绿色沉水植物光合作用与呼吸作用的实验设计

江苏省张家港市护漕港中学(215635)

李相玲

绿色沉水植物光合作用与呼吸作用的实验设计

江苏省张家港市护漕港中学(215635)

李相玲

1 实验设计的背景

在学习苏科版《生物学》8年级上册“绿色植物与生物圈中的碳氧平衡”一节时，为探究绿色植物光合作用时吸收二氧化碳释放出氧气，课本上采用了分步实验。先是选用绿色陆生植物来“验证绿叶在光照下吸收二氧化碳”，在进行第二阶段“探究绿色植物在光照下放出的气体”时，教材却提议选用水生绿色植物进行探究。前后生物材料与实验环境的不统一，没有体现出同一种绿色植物对维持生物圈碳氧平衡所发挥的“自身”作用。并且还缺乏对同一种绿色植物“呼吸作用时吸收氧气、放出二氧化碳”的探究，使得证据链略显“不足”。据研究，水生植物所释放出来的氧气可达地球大气含氧量的70%左右，因此，增设一套连续探究同一绿色水生植物在呼吸作用、光合作用时放出与吸收气体变化的实验，对学生深入理解绿色水生植物对维持生物圈碳氧平衡所起的重要作用更具实际的意义。对此，笔者选用绿色沉水植物金鱼藻为代表进行了系列探究。

2 实验材料、试剂和仪器

50 g金鱼藻、1个700 mL塑料空瓶(圆柱形)、1个400 mL塑料空瓶、1根L型玻璃管、1根直玻璃管、1套PPW软管(医用输液管)、1个双孔橡胶塞、1根35 cm长乳胶管、1瓶15 mL溴麝香草酚蓝溶液(BTB指示剂)、1瓶10 mL红墨水、1根红水玻璃温度计(0～50 ℃)、1个铁架台、3张玻璃纸(红、绿、蓝色)、1根亚力克直尺(20 cm)、2个圆形磁铁(直径10 cm)、1个钢珠、1支10 mL注射器、1根细檀香等。

3 实验装置的制作

3.1 制作过程

(1)在400 mL空塑料瓶上装配双孔橡胶塞，并插入L型和直型2根玻璃短管。

(2)将35 cm长乳胶管套装在L型玻璃管上，吹气端塞入1个钢珠作为阻气阀。出气端玻璃管上套接带滑动开关的PPW软管，再套接PPW细管，将细管管体紧贴在20 cm的刻度尺上并用透明胶固定。将直尺水平放置用夹子固定在铁架台上，夹柄悬挂温度计。

(3)在400 mL空塑料瓶中下部分散打数个小孔，在瓶体外壁粘贴防水刻度条。

(4)将700 mL空塑料瓶从外套装400 mL空塑料，外瓶边缘高度比内瓶口高出约5 cm。再在两瓶内底部各固定1块磁铁，使两瓶体底部吸紧。

3.2 整套装置

实验装置如图1所示。

图1 实验装置图

4 探究金鱼藻在自然光下光合作用时吸收二氧化碳释放出氧气

4.1 操作步骤

(1)将金鱼藻放于小塑料瓶内，再将其置于大塑料瓶内，使两瓶底部接触并吸牢；向大塑料瓶内注水至小塑料瓶内水满为止，在小塑料瓶口塞上带双玻璃管的橡胶塞。

(2)向大瓶的水中滴入3滴0.1%的BTB指示剂，观察并记录水体颜色。关闭PPW软管上的滑动开关，从乳胶管口端向瓶内不断吹入二氧化碳气体，观察水体颜色的变化。

(3)将整套装置于自然光照射下，观察内外瓶体内水体颜色及液面的变化。

(4)当小塑料瓶上方收集到一定量气体后，打开滑动开关，将带火星的细檀香置于PPW软管出气口，观察檀香是否复燃。

4.2 实验现象及结论

实验效果图如图2所示。

4.2.1 实验现象

①实验初始时水体为无色；②加3滴BTB指示剂后水体呈淡蓝色；③吹入二氧化碳气体，水体逐渐由淡蓝色变为淡黄色；④关闭滑动开关，自然光照射2 h后水体又重新变回淡蓝色，小塑料瓶液面下降，大塑料瓶液面上升；⑤将带火星细檀香置于出气口，打开滑动开关，大塑料瓶液面下降，小塑料瓶液面上升，气体排出，檀香复燃。

4.2.2 实验结论

金鱼藻在光合作用时，吸收水体中的二氧化碳，并释放出氧气。

5 探究金鱼藻在3种不同色光下的光合效率

5.1 操作步骤

(1)将金鱼藻放于小塑料瓶内，再将其置于大塑料瓶内，使两瓶底部接触并吸牢；向大塑料瓶内注水至小塑料瓶内水满为止，在小塑料瓶口塞上带双玻璃管的橡胶塞。

(2)向大瓶水中滴入3滴BTB指示剂，观察并记录水体颜色。

(3)用注射器在细PPW软管左端连接口处注入一段约5 cm长红墨水并调节到4刻度处，接好端口，打开滑动开关。

(4)在环境温度为25 ℃的条件下，分别将绿、蓝和红三色玻璃纸圈套于大瓶体外，置于自然光下分别照射20 min，观察并记录细管内红色液柱所对应在直尺上的刻度变化情况。

5.2 实验现象及结论

实验效果图如图3所示。

5.2.1 实验现象

①无玻璃纸时，红液柱在4 cm刻度处；②在套装绿色玻璃纸光照20 min时，红液柱移至6.5 cm刻度处；③在套装蓝色玻璃纸光照20 min时，红液柱移至15.5 cm刻度处；④在套装红色玻璃纸光照20 min时，红液柱移至19.6 cm刻度处。

5.2.2 实验结论

在25 ℃的环境温度下，金鱼藻在红色光照下的光合效率最高，绿色光照下的光合效率最低。

图2 金鱼藻在自然光下光合作用实验现象

图3 金鱼藻在3种不同色光下光合作用实验现

6 探究金鱼藻呼吸作用时水中气体的变化情况

6.1 操作步骤

(1)将金鱼藻放于小塑料瓶内，再将其置于大塑料瓶内，使两瓶底部接触并吸牢；向大塑料瓶内注水至小塑料瓶内水满为止，在小塑料瓶口塞上带双玻璃管的橡胶塞。

(2)向大瓶水中滴入3滴BTB指示剂，观察并记录水体颜色。

(3)在整个装置外罩上黑色布袋并置于阴暗处，5 d后观察瓶内水体颜色的变化。

6.2 实验现象及结论

实验效果如图4所示。

6.2.1 实验现象

向内置金鱼藻的清水中滴加3滴BTB指示剂，水体呈淡蓝色；将装置套上黑布袋暗处理5 d后，取出装置观察到瓶内水体颜色变为淡黄色。

6.2.2 实验结论

避光条件下，金鱼藻进行呼吸作用时可使水体中二氧化碳含量增加。

图4 金鱼藻呼吸作用实验现象

7 延伸实验——探究金鱼呼吸作用时水中气体的变化情况

在大塑料瓶内注入清水，向水中滴加3滴BTB指标剂并记录水体颜色。在瓶内放入6条金鱼，2 h后可观察到水体颜色由淡蓝色逐渐变为浅黄色，说明金鱼在水内进行呼吸作用时，会使得水中二氧化碳含量增加。实验效果图如图5所示。

图5 金鱼呼吸作用实验效果

8 设计特点与教学实效

8.1 设计的多功能性

本套教具从设计上可做4个不同的实验：①定性地探究绿色沉水植物光合作用时气体的转化情况；②探究不同色光下绿色沉水植物的光合效率，通过红色液柱(刻度)的变化情况，还可以定量地探究光照时间和温度对水生绿色植物的光合作用效率的影响；③定性地探究绿色沉水植物呼吸作用时气体的转化情况；④探究水中动物在维持生物圈中碳氧平衡时所起的作用。

另外，还可将金鱼藻光合作用下产生的氧气进行连续收集并存储，便于在后续教学中使用。

8.2 教学的实际效果

新课标要求教师在本节课教学中要帮助学生形成重要概念：“绿色植物的光合作用和呼吸作用有助于维持生物圈中的碳氧平衡。”在数量庞大的绿色水生植物中，即便是缺乏气孔的绿色沉水植物对生物圈中碳氧平衡的维持也至关重要。在教学实践中增添本实验设计可以获得如下效果。

(1)应用自制教具将全真实验微型化，顺利突破教学重难点。借助BTB指示剂的颜色变化，能很好地验证绿色水生植物在光合作用时吸收二氧化碳释放出氧气；避光条件下，进行呼吸作用时消耗氧气释放出二氧化碳的客观事实。认识到，植物在同样的环境下其光合作用明显强于呼吸作用，多余的氧气排放到大气中，供其他生物进行生命活动。

(2)运用日常生活中常见材料辅助实验教学，破除学生对生物实验的神秘感，激发其求知欲。实验过程简易，方便学生操作，学生参与度高，无论课上还是课余时间，学生都可以自己动手做实验，利于学生在实践中体验学习生物知识的乐趣。

(3)借用该实验装置的多功能性，有助于提高生物课堂教学效率。该套设备克服了常见实验设计上的单一性，可进行多个不同的实验，且安全可靠，造价低廉，便于携带。另外，该实验还可探究水生动物呼吸过程中气体的变化情况，充分利用了实验资源。

总之，对课程资源的再开发不仅可以满足新课程顺利实施的需要，促进课程资源的动态生成，还可为推进和深化课程改革奠定良好的基础。

实验教学

2017-07-30