环境因素对光合速率的影响探究

广东省佛山市南海区石门中学 高 捷

“探究环境因素对光合作用强度的影响”是国家教材委员会专家委员审核通过的2019普通高中教科书生物学（人教版）必修一第五章第四节探究实践的学生实验。学生通过课本提供的实验材料进行预实验后发现了不少问题，针对这些问题作出实验改良方案并完成进一步的探究实验。

一、预实验反馈的问题

课本提供的实验方案分为两部分，一是利用真空渗水法排除叶肉细胞间隙中的空气，使相同面积的叶圆片沉于水中。在光合作用过程中，植物释放出O2，由于O2在水中的溶解度较低，积累在细胞间隙，从而降低了叶圆片的密度，使原来下沉的叶片重新上浮。因此，根据单位叶圆片上浮所需时间的长短，能比较光合作用速率的强弱。二是利用5瓦LED灯泡提供光源，利用光源与烧杯的距离控制不同的光照强度，实现单一变量的控制。

在预实验过程中，学生发现的问题有：（1）灯源强度不足，实验时间过长。（2）控制烧杯距离后导致前后烧杯相互遮挡，影响实验单一变量。（3）无法排除其他光源（太阳光）的干扰。（4）无法探究其他环境因素（不同波长的光、温度或CO2浓度）对光合速率的影响。（5）无法定量分析光合速率的快慢。

二、实验的改进

（1）学生利用4个牛奶箱制作出实验操作箱，在牛奶箱的顶部安上24瓦LED光源，形成3个相对独立的探究室，解决烧杯相互遮挡及排除其他光源干扰的问题。

（2）利用硬纸板做隔板，调整隔板与灯源的距离，实现光强的控制。（改进实验）

（3）利用彩色滤光片改变光质，实现不同光质对光合速率的影响探究。（实验拓展）

（4）利用恒温杯垫控制不同环境温度，实现温度对光合速率的影响探究。（实验拓展）

（5）利用排水法定量探究不同光照强度下黑藻的光合速率。（实验拓展）

（6）利用透明塑料瓶制作的密闭空间探究上海青在光合作用过程中CO2的变化情况。（CO2传感器的配合使用）

三、学生实验设计思路和创新点

（一）学生实验设计思路

通过查阅文献和市场调查，自主筛选合适的光源和加热设备，以提高实验效率，减少实验误差。最终选择24瓦LED灯盘作为光源，选择圆形恒温杯垫控制温度，自主改进实验装置，利用随处可得的牛奶箱搭建新型实验操作箱。

（二）学生实验创新点

1.高效性

在进行预实验时，一个5瓦的LED灯泡在“探究光照强度对光合作用强度的影响”实验中，耗时较长，用24瓦LED灯泡替换5瓦的LED灯泡后，能在10分钟内完成实验。提升光强后，明显缩短实验时间，各组结果差异明显，实验效率显著提高。

2.可控性

在预实验中，学生通过调节距离来控制光强，设置了多个梯度，当烧杯之间距离远时，后面烧杯光强弱，无法完成实验；烧杯间过近时，相互会有明显的遮挡，实验效果不好。在新的实验操作箱中，通过调节各操作箱内隔板的高度，就能实现单一变量的控制。在“探究光质对光合作用强度的影响”的拓展实验中，彩色滤光片就可以调节操作箱内的光质。在“探究温度对光合作用强度对影响”拓展实验时，恒温杯垫的温控区间在30℃～55℃，可以实现多级温控调节，学生利用冰水和多级调节温控杯，实现低温、适温、高温三个区间的对照。

3.安全性

LED灯功率低，属于冷光源且在箱体内，不需要频繁置换。恒温杯垫温度低于60℃，学生实验操作的安全性大幅提高了。

4.多变性

高中生物课程该部分的参考案例是探究光照强度对光合作用的影响，经过学生改良的实验装置实现了对温度、CO2浓度、光质等环境因素的探究，实现了同一装置多元探究的目的。

5.便捷性

利用废旧牛奶箱制作的实验装置轻便，易于携带，该实验结束后还可以回收，实现了变废为宝的过程。

该装置结合教师的建议改良后，改进的装置可以作为教具使用，便于推广。

四、实验教学内容

本实验分为2课时。第一课时：预实验，课后设计并改进实验方案；第二课时：实施实验方案。在第二课时中，各小组的主要实验内容如下所示。

实验一：探究光照强度对光合作用强度的影响（改进装置后再实验）。

实验二：探究不同波长的光对光合作用强度的影响。

实验三：利用黑藻探究温度对光合作用强度的影响（排水法）。

实验四：利用黑藻探究CO2浓度对光合作用强度的影响（排水法）。

实验五：利用上海青幼苗探究密闭空间内CO2浓度的变化情况（CO2传感器实现电脑数字化分析实验数据）。

五、实验过程

（一）设计方案，制作探究装置

教师利用第一课时复习光合作用的过程，并引导学生思考影响光合速率的环境因素，带领学生完成书本提供的参考案例，课后让学生针对初次实验的不足对实验做改进，并设计拓展实验方案。学生利用周末时间完成实验装置的设计制作。

（二）实施实验，获取数据

（1）第1、2组学生用真空注水法制备叶圆片，使叶圆片沉于水底，遮光备用。随后取100mL烧杯若干，各倒入80mL 25℃1.5%NaHCO3的溶液。在每个烧杯中放入叶圆片10片，将各组烧杯放入实验操作箱开始实验，观察并记录7片叶圆片的上浮时间。在实验过程中，将实验数据记录在准备好的表格中便于进行数据分析。

（2）第3组学生利用天平称量等量的黑藻，放入事先准备好的透明矿泉水瓶内，向瓶内注入等量的25℃1.5%的NaHCO3溶液，盖上处理后的瓶盖（瓶盖上插入一根长软管，软管没入瓶内的NaHCO3溶液中），形成密闭空间。将黑藻瓶置于不同的温度水域中，记录光照相同时间内软管排出的水量。在实验过程中，将实验数据记录在准备好的表格中便于之后进行数据分析。

（3）第4组学生配置不同浓度的NaHCO3溶液，再利用黑藻瓶排水法测量不同浓度CO2（用NaHCO3溶液替代）条件下光合速率的差异。记录25分钟软管排出的水量。在实验过程中，将实验数据记录在准备好的表格中便于之后进行数据分析。

（4）第5组学生利用密闭空间的上海青幼苗探究单位时间内的实际光合速率，实现数学模型建构。

（三）分析数据，得出结论

（1）学生取7片叶圆片上浮时间的倒数作为光合速率的衡量指标，制成折线图或柱状图。实验一结果表明：随光强上升，光合速率显著上升。

（2）实验二结果表明：①红光照射组的叶圆片上浮速度最快，蓝光次之，绿光最低。②黄光照射组圆叶片上浮速率最快，红、蓝光次之。实验结论：①不同滤光片过滤白光后，光强都有所减低，但黄滤光片透光率最高，滤过后光强仍较高，所以黄光组叶片上浮速度快。②在相同光照强度条件下，红光组光合效率最高。

（3）实验三结果表明：①相同光强下，50℃条件下叶片上浮最快，20℃次之，5℃最低。调整实验方案：利用黑藻排水法重复温度对光合速率的影响。得出结论：在一定温度范围内，随着温度的上升，植物光合速率增快。

（4）实验四结果表明：相同光照强度下，1.5%NaHCO3小圆叶片上浮最快，2% NaHCO3次之，1%NaHCO3再次，空白对照组最次。结论：在1.5%NaHCO3中，光合速率最快。

（5）实验五结果表明：30分钟黑瓶内的CO2浓度上升，透明瓶内CO2浓度下降，通过电脑绘制每分钟变化数学模型，得出上海青在单位时间的呼吸速率，净光合速率及总光合速率。