“探究光照強(qiáng)度對植物凈光合速率的影響”教學(xué)案例

邵 昂 （浙江省金華市第一中學(xué) 浙江金華 321015）

1 教學(xué)指導(dǎo)思想

在《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》實施建議中提出：“在重視定性實驗的同時，也應(yīng)重視定量實驗，讓學(xué)生在量的變化中了解事物的本質(zhì)。教師應(yīng)向?qū)W生提供機(jī)會學(xué)習(xí)量的測定，實事求是地記錄、整理和分析實驗資料、定量表述實驗結(jié)果等［1］。”在定量測定過程中，學(xué)生從實驗操作、觀察實驗現(xiàn)象、記錄實驗數(shù)據(jù)、定量分析數(shù)據(jù)到表述實驗結(jié)果的整個過程中，會發(fā)現(xiàn)一系列問題，通過解決這些問題，學(xué)生能夠很好地提升實驗與探究能力、獲取和處理信息的能力、分析和解決問題的能力，以及理解與表達(dá)等能力。

“探究環(huán)境因素對光合作用的影響”選自浙科版必修1第2章第5節(jié)，是課程標(biāo)準(zhǔn)要求的一個學(xué)生活動，在《浙江省普通高中學(xué)科指導(dǎo)意見》中明確提出對該活動的各種要求。然而，由于實驗條件的限制，很多學(xué)校并未有效開展本實驗，大多以講授的形式進(jìn)行教學(xué)。但教材編寫者的目的是通過本實驗的探究過程提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)、設(shè)計實驗、分析討論等能力。如果以講授式進(jìn)行教學(xué)，教材編寫者的目的將難以實現(xiàn)。該實驗是高中生物學(xué)進(jìn)行實驗教學(xué)的良好素材，既能培養(yǎng)和提高學(xué)生實驗設(shè)計與實驗探究的能力，又能使學(xué)生體會生物學(xué)與生產(chǎn)、生活緊密聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

本實驗是一個開放性實驗，教材中只提供了實驗材料與部分實驗器材，在設(shè)計實驗步驟的過程中遇到了一些問題。筆者在充分了解學(xué)生已有知識與技能的基礎(chǔ)上，進(jìn)行以下4點(diǎn)改進(jìn)：

1）用光飽和點(diǎn)相對較低的綠蘿取代黑藻或金魚藻，通過研究發(fā)現(xiàn)，金魚藻的光飽和點(diǎn)約11 000 lx［2］，黑藻的光飽和點(diǎn)更高，約 27 500 lx［3］；

2）在反應(yīng)箱周圍設(shè)計一圈水槽，再在白熾燈與反應(yīng)箱之間設(shè)計雙層水槽，在3層防護(hù)下，確保反應(yīng)箱中的溫度保持恒定；

3）運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)字化實驗儀器——氧氣與光照強(qiáng)度傳感器，快捷、準(zhǔn)確地測量反應(yīng)箱中的氧氣含量與接受到的光強(qiáng)，通過計算斜率，用斜率表示凈光合速率；

4）利用Excel的繪制曲線功能，獲得隨光照強(qiáng)度增加的凈光合速率變化曲線，找到綠蘿生長的最適光照強(qiáng)度。

利用光合速率變化曲線，幫助學(xué)生理解“光飽和點(diǎn)”與“光飽和點(diǎn)下的光合速率”，通過變式訓(xùn)練“當(dāng)環(huán)境條件改變時，判斷光飽和點(diǎn)的變化趨勢”進(jìn)一步鞏固光飽和點(diǎn)知識；理解光照強(qiáng)度對凈光合速率的影響。學(xué)生能夠找到最適宜于綠蘿生長的光照強(qiáng)度，與工廠化培育綠蘿聯(lián)系起來，體會生物學(xué)與生產(chǎn)生活實際的聯(lián)系，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，并取得了很好的教學(xué)效果。

2 教學(xué)目標(biāo)

1）知識目標(biāo)：設(shè)計單因子對照實驗方案；分析光強(qiáng)度對凈光合速率的影響；概述光飽和點(diǎn)的定義；分析環(huán)境因素的改變對光飽和點(diǎn)的影響。

2）能力目標(biāo)：運(yùn)用控制變量法；熟練使用傳感器與電腦；測定某光強(qiáng)下的凈光合速率；制作隨光照強(qiáng)度增加的凈光合速率變化曲線；嘗試對實驗結(jié)果進(jìn)行分析和解釋；得出相應(yīng)的結(jié)論。

3）情感態(tài)度與價值觀目標(biāo)：認(rèn)同本實驗探究方法；關(guān)注生產(chǎn)生活實踐中環(huán)境因素對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響；認(rèn)同光合作用原理對提高農(nóng)作物產(chǎn)量的指導(dǎo)作用；在討論中學(xué)會與他人溝通，體驗團(tuán)隊協(xié)作學(xué)習(xí)的過程；養(yǎng)成創(chuàng)新和探求新知的能力；形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，養(yǎng)成良好的實驗習(xí)慣，提高生物學(xué)素養(yǎng)。

3 實驗材料與裝置

綠蘿：取材容易、光飽和點(diǎn)較低。能夠在較低的光強(qiáng)（7 000 lx）下通過設(shè)置一系列梯度的光照強(qiáng)度測定凈光合速率。

光源的選擇：使用白熾燈，不考慮LED燈。通過預(yù)實驗發(fā)現(xiàn)，在LED燈（5 000 lx）的照射下，氧氣傳感器顯示反應(yīng)箱內(nèi)的氧氣含量略微下降，如圖1所示。當(dāng)時間為0 s時，氧氣含量約22.6%，但是空氣中的氧氣含量約21%，造成氧氣含量偏高的原因是：①在實驗操作過程中，先將葉片放入反應(yīng)箱，接著蓋上蓋子，最后通過氧氣傳感器檢測氧氣含量。在此過程中，綠蘿葉片會進(jìn)行光合作用，產(chǎn)生一定量的氧氣。②本校地址在郊外，周邊綠化程度較高，氧氣含量相對較多。

圖1 LED燈（5 000 lx）照射下的O2含量變化圖

3%NaHCO3溶液:通過預(yù)實驗發(fā)現(xiàn),3%NaHCO3溶液能夠提供充足且恒定的CO2。

實驗裝置：因為一片綠蘿在10 min內(nèi)產(chǎn)生的氧氣量有限，為使測量結(jié)果明顯，應(yīng)該將反應(yīng)箱設(shè)計得足夠小；在足夠小的空間內(nèi)要放下一片綠蘿，又需保證其接觸到足夠多的光照，應(yīng)將反應(yīng)箱的邊長設(shè)計成一片綠蘿的寬度，在測量大量成熟綠蘿葉片的基礎(chǔ)上，將反應(yīng)箱設(shè)計為邊長為6 cm、高為17 cm的長方體；因為白熾燈的光線中含有大量的熱能，會強(qiáng)烈影響反應(yīng)箱內(nèi)的溫度，故在反應(yīng)箱周圍設(shè)計3層水槽；因為需要光強(qiáng)傳感器測量葉片接受到的光強(qiáng)，而傳感器感受光的位置應(yīng)與葉片一致，故在反應(yīng)箱側(cè)面中間設(shè)計“光強(qiáng)傳感器托槽”；因為需要氧氣傳感器測量氧氣，故在反應(yīng)箱蓋上開孔，如圖2所示。

圖2 實驗裝置示意圖

課前任務(wù)單：項目與內(nèi)容如表1所示。

表1 課前任務(wù)單中項目與內(nèi)容

學(xué)案：見附件。

除此之外還需要氧氣和光強(qiáng)度傳感器、電腦、遮光布、橡皮泥等。

4 教學(xué)過程

本節(jié)課的教學(xué)流程如圖3所示。

圖3 本節(jié)課教學(xué)流程圖

4.1 創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課 投影顯示一個普通的溫室大棚，結(jié)合年前持續(xù)陰雨天、陽光嚴(yán)重不足導(dǎo)致草莓大量減產(chǎn)的現(xiàn)狀，提問：怎樣才能提高大棚內(nèi)植物的產(chǎn)量？需要為植物提供最適宜的光照強(qiáng)度、CO2濃度等，但是在此之前，必須先知道該植物生長的最佳環(huán)境條件。基于草莓減產(chǎn)現(xiàn)象導(dǎo)入新課，明確主題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

4.2 新課教學(xué) 請一位學(xué)生匯報“課前任務(wù)單”，其他學(xué)生可提出質(zhì)疑與補(bǔ)充。在討論結(jié)果的基礎(chǔ)上介紹本次實驗的實驗步驟。在課前預(yù)習(xí)過程中，培養(yǎng)學(xué)生分析單因子變量實驗的自變量、因變量、無關(guān)變量及控制方法，并討論得出實驗思路。通過課堂上的討論取長補(bǔ)短，并認(rèn)同教師的實驗步驟。

將學(xué)生分為6組，每組取大小相同的綠蘿葉片1片，搭建實驗器材、設(shè)置軟件參數(shù)、設(shè)置相應(yīng)的光照強(qiáng)度（分別為 0 lx、2 000 lx、4 000 lx、5 000 lx、6 000 lx、7 000 lx）， 保證其他條件相同且適宜。在此過程中，教師應(yīng)仔細(xì)觀察各組實驗情況、巡回輔導(dǎo)、答疑解惑。

將傳感器測量數(shù)據(jù)的時間設(shè)定為10 min，需充分利用這段時間。當(dāng)每組電腦均開始記錄實驗數(shù)據(jù)時，提問：電腦中的曲線能代表氧氣釋放速率嗎？如何得到在某光照強(qiáng)度下的凈光合速率？學(xué)生應(yīng)先理解電腦中曲線的含義（如圖4所示），再思考如何轉(zhuǎn)換成凈光合速率。在此過程中培養(yǎng)學(xué)生獲取和處理信息的能力、理解與表達(dá)的能力。

圖4 光照強(qiáng)度為6 000 lx時，反應(yīng)箱內(nèi)的O2含量變化曲線

通過“斜率法”，計算出曲線的斜率表示凈光合速率，如圖5所示。但是遇到新的疑惑，曲線的斜率單位是%/s，它會隨著反應(yīng)箱大小的改變而改變，應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為μmol/s，轉(zhuǎn)化的方法呈現(xiàn)在學(xué)案上，見附件。充分利用數(shù)據(jù)采集的時間，學(xué)生在此期間閱讀學(xué)案的第2與第3部分內(nèi)容，旨在培養(yǎng)學(xué)生的閱讀及理解能力，理解如何進(jìn)行單位換算，并為繪制曲線做準(zhǔn)備。

圖5 斜率法計算凈光合速率示意圖

傳感器數(shù)據(jù)讀取結(jié)束后，每組學(xué)生匯報本組所得曲線的斜率并進(jìn)行單位轉(zhuǎn)化，再通過學(xué)案上的方法繪制出隨光照強(qiáng)度增加的凈光合速率變化曲線，如圖6所示。學(xué)生在充分理解光照強(qiáng)度對光合作用的影響下描述曲線含義，并幫助其他學(xué)生更好地理解該曲線。在此基礎(chǔ)上，引出概念“光飽和點(diǎn)”與“光飽和點(diǎn)作用下的凈光合速率”，幫助學(xué)生更好地理解2個概念及區(qū)別。

圖6 光照強(qiáng)度對綠蘿凈光合速率的影響

4.3 拓展延伸 當(dāng)環(huán)境條件改變時，判斷光飽和點(diǎn)的變化趨勢：①若綠蘿缺乏Mg元素；②若二氧化碳濃度從較低提升至適宜。通過變式訓(xùn)練，幫助學(xué)生加深對光飽和點(diǎn)的理解。

4.4 知識遷移 在實驗結(jié)果中發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象：當(dāng)光照強(qiáng)度繼續(xù)升高時，凈光合速率并不會維持不變，反而會下降。提問：在工廠化培育綠蘿的過程中應(yīng)注意什么光照條件？鼓勵學(xué)生利用本次實驗的原理和方法，繼續(xù)探究其他環(huán)境因素對綠蘿凈光合速率的影響。也可換成經(jīng)濟(jì)效益更好的植物，找到最適宜的外界環(huán)境，為經(jīng)濟(jì)效益最大化打下基礎(chǔ)。旨在鼓勵學(xué)生對所學(xué)的新知識進(jìn)行遷移，解決生產(chǎn)生活中的實際問題。

5 反思總結(jié)

通過本節(jié)課的教學(xué)實踐，發(fā)現(xiàn)最值得反思和總結(jié)的問題是對無關(guān)變量的控制。若無關(guān)變量全由學(xué)生探究，難度大、耗時多，所以教師需要在課前做大量的預(yù)實驗，例如反應(yīng)裝置的設(shè)計、葉片的大小、二氧化碳濃度的控制等。通過預(yù)實驗，得到大量數(shù)據(jù)，積累了豐富經(jīng)驗并發(fā)現(xiàn)相關(guān)問題，為更好地落實本實驗課的教學(xué)目標(biāo)，做好充分準(zhǔn)備。學(xué)生雖然不用直接探究無關(guān)變量的設(shè)置，但教師需通過學(xué)案的方式培養(yǎng)和提高學(xué)生設(shè)計單因子對照實驗的能力。

附件：

“探究光照強(qiáng)度對植物凈光合速率的影響”學(xué)案

1 實驗結(jié)果

光照強(qiáng)度（lx） 斜率（%／s） 氧氣釋放速率（μmol／s）0 2 000 4 000 5 000 6 000 7 000

2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

反應(yīng)箱的尺寸為：長（6 cm）×寬（6 cm）×高（17 cm），氣體的摩爾體積為22.4 L/mol，若氧氣含量增加1%，則為______μmol。

解析：1）求氧氣的體積增加量：

1%×（6×6×17-100）=5.12 mL， 即 5.12×1/1 000=0.00512 L。

2）轉(zhuǎn)換成物質(zhì)的量：

0.00512/22.4=0.000229 mol,即為 229 μmol。

3 繪制凈光合速率變化曲線

1）打開 Excel軟件，在 A1中輸入“光強(qiáng)”，B1中輸入“斜率”，C1中輸入“氧氣釋放速率”，接著輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)（注意：因為從斜率到氧氣釋放速率，要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，利用 Excel自身的計算能力，即在 C2中輸入“=B2×229”，再點(diǎn)擊“回車”鍵，即看到運(yùn)算結(jié)果，再選中C2，將鼠標(biāo)放在該方框的右下角，出現(xiàn)黑色“+”符號，拖拉“+”號至 C7）。

2）選中數(shù)據(jù)。（按住“control”鍵，選擇 A列和 C列數(shù)據(jù)）

3）點(diǎn)擊“插入”“圖表”“XY 散點(diǎn)圖”中的“平滑線散點(diǎn)圖”，點(diǎn)擊“下一步”。

4）圖表標(biāo)題設(shè)置為“光照強(qiáng)度對綠蘿光合速率的影響”，X軸設(shè)置為“光照強(qiáng)度（lx）”,Y軸設(shè)置為“氧氣釋放速率（μmol/s）”（注意“μ”在搜狗輸入法中文下可通過輸入“V6”找到該字母）。點(diǎn)擊“完成”。

5）記錄曲線。

圖7 光照強(qiáng)度對植物凈光合速率的影響

4 改變環(huán)境條件，判斷光飽和點(diǎn)變化趨勢

1）若綠蘿缺乏Mg元素，則光飽和點(diǎn)______。

2）若二氧化碳濃度從較低提升至適宜，則光飽和點(diǎn)________。

［1］中華人民共和國教育部.普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn).北京:人民教育出版社,2012.

［2］陳剛,謝田,莫非.光照、NaHCO3和pH值對金魚藻光合作用的影響.貴州環(huán)保科技,2004,10(4):16.

［3］蘇文華,張光飛，張云孫，等.5種沉水植物的光合特征.水生生物學(xué)報,2004,28(4):391.

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