所以选择30℃作为实验温度。考虑到台灯功率的加大，也会对温度造成影响，故建议各实验组的温度通过水浴保温进行控制。实验过程中，大烧杯内的水用温度计监测，通过加入热水或冷水调控水温（图1）。

2.3 对无关变量——CO2浓度控制的改进建议对于CO2浓度的控制，教材中只是建议用口通过玻璃管向清水内吹气的方法，制备富含CO2的清水，并没有将其量化。植物光合作用最适CO2浓度为10－3［1］，在教学过程中，笔者发现，水溶液中的CO2也必须达到一定的浓度，才会有明显的现象。

改进建议：

方法1：先在大烧杯内配制30℃左右的温水约60 mL，向大烧杯内吹气至少3～5 min（注意吹气不宜太快，太快不利于CO2溶解，以自然呼吸频率呼气即可），后将温水平均注入3个小烧杯内，这样可使3个小烧杯内的CO2浓度基本相同。

方法2：配置相同浓度的NaHCO3溶液，作为CO2源。经预实验发现3%的NaHCO3溶液实验用时较短，但因溶液中CO2浓度较高，实验前小圆叶片下沉所需时间较长（图2）。所以选择2%的NaHCO3溶液为宜。

图2 相同时间内不同NaHCO3溶液中小圆叶片下沉的程度

由于不同的人用口吹气的强度难以控制，对实验结果可能产生较大影响，建议使用方法2。

2.4 增加实验增加：遮光组，温度30℃，2%NaHCO3溶液，作为空白对照，证明光是进行光合作用的必要条件。可利用实验台下柜子实现遮光。

3 实验延伸

3.1 探究“CO2浓度对光合作用强度的影响”

3.1.1 对自变量——CO2浓度的控制CO2是植物进行光合作用的必要条件。设置不同的CO2浓度，常用的方法有2种。

方法1：通过限定吹气时间控制自变量。对3个小烧杯内的水分别吹气1min、3min、5 min（吹气注意事项同2.3），制成不同浓度的CO2水溶液。

方法2：分别配制1%、2%、3%的NaHCO3溶液，制成不同浓度的CO2缓冲液。

3.1.2 对无关变量——温度的控制可将3个小烧杯同时置于30℃的水浴中（可用塑料盆代替大烧杯），方法参照2.2（图3）。

图3 CO2浓度对光合作用强度的影响

3.1.3 对无关变量——光照强度的控制用1盏100 W台灯，置于水浴盆上方，通过调节台灯与烧杯之间的距离，使每个烧杯接受到相同的光照强度（图3）。

3.1.4 增加实验增加1：清水组，光照强度相同，温度30℃，作为空白对照,证明CO2是进行光合作用的必要条件。

增加2：遮光组，温度30℃，3%NaHCO3溶液，以排除NaHCO3分解产生CO2使叶片上浮对实验结果的影响，遮光处理可参照2.4。

3.2 探究“温度对光合作用强度的影响”

3.2.1 对自变量——温度的控制本实验以菠菜为实验材料，菠菜（Spinacia oleraceaL.）又名波斯菜、赤根菜、鹦鹉菜等［2］，属藜科菠菜属，一年生草本C4植物。通常C4植物比C3植物光合作用的最适温度范围高［3］，通过预实验发现菠菜的最适温度在40℃左右，根据实验材料的最适温度设定相应的温度梯度和温度范围，可将实验组的温度分别设置为15℃、30℃、40℃。为保证实验温度不变可将小烧杯置于不同温度的大烧杯中水浴保温（图4）。水温控制方法参照2.2。

图4 温度对光合作用强度的影响

3.2.2 无关变量——CO2浓度的控制方法参照2.3。

3.2.3 无关变量——光照强度的控制方法参照3.1.3。

3.2.4 增加实验增加：遮光组，温度40℃，2%NaHCO3溶液，以排除由于温度影响NaHCO3分解产生CO2使叶片上浮对实验结果造成影响。遮光处理可参照2.4。

3.3 探究“光质对光合作用强度的影响”

3.3.1 对自变量——光质的控制用功率相同、颜色不同的灯泡提供不同的光质。由于彩色灯泡瓦数一般都较小，市面上能买到的最大功率为40W，故本实验采用40 W彩色灯泡，颜色分别为透明、红色、黄色、绿色。为避免自然光的影响，建议实验过程中拉上窗帘。为避免光质之间相互影响，建议将各实验组用隔板隔开（图5），或加大各实验组间距离（图6）。

图5 光质对光合作用强度的影响（1）

图6 光质对光合作用强度的影响（2）

3.3.2 对无关变量——温度的控制方法参照2.2。

3.3.3 对无关变量——CO2浓度的控制方法参照2.3。

4 实验结果

为便于观察，该实验将相同时间内上浮叶片的数目，作为不同环境条件下光合作用强度的检测指标。

4.1 探究“光照强弱对光合作用强度的影响”实验结果通过实验发现，相同时间内近光处叶片上浮数量最多，光合作用强度最大（表2）。

表2 光照强弱对光合作用强度的影响

4.2 探究“CO2浓度对光合作用强度的影响”实验结果通过实验发现，相同时间内随CO2浓度增加叶片上浮数增多，即在3%NaHCO3溶液中光合作用最强（表3）。

表3 CO2浓度对光合作用强度的影响

4.3探究“温度对光合作用强度的影响”实验结果通过实验发现，相同时间内40℃时叶片上浮数最多，即该温度下光合作用最强（表4）。

表4 温度对光合作用强度的影响

4.4 探究“光质对光合作用强度的影响”实验结果通过实验发现，相同时间内透明灯泡照射下叶片上浮数目最多，红色灯泡照射次之，即多色光照射下光合作用最强，其次是红光（表5）。

表5 光质对光合作用强度的影响

经上述实验改进，绝大多数实验组都能在8～15 min内出现明显的实验现象，比改进前节省10～20 min，这样在一节课的时间内可高效、圆满地完成教材实验及延伸实验。

5 对改进实验的评价

在充分利用教材资源的基础上，经过以上合理改进，有效解决了该实验教学中遇到的问题。实验设计更加科学、严谨，效果明显，可信度有了显著提高；通过实验的延伸，小组分工合作，在短时间内能出现明显的实验现象，提高了实验教学的实效性，并有效地激发了学生的求知欲，提高学生的学习兴趣；实验中所增加的仪器简单常见，可操作性和实用性较强，有效培养了学生的创新精神和实践能力。

［1］马秀杰,张耀安,黄丽萍.二氧化碳浓度对光合作用的影响.农业与技术,1996,17(2):26.

［2］郭梦露.植物激素处理对菠菜富集重金属的影响.菏泽学院学报,2015,37(5):77.

［3］张其德.温度对植物光合作用的影响.植物杂志,1989(3):28.