“探究温度、光强和CO2浓度对光合作用强度的影响”的实验设计与分析

张勤勤

[摘   要]“探究温度、光强和CO2浓度对光合作用强度的影响”实验以教材内容和案例为基础，对光合作用的实验方法进行了优化，分析了不同环境因素对光合作用强度的影响。本实验以分组的方式进行，使每个学生都能充分参与实验活动，提高了学生的动手能力，激发了学生的创新意识。

[关键词] 温度;光强;CO2浓度;光合作用

[中图分类号]    G633.91        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2019）29-0095-02

探究温度、光强（即光照强度）和CO2浓度等环境因素对光合作用强度的影响是中学生物的重要内容。该实验活动的开展有助于学生深刻理解光合作用的原理和过程，掌握不同环境因素对光合作用强度的影响，同时培养学生的探究能力和解决问题能力。教材安排了一个实验案例作为指导，其目的是探究光强对光合作用强度的影响，但是在教学实际中发现案例内容单一，实验操作较为复杂，且耗时较长。因此，笔者在充分学习教材案例的基础上，对光合作用强度的影响因素做了全面的分析，在探究光强因素的基础上增加了温度和CO2浓度等因素的探究活动，从而有效实现学生对光合作用强度的影响因素及其结果的全面认识。

一、实验分组和分工

实验任务分工和对比实验分组都能有效提高实验教学效率，使学生积极主动地参与实验活动。实验中，可将学生分为3大组，每组12人，每大组又分为3个小组，每个小组4人。3个大组的实验目的不同，分别从温度、光强和CO2浓度三个角度对光合作用强度的影响进行实验探究。每个大组中3个小组所做的实验一样，其目的是研究同一个实验的实验结果的差异。在这个实验中，运用了分类实验和对比实验的方法。其中，探究“光强对光合作用强度的影响”实验中的组内分工内容包括：准备30 ℃的温水并保持温度不变;配制相同浓度的CO2浓液;调控光源与烧杯的距离;准备不含气体的叶片。探究“CO2浓度对光合作用强度的影响”实验中的组内分工内容包括：准备30 ℃的温水并保持温度不变;配制不同浓度的CO2浓液;保持光源与烧杯的距离不变;准备不含气体的叶片。探究“温度对光合作用强度的影响”实验中的组内分工内容包括：准备不同温度的温水并各自保持温度不变;配制不同浓度的CO2浓液;保持光源与烧杯的距离不变;准备不含气体的叶片。

二、实验改进设计

实验室的环境对光合作用强度的影响比较大，实验室中的光照强度相比室外较弱，且温度较低，因此，笔者针对“光强对光合作用强度的影响”的实验提出以下改进建议。

1.对光强控制的改进措施

根据教材的建议，给每个实验组配置3盏40 W的台灯做光源，通过调控光源与烧杯的距离实现对光强的控制。但是，让3个实验组在同一个实验台同时进行实验，会对实验结果产生一定的影响：一是光源相互干扰，光源之间会出现叠加现象，其叠加程度不同产生的光强和温度也不同;二是耗时较长，实验室光线较暗，以40 W的台灯作为光源，需要较长的实验时间才会出现少数叶片上浮的现象。因此，为了减少光源干扰，使实验效果更加明显，可给每个实验组配一盏100 W的台灯做光源，通过调整台灯与烧杯的距离控制光强。

2.对温度控制的改进措施

教材中没有规定实验的温度范围，但通过实验发现，以菠菜叶作为实验材料，且温度约为35 ℃时，实验现象比较明显。鉴于实验室温度偏低，与实验所需温度差异较大，且台灯功率的加大也会对实验温度造成影响，所以选择30 ℃作为实验温度。在实验中，可将热水和冷水掺和，或者采用冷却热水等方法使烧杯中的水温为30 ℃。

3.对CO2浓度控制的改进措施

教材中提到，通过玻璃管向烧杯中的清水中吹气，增加清水中CO2的浓度，但没有明确指出其含量。一般来说，植物光合作用的CO2浓度为10-3 mol/L，在实验过程中，水溶液中的CO2达到一定的浓度时实验现象较为明显。改进措施：一是向烧杯倒入30 ℃的温水约60 mL，通过塑料管向烧杯均匀自然吹气约3～5min，之后将温水平均分配倒入3个小烧杯内，使3个小烧杯内CO2浓度大致相同;二是配制相同浓度的NaHCO3溶液作为CO2来源。实验发现，3% NaHCO3溶液中的CO2浓度较高，实验前叶片下沉所需时间较长，因此选择2% NaHCO3溶液为宜。在实验中，相同的时间内不同浓度的NaHCO3溶液中叶片下沉的程度由于吹气的强度不同而难以控制，对实验结果影响较大。

除了上述3点改进措施，还可增设遮光组，使实验温度为30 ℃，使用2% NaHCO3溶液，进行对比分析，证明光是实现光合作用的基本条件。

三、 实验影响分析

1.分析CO2濃度对光合作用强度的影响

（1） 对CO2浓度的控制。CO2是光合作用的必要条件。控制CO2浓度的常用方法有两种：一是通过吹气时间控制CO2浓度，如对3个小烧杯中的水分别吹气1 min、3 min、5 min，形成浓度不同的CO2溶液;二是制成3杯浓度分别为1%、2%、3%的NaHCO3溶液，形成3杯不同浓度的 CO2缓冲液。

（2）对温度的控制。可将3个小烧杯放入装有30 ℃水的水盆中。

（3）对光强的控制。将1盏100 W的台灯置于水盆上方，通过调整台灯与烧杯之间的距离，使每个烧杯都能得到相同的光强。

（4）增加实验内容。光照组：相同的光强，温度均为30℃，作为对照组证明CO2是进行光合作用的必要条件;遮光组：3% NaHCO3溶液，温度均为30℃，排除NaHCO3分解的CO2使叶片上浮对实验结果的影响。

2.分析温度对光合作用强度的影响

（1）对温度的控制。菠菜是上好的实验材料，其最适宜的温度约为40 ℃，根据实验可控的程度将实验温度设定为 15 ℃、30 ℃、40 ℃三个梯度。为了保证实验温度不变，可将小烧杯放置在盛有相应温度的大烧杯的水中进行保温。

（2） 控制CO2浓度和光强的方法与上述方法相同。

（3）增加实验内容。增加遮光组，控制温度为40 ℃，利用2% NaHCO3溶液，以便排除NaHCO3分解产生的CO2使叶片上浮对实验结果的影响。

四、实验结果分析

以相同时间内叶片上浮的数目作为不同环境条件下检测光合作用强度的指标。

1.光强对光合作用强度影响的分析

通过光强对光合作用强度影响的实验结果分析发现，相同时间内不同距离产生的叶片上浮数量不同。距离近、光照强，上浮叶片多;距离远、光照弱，上浮叶片几乎为零;中间次之。实验中光照时间分为5 min、8 min和10 min三个时间段，在距离相同的情况下，光照的时间越长，上浮的叶片越多，但光照的距离是最主要的影响因素。

2. CO2浓度对光合作用强度影响的分析

通过比较浓度不同的三种NaHCO3溶液发现，3% NaHCO3溶液中的CO2浓度要高于1% NaHCO3溶液中的CO2浓度。可以看出，上浮的叶片在3% NaHCO3溶液中较多，而在1% NaHCO3溶液中较少，证明3% NaHCO3溶液中光合作用最强。实验叶片浸泡时间分为5 min、8 min和10 min三个时间段，在相同浓度的NaHCO3溶液中叶片浸泡的时间越长，受 CO2浓度影响而上浮的叶片也越多。

3.温度对光合作用强度影响的分析

实验中分为四个温度阶梯15 ℃、30 ℃、40 ℃和40 ℃遮光，叶片浸泡时间分别为5 min、8 min、10 min。分析實验结果发现，温度为15 ℃时叶片上浮数量最少，温度为40 ℃时叶片上浮数量最多，40 ℃遮光时叶片上浮几乎为零。在同一温度下，叶片浸泡的时间越长，其叶片上浮的数量也越多。

综上，通过对实验的改进设计，能使学生在较短时间内得到实验结果，提高了实验的时效性，同时激发了学生的求知欲望和学习兴趣。本实验所需的设备简单且容易操作，有助于学生创新精神和实践能力的培养。

（特约编辑 安   平）