探究“環境因素對光合作用強度的影響”實驗改進建議和實驗延伸

于愛玲段桂榮

（天津市濱海新區大港第三中學天津300270）

探究“環境因素對光合作用強度的影響”實驗，是高中生物學人教版必修1《分子與細胞》模塊，第5章“細胞的能量供應和利用”第4節“能量之源——光與光合作用”的內容。該實驗旨在幫助學生理解光合作用的原理和過程，并以此分析不同環境因素對光合作用可能造成的影響，預測結果并通過實驗證據得出結論。通過此次探究有助于培養學生的探究性思維和解決問題的能力。本實驗在教材中安排了一個參考案例作為指導，探究“光照強弱對光合作用強度的影響”，但在實際教學中發現該案例內容單一，操作過程復雜，耗時較長。為了進一步提高課堂效率，筆者在充分利用參考案例的基礎上，進行了實驗改進和延伸，從而高效地實現了學生對“影響光合作用的外界因素及影響結果”的全面認識。

1 分組、分工

明確的分組、分工，可有效提高課堂效率，使學生手腦并用成為實驗的參與者。在教材的基礎上適當地展開延伸，使得探究內容更加豐富和完善，從而引導學生多角度分析問題，激發學生的改革意識和創新精神，實現創造性地使用教材，提高學生的學習興趣，培養學生的合作精神（表1）。平行實驗的設置有效地避免了因偶然因素造成的實驗誤差，使實驗結果更有說服力。

表1 各小組人數及分工

2 實驗改進建議

按照正常的教學進度，本實驗需要在11月中旬進行，此時的天氣較冷，且很可能沒有供暖，實驗室內的自然光線也較弱，因此，針對“探究光照強弱對光合作用強度的影響”實驗變量的控制提出改進建議。

2.1 對自變量——光照強度控制的改進建議按照教材的建議，每個實驗組用3盞40W臺燈做光源，通過調整光源與燒杯的距離實現對自變量的控制。然而，同一實驗臺進行3個實驗組時會對結果產生一定影響：一方面，光源互相干擾。不同光源發出的光線之間會發生疊加，且疊加的程度不同，有可能改變自變量，也可能影響實驗溫度；另一方面，耗時較長。在11月中旬，自然光線較弱，特別是實驗室較陰暗時，40W臺燈作為光源，需要較長時間（一般20～25 min），才會有少數葉片上浮。

改進建議：為了盡可能減少干擾，并在較短時間內出現明顯的實驗現象，建議3個實驗組，只用一盞100 W臺燈做光源，通過調整臺燈與燒杯之間的距離控制光照強度。注意：各燒杯之間不要遮擋光源（圖1）。

圖1 光照強弱對光合作用強度的影響

2.2 對無關變量——溫度控制的改進建議教材中沒有明確該實驗所需的溫度范圍。通過多次探究發現，以菠菜葉作為實驗材料，40℃左右時，實驗現象最為明顯，在30℃左右實驗現象較明顯。由于11月中旬做此實驗時（特別是取暖期來臨之前）室溫偏低，與適宜溫度間溫差較大難以控制，所以選擇30℃作為實驗溫度。考慮到臺燈功率的加大，也會對溫度造成影響，故建議各實驗組的溫度通過水浴保溫進行控制。實驗過程中，大燒杯內的水用溫度計監測，通過加入熱水或冷水調控水溫（圖1）。

2.3 對無關變量——CO2濃度控制的改進建議對于CO2濃度的控制，教材中只是建議用口通過玻璃管向清水內吹氣的方法，制備富含CO2的清水，并沒有將其量化。植物光合作用最適CO2濃度為10－3［1］，在教學過程中，筆者發現，水溶液中的CO2也必須達到一定的濃度，才會有明顯的現象。

改進建議：

方法1：先在大燒杯內配制30℃左右的溫水約60 mL，向大燒杯內吹氣至少3～5 min（注意吹氣不宜太快，太快不利于CO2溶解，以自然呼吸頻率呼氣即可），后將溫水平均注入3個小燒杯內，這樣可使3個小燒杯內的CO2濃度基本相同。

方法2：配置相同濃度的NaHCO3溶液，作為CO2源。經預實驗發現3%的NaHCO3溶液實驗用時較短，但因溶液中CO2濃度較高，實驗前小圓葉片下沉所需時間較長（圖2）。所以選擇2%的NaHCO3溶液為宜。

圖2 相同時間內不同NaHCO3溶液中小圓葉片下沉的程度

由于不同的人用口吹氣的強度難以控制，對實驗結果可能產生較大影響，建議使用方法2。

2.4 增加實驗增加：遮光組，溫度30℃，2%NaHCO3溶液，作為空白對照，證明光是進行光合作用的必要條件。可利用實驗臺下柜子實現遮光。

3 實驗延伸

3.1 探究“CO2濃度對光合作用強度的影響”

3.1.1 對自變量——CO2濃度的控制CO2是植物進行光合作用的必要條件。設置不同的CO2濃度，常用的方法有2種。

方法1：通過限定吹氣時間控制自變量。對3個小燒杯內的水分別吹氣1min、3min、5 min（吹氣注意事項同2.3），制成不同濃度的CO2水溶液。

方法2：分別配制1%、2%、3%的NaHCO3溶液，制成不同濃度的CO2緩沖液。

3.1.2 對無關變量——溫度的控制可將3個小燒杯同時置于30℃的水浴中（可用塑料盆代替大燒杯），方法參照2.2（圖3）。

圖3 CO2濃度對光合作用強度的影響

3.1.3 對無關變量——光照強度的控制用1盞100 W臺燈，置于水浴盆上方，通過調節臺燈與燒杯之間的距離，使每個燒杯接受到相同的光照強度（圖3）。

3.1.4 增加實驗增加1：清水組，光照強度相同，溫度30℃，作為空白對照,證明CO2是進行光合作用的必要條件。

增加2：遮光組，溫度30℃，3%NaHCO3溶液，以排除NaHCO3分解產生CO2使葉片上浮對實驗結果的影響，遮光處理可參照2.4。

3.2 探究“溫度對光合作用強度的影響”

3.2.1 對自變量——溫度的控制本實驗以菠菜為實驗材料，菠菜（Spinacia oleraceaL.）又名波斯菜、赤根菜、鸚鵡菜等［2］，屬藜科菠菜屬，一年生草本C4植物。通常C4植物比C3植物光合作用的最適溫度范圍高［3］，通過預實驗發現菠菜的最適溫度在40℃左右，根據實驗材料的最適溫度設定相應的溫度梯度和溫度范圍，可將實驗組的溫度分別設置為15℃、30℃、40℃。為保證實驗溫度不變可將小燒杯置于不同溫度的大燒杯中水浴保溫（圖4）。水溫控制方法參照2.2。

圖4 溫度對光合作用強度的影響

3.2.2 無關變量——CO2濃度的控制方法參照2.3。

3.2.3 無關變量——光照強度的控制方法參照3.1.3。

3.2.4 增加實驗增加：遮光組，溫度40℃，2%NaHCO3溶液，以排除由于溫度影響NaHCO3分解產生CO2使葉片上浮對實驗結果造成影響。遮光處理可參照2.4。

3.3 探究“光質對光合作用強度的影響”

3.3.1 對自變量——光質的控制用功率相同、顏色不同的燈泡提供不同的光質。由于彩色燈泡瓦數一般都較小，市面上能買到的最大功率為40W，故本實驗采用40 W彩色燈泡，顏色分別為透明、紅色、黃色、綠色。為避免自然光的影響，建議實驗過程中拉上窗簾。為避免光質之間相互影響，建議將各實驗組用隔板隔開（圖5），或加大各實驗組間距離（圖6）。

圖5 光質對光合作用強度的影響（1）

圖6 光質對光合作用強度的影響（2）

3.3.2 對無關變量——溫度的控制方法參照2.2。

3.3.3 對無關變量——CO2濃度的控制方法參照2.3。

4 實驗結果

為便于觀察，該實驗將相同時間內上浮葉片的數目，作為不同環境條件下光合作用強度的檢測指標。

4.1 探究“光照強弱對光合作用強度的影響”實驗結果通過實驗發現，相同時間內近光處葉片上浮數量最多，光合作用強度最大（表2）。

表2 光照強弱對光合作用強度的影響

4.2 探究“CO2濃度對光合作用強度的影響”實驗結果通過實驗發現，相同時間內隨CO2濃度增加葉片上浮數增多，即在3%NaHCO3溶液中光合作用最強（表3）。

表3 CO2濃度對光合作用強度的影響

4.3探究“溫度對光合作用強度的影響”實驗結果通過實驗發現，相同時間內40℃時葉片上浮數最多，即該溫度下光合作用最強（表4）。

表4 溫度對光合作用強度的影響

4.4 探究“光質對光合作用強度的影響”實驗結果通過實驗發現，相同時間內透明燈泡照射下葉片上浮數目最多，紅色燈泡照射次之，即多色光照射下光合作用最強，其次是紅光（表5）。

表5 光質對光合作用強度的影響

經上述實驗改進，絕大多數實驗組都能在8～15 min內出現明顯的實驗現象，比改進前節省10～20 min，這樣在一節課的時間內可高效、圓滿地完成教材實驗及延伸實驗。

5 對改進實驗的評價

在充分利用教材資源的基礎上，經過以上合理改進，有效解決了該實驗教學中遇到的問題。實驗設計更加科學、嚴謹，效果明顯，可信度有了顯著提高；通過實驗的延伸，小組分工合作，在短時間內能出現明顯的實驗現象，提高了實驗教學的實效性，并有效地激發了學生的求知欲，提高學生的學習興趣；實驗中所增加的儀器簡單常見，可操作性和實用性較強，有效培養了學生的創新精神和實踐能力。

［1］馬秀杰,張耀安,黃麗萍.二氧化碳濃度對光合作用的影響.農業與技術,1996,17(2):26.

［2］郭夢露.植物激素處理對菠菜富集重金屬的影響.菏澤學院學報,2015,37(5):77.

［3］張其德.溫度對植物光合作用的影響.植物雜志,1989(3):28.