“探究CO2濃度對光合作用強度的影響”的實驗教學案例*

趙廣宇 汪紹鑫

（成都市石室中學 四川成都 610041）

1 設計思想

本節課是在學生學習了光合作用的基礎知識以后，通過 “探究CO2濃度對光合作用強度的影響”的探究性實驗，力圖以CO2濃度作為自變量、以O2生成量作為因變量，引導學生探究CO2濃度變化對光合作用影響的本質原因，以構建光合作用過程的模型，進而探索光反應與暗反應之間的關系，促進學生理解光合作用的內涵。

本節課設計了2個學生自主探究實驗：一是探究CO2濃度變化對光合作用強度的影響；二是探究CO2濃度達到飽和點后，改變光照強度對光合作用強度的影響。教學過程采取教師引導下的學生自主探究學習，即 “假設—實驗—分析—結論—模型構建”的方式，沿2條主線完成學習任務：一是知識主線，通過實驗探究的過程，引導學生深刻理解光合作用過程的知識；通過自變量→CO2濃度與因變量→O2生成量之間關系的討論，構建光反應與暗反應之間的關系，最終實現豐富和完善光合作用的知識網絡，構建光合作用的概念體系。二是能力主線，教師引導學生學會設計和控制自變量與因變量、收集和處理實驗數據、分析實驗數據得出結論，從而提升學生的實驗與探究能力。

最終，通過探究性實驗活動促進光合作用等相關知識的內化理解，實現光合作用過程模型的自主構建；同時，通過探究性實驗活動的開展，使學生領悟探究性實驗研究中，有關變量的控制、實驗數據的處理等實驗研究的方法。

2 教學重、難點

1）教學重點：探究CO2濃度變化對光合作用強度的影響；

2）教學難點：控制實驗變量；構建CO2濃度對光合作用強度影響的數學模型。

3 教學目標

1）知識目標：闡述CO2濃度等外界因素對光合作用強度的影響；說明光反應與暗反應之間的關系；總結得出CO2濃度對光合作用強度影響的變化規律。

2）能力目標：在“探究CO2濃度對光合作用強度的影響”活動中，嘗試做出預期和假設；學會控制實驗變量；學會處理實驗數據，構建光合作用過程的模型。

3）情感態度與價值觀目標：在實驗過程中，體驗科學實驗的嚴謹性、科學性。

4 教學準備

材料及主要器材：黑藻、CO2發生器、簡易pH計、組裝注射器、不同功率LED燈、錐形瓶、橡皮塞、1 mL移液管、刻度尺、燒杯等。

5 教學過程

5.1 回顧已有知識，提出探究課題 教師提出問題引導學生回顧光合作用的過程：根據光合作用過程，指出影響光反應和暗反應的外界因素分別是什么？學生回答：光照強度和CO2濃度。教師追問：能否說明光照強度和CO2濃度對光合速率影響的變化規律？學生一時難以回答這些問題，教師由此提出探究課題：以CO2濃度為例，通過實驗探究外界因素對光合作用強度的影響。

5.2 應用已學知識，預測實驗結果 教師提出：依據光合作用過程，預測CO2濃度對光合強度影響的規律性變化，并繪制曲線坐標圖。學生結合自己對光合作用知識的理解，預測有3種情況（如圖1）：①隨CO2濃度增加，光合強度先增加后減??；②隨CO2濃度增加，光合強度先增加，到一定值后會趨于平穩；③隨CO2濃度增加，光合強度一直增加。

圖1 預測CO2濃度對光合作用強度的影響

教師要求學生說明預測的理由，學生共同的觀點是：CO2是光合作用的原料，CO2濃度增大，光合作用的強度應該增大。不同意見在于：觀點①認為CO2過多會影響細胞呼吸，從而限制光合作用；觀點②認為光合作用強度達到一定數值后，植物不需要更多的有機物，因此CO2濃度再增加，光合強度不再增大；觀點③認為CO2作為光合作用的原料，其數量增加會不斷使光合作用加強。顯然，學生都無法做出正確的解釋，說明還沒有真正理解光合作用的實質，由此也激發了學生探索知識的欲望。

5.3 創新實驗裝置，探索變量控制 學生根據已有的知識和實驗技能，大都能自主完成實驗程序的設計，主要差別在于：①自變量控制方法不同；②選擇的因變量不同。這樣就導致設計的實驗裝置不同，使學生對實驗的科學性、可操作性產生分歧。

5.3.1 控制自變量，創新實驗裝置 根據設置不同濃度梯度CO2的需要，學生提出控制自變量的方法有2種：①用嘴吹氣的方式，向水體中通入不同體積的CO2氣體；②在水生植物的環境中，加入等量不同濃度的NaHCO3，以釋放不同濃度的CO2。

針對方法①，反對者認為：由于個體差異、速率、強度、時間都難以控制，設置的自變量不夠準確。學生受到習題的影響，普遍認為方法②可行，而教師提示：當環境溶液濃度增大時，水生植物細胞會受到什么影響？學生由此得出結論：環境溶液濃度增大導致細胞失水，氣孔關閉，使光合作用強度下降，影響實驗結果。學生意識到方法②存在問題，但受到已有知識和能力的制約，對如何控制自變量感到迷茫。

此時，教師展示制氣裝置——CO2發生器，并利用簡圖（圖2）講解其原理：2瓶中分別裝有檸檬酸溶液和NaHCO3溶液。多次擠壓A瓶，使檸檬酸溶液流入B瓶與NaHCO3溶液接觸，反應生成CO2氣體；當B瓶CO2過多時，壓強增大可阻止A瓶溶液流入B瓶，減少氣體生成；當B瓶CO2過少時，壓強減小則A瓶溶液順利流入B瓶，增加氣體生成。因此可產生連續、穩定、純凈的CO2氣流。

圖2 CO2發生器及簡圖

定量控制自變量的方法：控制通氣時間可定性設置自變量；也可以結合pH計，利用化學電離平衡常數（Ka）準確計算溶液中的CO2濃度。本實驗設置的CO2濃度梯度為：3.0μmol/L、6.0 μmol/L、9.0 μmol/L、12.0 μmol/L、15.0 μmol/L， 從而實現對自變量的定量控制。

學生學習CO2發生器的原理后，在教師指導下，嘗試完成裝置的裝配并練習使用（圖3），以便實現定量控制自變量的準確性。

圖3 學生練習使用實驗裝置

5.3.2 選擇因變量，構建知識體系 學生選擇的因變量為CO2消耗量或有機物生成量，但在設計實驗裝置時發現，因變量的檢測很難完成。此時，教師提示學生：可否以O2生成量作為因變量？并組織學生展開討論，在討論過程中，教師引導學生運用光合作用過程的知識，重點思考光反應與暗反應的關系。學生通過分析、討論得出：CO2濃度增大使暗反應加快，導致ATP和［H］消耗增多，因此促進光反應加速，使O2釋放速率加快。同時，教師引導學生構建概念模型（圖4）。這樣，學生在確定以O2釋放量作為實驗因變量的同時，也促進了對光合作用光反應和暗反應聯系的理解。

圖4 學生構建光合作用過程概念模型

5.3.3 安裝實驗裝置，完成實驗操作 教師講解實驗裝置（如圖 5）：250 mL錐形瓶中裝滿 CO2溶液和5 g黑藻,橡皮塞上安裝帶刻度的1 mL移液管，采用水集氣法［1］，在 LED燈下（光照強度為1.0×103lx）光照 15 min，測定 O2釋放量。 改裝注射器便于調節液柱高度。該裝置可定量測定O2釋放量：移液管上升高度通過測量，可定量轉化為O2體積。

圖5 光合作用實驗裝置

教師強調實驗注意事項后，學生按照以下步驟完成實驗操作：1）安裝實驗裝置（圖 6）；2）完成實驗操作；3）觀察實驗現象（圖 7）；4）測定、記錄、處理數據（圖8）。

圖6 學生安裝實驗裝置

圖7 學生觀察實驗現象

圖8 學生測定、記錄、處理數據

5.4 處理實驗數據，構建數學模型

5.4.1 處理數據，總結規律 學生將實驗數據記錄在坐標圖中，并繪制成曲線圖。教師要求每個小組將本組實驗數據標注在黑板坐標圖上（圖9），引導學生對數據進行分析,比較各小組實驗結果的異同。

圖9 各小組展示實驗結果數據

學生的結論是：有8個小組繪制的曲線趨勢大致相同，能夠證明CO2濃度對光合作用強度影響的規律；另外2個小組結果不同，可能是操作出現錯誤等。

教師順勢教學生學習處理有明顯偏離的數據的方法——舍棄后求平均值：舍棄偏差過大的2個小組數據，將8個小組的數據匯總求平均值。進而得出：本次實驗測得的O2釋放速率約為0～6×10-7mol/（g，min）。 以此得出規律：在3.0～12.0 μmol/L 的范圍內，隨 CO2濃度增加，光合速率增強；當 CO2濃度超過12.0 μmol/L，即在12.0～15.0 μmol/L 時，光合速率不再增強。

5.4.2 構建模型，內化概念 教師要求學生根據處理后的實驗數據，繪制平滑曲線，構建數學模型（圖10）；并要求學生闡述CO2濃度影響光合作用強度的規律及其原因：ab段，光照充足，光反應產生足量的ATP和［H］，為暗反應提供能量和還原劑；當CO2濃度增加，光合速率隨之增強。bc段，隨CO2濃度的持續增加，光反應提供的ATP和［H］不能滿足暗反應的需求，限制了暗反應的進行，光合速率不再增大而保持相對穩定。

圖10 CO2濃度對光合作用強度影響的數學模型

5.5 補充探究實驗，完善知識體系 教師提出問題：如何驗證大家對bc段的分析？學生得出：在b點以后增大光照強度,測定光合速率，并設計實驗方案：設置 CO2濃度分別為 12.0 μmol/L、15.0 μmol/L的2個實驗組，給予比前面實驗組增大的光照強度，即在使用LED燈（光照強度為 1.8×103lx），其余條件都相同的條件下，測定O2的釋放量（裝置如圖 11）。

圖11 增大光照強度探究實驗裝置

學生通過實驗，用測定的結果繪制坐標圖（圖12）。在此基礎上，教師引導學生總結光合作用的過程、光反應與暗反應之間的關系等知識，構建概念圖（圖13）。

圖12 增大光照強度后的實驗結果

圖13 進一步完善光合作用過程模型

在教師引導下，學生加深了對光合作用過程的理解，領悟了光反應與暗反應的關系，真正內化了光合作用的相關概念，完善了知識體系。

6 教學反思

1）改進實驗方法，提升探究能力。本節課最大的亮點是改進了實驗方法，使學生能夠從定量分析的角度開展實驗探究。要求學生必須掌握控制變量的方法，學會處理實驗數據，進而構建數學模型，以揭示實驗的本質。這樣，學生在探究過程中，盡管實驗操作的難度增大，但可以不斷地學習和應用實驗探究的基本原則與方法，其實驗與探究能力逐步得到發展和提升，且有利于學生對知識的理解和概念的構建。

2）探索實驗本質，促進概念構建。本節課以探究實驗活動為載體，聚焦知識板塊中的核心概念，引導學生以實驗數據為基礎，通過分析、歸納、模型構建等思維活動，對事物進行抽象和概括，最終實現讓學生通過探究性學習形成重要概念。教師將探究實驗活動與概念學習有機結合，以光合作用過程為中心統領基礎知識，引導學生形成具有內在邏輯關系的知識結構。

這樣，使學生的實驗探究與概念構建緊密相連，引導學生應用概念指導實驗，通過實驗強化對概念的理解，實現光合作用知識體系的構建。

主要參考文獻

［1］吳豐.新型光合作用探究儀的開發與應用.生物學通報,2014,49（8）：51.