初中生物学六种教材中“光合作用”实验的比较

廖涌权

(海南省五指山中学 五指山 572299)

1 六个版本教材的实验设置

六种教材都有设置相应的实验，帮助学生建构“光合作用”的概念，但设置的具体实验有所差异，具体如表1。

表1 六种教材中“光合作用”实验的设置

通过表1可知，苏科版设置的实验数量最少，其中“光合作用的原料”这一内容未设置实验，而北师大版教材设置的实验数量最多，相对完全。

六种教材都在“光合作用的条件和产物”这一内容设置实验，虽然装置略有差异，但其探究过程、方法基本一致。“光合作用需要二氧化碳”的实验，除苏科版以STS阅读材料“温室里的‘气肥’”呈现外，其他教材均设置相应实验。其中，苏教版的处理是直接给出实验装置图、方法和结果，供学生讨论。而“光合作用需要水作为原料”这一内容难以在初中阶段设置实验证明，各教材都未对这一内容详细提及；苏教版和河北版则以资料的形式介绍了鲁宾、卡门的实验过程。对于“光合作用的场所”，各教材均设置了“观察叶片的结构”实验；但人教版、济南版都在学习光合作用前的“蒸腾作用”一节安排此实验，在实验过程中未注重对叶绿体的观察；苏教版专门设置实验，观察黑藻中的叶绿体；北师大版则通过“验证光合需要叶绿素”实验引导学生推测“光合作用”的场所在叶绿体；苏科版则通过对叶柄、叶片和茎，银边长春藤的绿色和白色部分的结构比较，推测出“光合作用”的场所在叶绿体。

2 实验设计的比较及其改进

2.1 绿叶在光下制造有机物 六种教材均设置本实验，因为通过本实验能够让学生明确光合作用的条件和产物。为帮助学生理解光合作用的实质(即合成有机物，贮存能量)、构建“光合作用”的概念提供事实性依据。此外，本实验可替代天竺葵的实验材料较多，需要的主要仪器(如三脚架、烧杯、酒精灯、培养皿、石棉网和镊子等)和主要试剂(碘液、酒精等)都是实验室中较为常见的，各级各类学校大都具备开设本实验的条件。

六种教材均在实验步骤中以图文结合的形式进行描述，其步骤为： 暗处理→半叶遮光照射→酒精水浴加热脱色→清水漂洗→滴加碘液并洗去浮色→观察现象，给出的实验流程图基本一致。

六种教材均设置实验讨论环节，帮助学生深刻理解各个步骤的目的。典型讨论问题如下(表2)：

由表2可知，苏科版对暗处理的目的未作讨论，而是直接在步骤描述时告诉学生答案。而用黑纸片遮光的目的，苏教版和苏科版未作讨论、也未作描述。如果教师在授课过程中不加入此类问题的讨论，学生难以理解对照实验设置的缘由。对于“光合作用”的产物是什么，人教版和苏科版都是直接设问。而其他四种教材则是通过引导学生从实验现象分析、推断出“光合作用”的产物，问题具有一定的层次性，为学生提供了回答问题的思路。

表2 六种教材在“绿叶在光下制造有机物”实验中设置的典型讨论问题

苏科版中设置的其他讨论问题：“家里种植的花草如果长时间放在黑暗处会死去。小麦在子粒形成期间遇到阴雨天气，就会造成减产。你能说出其中的原因呢吗？”对于此类问题，需要学生充分理解“光合作用”的过程和实质后才能回答，对学生的能力要求较高。

北师大版和河北版均设置关于酒精脱色的问题，但有所差异。河北版的问题为：“叶片放在酒精中加热处理的目的是什么？为什么要水浴加热？”，而北师大版的叙述为：“你怎样解释在酒精溶液中的绿叶脱色而使酒精溶液变绿的实验现象？”对于两种方式的提问，北师大版中的提问对学生理解为什么要进行这一步骤的原因帮助不大，而河北版的提问则可让学生明确设置此步骤的原因，并能起到一定的安全警示作用。

对于本实验创新建议主要有两点： ①如果能在进行实验的同时，对光照后的银边天竺葵等植物叶片进行脱色、滴加碘液的操作，能让学生明确“光合作用”的条件除了光，还需要色素，并由此推测出绿色植物进行光合作用的场所是在叶绿体；②六种教材普遍选用的实验材料是天竺葵，但天竺葵在海南并不常见。笔者曾尝试用其他实验材料(黄花酢浆草[1]、蔓花生和地瓜叶)与天竺葵的实验效率进行对比。发现如果换用黄花酢浆草、蔓花生进行实验，能明显缩短实验时间(暗处理、半叶遮光后的照射和叶片脱色等)。在试剂使用量、实验效果方面也更具优势。而本地黄花酢浆草、蔓花生普遍易得，可以尝试使用。

2.2 “光合作用”制造氧气 通过此实验，学生能够直观感受光合作用产生了氧气，并以此为佐证，构建光合作用概念。本实验装置简单，需要的主要实验仪器(如试管、玻璃管、透明广口瓶、导管、漏斗和烧杯等)和实验材料(如金鱼藻、木条和卫生香等)都是常见易得的，大多学校都具备条件开设此实验。因此，六种版本教材均设置此实验。其实验步骤都是利用植物在光照下产生氧气并收集氧气→用带火星的木条检验→得出结论。其中，济南版和苏科版呈现的实验装置简单、易于操作。

从表3可看出，人教版、苏教版直接让学生讨论“光合作用”产生了什么气体或尝试说明上述现象的原因。北师大版、河北版和济南版中设置的讨论都是先提问观察到的实验现象，再让学生讨论这种现象说明的问题，问题具有递进性和层次性，更有利于学生基于实验现象展开讨论。而苏科版未设置讨论，与其将本实验放在资料库中作为拓展实验有关。

表3 六种教材在“光合作用”产生氧气实验中设置的讨论问题

教材推荐使用金鱼藻作为实验材料，如果没有金鱼藻，首先想到选用黑藻等其他水植物替代。也可打破常规思维，尝试使用陆生植物替代藻类完成实验。笔者曾参照北京国子监中学的创新实验[2]，分别选用金鱼藻、豌豆尖、水芹和茼蒿菜放置在质量分数为1%的碳酸氢钠溶液中接受阳光照射2.5h，通过排水集气法测得氧气的产生情况，发现豌豆尖是最理想的替代材料，水芹次之。此外，将清水换成质量分数为1%～2%的碳酸氢钠溶液，能够在较长时间保持较高的氧气产出率。

2.3 光合作用需要二氧化碳 六种教材中，只有苏科版未设置此实验，使得学生难以直观获取光合作用需要利用二氧化碳这一事实。人教版则提供相应的资料信息，让学生自行设计实验。其余四个版本教材均提供实验装置图示供学生参考。

人教版、北师大版、河北版和苏教版开展本实验的原理都是利用氢氧化钠溶液吸收密闭装置中的二氧化碳作为实验组，放置清水的密闭装置作为对照组。实验装置相对简单，但需要对叶片进行脱色处理和滴加碘液的操作。而济南版则是利用二氧化碳传感器、气液相多功能采集装置、数据传感器等监控密闭容器中的二氧化碳浓度变化，并连接计算机用相应软件记录装置内的二氧化碳浓度变化。它能够定量记录装置中的二氧化碳浓度变化，并以坐标图的形式呈现实验结果，更加直观、精确；也不需要进行叶片脱色和滴加碘液的操作，简化实验步骤。但是，该方法对仪器设备和教师的计算机运用技能要求较高，大多数农村学校不具备开展此实验的设备和技术条件。

河北版习题中呈现的实验装置除了保留苏教版实验装置仅需一棵植株进行实验的优点外，还避免了锥形瓶和铁架台的架设，使实验操作更加简单易行。

2.4 观察叶片的结构 北师大版、苏教版和河北版将此实验放在光合作用相关章节，通过对叶片结构(叶绿体)的观察，一方面可让学生认识到叶片之所以是大多数绿色植物进行“光合作用”的主要器官，是因为其叶肉细胞中含有大量叶绿体，叶绿体是绿色植物光合作用的场所；另一方面学生可观察到气孔，在教师引导下对气孔与二氧化碳的获取和氧气释放有更为清晰的认识，为“光合作用”概念的建构提供事实性依据。

人教版和济南版将此实验放在“蒸腾作用”一节，着重强调叶片的结构和气孔在蒸腾作用中的作用；而苏科版则把此实验放在七年级下册第9章“生物体有相似的结构层次”中，着重强调构成叶片的不同形态细胞形成的组织。这三个版本教材在此实验中都未注重对叶绿体的观察，也未注重气孔功能与光合作用的联系。但苏科版设置了观察叶绿体的实验，弥补了这一不足。

多种教材在实验材料的选用上都只是提到新鲜叶片，未提及具体的叶片种类。人教版推荐使用的是蚕豆或菠菜叶片，但蚕豆在南方地区种植很少，所以实验一般选用菠菜叶做叶横切。但菠菜叶容易失水萎蔫，叶子卷曲，不便于切取。若用水将菠菜泡起来，叶子脆变，导致切片上(下)表皮容易缺失。通过选用多种叶片实验(双刀夹切法)发现，绿萝叶片做叶横切片效果最佳。而切片的制取方法除了苏科版提供的是单刀片法外，其他五个版本教材均选用的是双刀夹切法。双刀夹切法对于初学者来说，操作方法更为容易掌握，安全系数也更高。

2.5 光合作用需要叶绿素 学生通过开展此实验，可以验证“光合作用”进行需要叶绿素，并推测出“光合作用”的场所在叶绿体。北师大版选用银边翠、银边天竺葵、彩叶草等斑叶植物作为实验材料，苏科版则利用银边天竺葵、银边长春藤、青菜(分别选取根、茎、叶片和叶柄)作为实验材料。其实验流程均为先光照，再脱色滴加碘液，观察绿色部位与非绿色部位的现象。通过此现象的观察，更有利于学生对“光合作用”条件的理解。

2.6 观察叶绿体 只有苏教版设置了此实验，目的是为了让学生通过亲身体验，加深对“光合作用”场所的认识。其他教材鉴于已设置观察叶片结构的实验，就没有设置此实验的必要了。

3 实验优化

目前，较少的生物学课时无法保证以上实验全部开出。因此，可通过整合、优化实验，达成多级探究目标就能解决这一矛盾。通过比较研究发现，如果在验证“绿叶在光下制造有机物”实验中，使用银边常春藤或银边天竺葵等斑叶植物替代天竺葵，除了能够验证绿叶在光下制造淀粉，探究光是绿色植物“光合作用”的必要条件外，还能拓展延伸实验内容，验证绿色植物进行“光合作用”需要的另一必要条件——光合色素，并由此推测出“光合作用”的场所是叶绿体。

在使用废弃的矿泉水瓶作为反应装置验证“光合作用制造氧气”的实验中，往溶液中滴加BTB(溴麝香草酚蓝)，在验证“光合作用”产生氧气的同时，还能根据光照后溶液颜色的变化验证光合作用需要二氧化碳作为原料(图略)，以优化实验步骤和实验效果，实现多级探究目标的达成。

学生只需通过以上两个实验即可获得大量关于“光合作用”的原料、产物和条件等事实性知识，再结合“光合作用”科学史、光合作用原理在农业生产上的应用的介绍，即可生成“光合作用”这一重要概念。