“探究光強對光合作用強度的影響”的實驗改進

王玉龍 羅郅杰 謝紫琳 張繼丹

（廣東實驗中學 廣東廣州 510055）

高中生雖然學習了光合作用的原理和過程，但對光合作用的理解大多還停留在原料和產物上，并不能從速率上深刻理解光合作用，也不能深刻理解影響光合作用的因素。 實驗探究中，學生在區分定性與定量實驗、設計科學的實驗記錄表，保障單一變量原則、得出結論等方面，還存在一些知識或技能短板?！疤骄凯h境因素對光合作用強度的影響”這一實驗為解決此問題提供了契機。 該實驗是必修1中的重要實驗，但教材中所提供的是大的方向和原理，對實驗中具體的操作和細節并未涉及，而這些操作對實驗結果的穩定性及可重復性有較大影響。為使實驗結果和重復性更穩定，并提高學生的探究能力，本實驗在實驗材料、抽氣裝置、抽氣方法、光照強度的控制及測量、CO2濃度的控制與測量、數據處理等方面進行了改進，并進行了定性和定量探究，且效果顯著。

1 實驗材料及裝置的改進

選用“不結球小白菜”為實驗材料，可快速抽氣且上浮效果顯著；采用100 mL 注射器和橡皮泥對葉片進行抽氣；采用攝影棚排除外界光線對光強的影響，并對光強進行定量控制；采用可調節亮度的LED 燈，保證光源的穩定，并利用光照強度傳感器測定光強； 以5 min 內小圓葉片上浮數量作為因變量，光強作為自變量，進行作圖。 定量測定時， 選取5 片菠菜葉片而非整株植物； 采用CO2傳感器對瓶內的CO2含量進行定量測定；每次測量前，為保證密閉瓶內初始CO2濃度盡可能一致，采用氣泵對瓶內氣體進行換氣處理；對所測定的瓶內CO2含量進行分析處理，轉換成單位時間內CO2變化量； 實驗中每2～3 人一組合作完成，成果共享，誤差共同分析。 在定性和定量測量的基礎上作出光照強度對光合作用強度影響的曲線。

1.1 對定性實驗——小圓形葉片上浮實驗的改進

1）選取“不結球小白菜”為材料，進行小圓形葉片上浮的定性實驗。 筆者對多種生物材料，如葉片較厚的菠菜，以及油麥菜、番薯葉、辣椒葉、不結球小白菜等材料進行探究，發現“不結球小白菜”抽氣時所需時間較短，較易下沉，且上浮效果顯著。

2）對小圓形葉片抽氣時選用100 mL 注射器和橡皮泥。抽氣時選用容積較大的100 mL 注射器，可一次對較多葉片進行抽氣，排除了多次抽氣操作的誤差。由于容積較大，抽氣時氣壓降低較大，需施加的作用力也較大， 故不能用手指堵住注射器前端，而用橡皮泥塞住，可更有效地施力和抽氣。

3）在攝影棚內觀察葉片上浮情況。本次定性實驗的關鍵性操作是排除外界不穩定性光照的影響，若通過調節臺燈距離控制光強，實驗室內的光線會有較大誤差，用攝影棚可解決該問題。 本實驗所用的攝影棚是由黑色不透光材料圍成的40 cm×40 cm×40 cm 的箱子， 側面有一個可調節大小的窗口，可通過側窗觀察箱內情況。 將箱子封閉后，內部光強為0 lx。 該箱子的頂部架設有LED 燈，可以通過調節燈的亮度，控制箱內的光強。為實現單一變量原則提供了良好保障，增強了可重復性。

4）選用可調節亮度的LED 燈，并利用光照強度傳感器測定每組的光強。在小圓形葉片的定性實驗中，選用可調節亮度的LED 燈作為光源，同時利用光照強度傳感器測定葉片所處光強。各小組通過調節控制LED 燈亮度， 測得了光強在0～3 025 lx范圍內小圓形葉片的上浮情況， 實驗裝置中LED燈發熱較少，減少了溫度對光合作用強度的影響。

5）選用單位時間（5 min）內小圓形葉片上浮數據代表光合作用速率，并作圖。 在數據處理上，若對每片小圓形葉片的上浮時間作圖， 則此圖并不能反映光合速率， 只有對單位時間內小圓形葉片的上浮情況作圖，才能代表光合速率。實驗中若選用10 min 內的上浮數據，不同光強下的上浮數量區別不夠顯著，5 min 內的上浮數據有一定差異， 故以5 min 內小圓形葉片的上浮數量表示光合速率。

1.2 定量測量光照強度對光合速率的影響

1）定量測定時，選取菠菜葉片而非整株植物。菠菜葉片較厚、較濃綠，光合速率較明顯，定量實驗中，以菠菜作為實驗材料。 摘取5 片葉片，置于密閉、無色透明的塑料瓶中，其中4 片貼壁放置，1 片放于中央。 實驗中不采用整株植物，是因為葉片之間彼此遮擋，不同放置方式會有較大誤差，且較難保證是單位面積的葉片進行光合作用， 導致各組別之間存在較大差異。

2）采用CO2傳感器對密閉瓶內的CO2含量進行定量測定。 光合速率即為單位時間內CO2的吸收量或O2的產生量。若要定量探究光強對光合速率的影響，必須要對氣體數據進行定量測定。 CO2傳感器比O2傳感器靈敏度更高，能較為準確地測定，故選用CO2傳感器而非O2傳感器。

3）采用氣泵對密閉瓶內的氣體進行換氣。 定量測量中，須盡可能保證瓶內CO2濃度的穩定，而連續測量時密閉瓶內CO2濃度是不斷下降的，故需對瓶內的氣體進行換氣處理。 若每次測量后將密閉瓶從攝影棚中取出， 打開瓶蓋與大氣連通而自行換氣，待換氣完成后再放回，此操作中換氣所需時間較長，同時會造成較大的誤差（例如葉片萎蔫狀態的變化、密閉瓶所處位置的改變、葉片位置的改變等）。 為減少上述誤差，將此裝置連接通氣泵和出氣管，通過控制通氣泵和出氣管，在不改變密閉瓶的位置和葉片狀態的情況下， 對瓶內氣體進行換氣。

4）對數據進行分析處理，轉化為單位時間內的變化量。 CO2傳感器所測得的數據是每個時刻下瓶內CO2的濃度（mg/L），此數據并不能代表光合速率，只有將其換算成單位時間內的變化量，才可代表光合速率。所以在數據處理上，選取相同時間間隔下的數據，對其求平均值，并除以對應間隔時間，得到單位時間內CO2吸收量，用于表示光合速率。

2 實驗操作細節的改進

2.1 以小圓形葉片為材料的定性實驗中的操作改進

1）打孔。打孔時，選用直徑為1 cm 的打孔器，將大小接近的葉片重疊在一起，置于泡沫墊上，用打孔器快速用力按壓，避開主葉脈，即可一次獲得較多的小圓形葉片。

2） 抽氣。 100 mL 注射器吸力較大，2 位學生合作進行抽氣， 在抽氣時可觀察到葉片表面有氣泡冒出，通過拍打或搖晃注射器使葉片較快抽氣，并沉底。

3）觀察與記錄小圓形葉片的上浮數據。 通過攝影棚的側窗觀察攝影棚內葉片的上浮情況，并將小圓形葉片“動身”的那一刻記為上浮時間，精確到秒。

4）統計全班上浮數據，計算平均值并作圖。全部小組觀察結束后， 每組將本小組5 min 內的上浮數據記錄，匯總全班數據后，計算平均值，并描點、連線，繪制曲線。

2.2 以菠菜為材料的定量測定實驗

1）菠菜葉片的選取與放置。 摘取5 片顏色深淺、葉片大小等生長狀態相近的菠菜葉片，置于密閉無色透明塑料瓶中。 其中4 片貼瓶壁放置，1 片放于中央。

2）CO2傳感器和光照強度傳感器的連接。 CO2傳感器為黑色長方體外觀， 對攝影棚內的光照吸收較多。若置于密閉瓶四周，則對瓶內光照影響較大，故將其置于密閉瓶頂部，降低對光強的影響，提高實驗的穩定性和可重復性。

3）測量時初始CO2濃度的控制。 為使每次測量時瓶內的初始CO2濃度一致， 在瓶蓋上設置進氣管與出氣管，并將進氣管與氣泵相連。每次測量前，先調節光強，并立即打開氣泵與出氣管，對瓶內的氣體進行換氣，待換氣完畢后，關閉出氣管。

4）數據的讀取。 本實驗所采用的CO2傳感器在測量時有一定的緩沖時間， 并不能即時顯示當時瓶內的CO2數據。每次改變光強及換氣后，要待CO2傳感器示數變化相對穩定后才能讀數， 并將此時電腦顯示的數據次數記為初始讀數次數。 為減少實驗誤差，本實驗中讀取間隔10 次的2 組數據，即以10 次后的數據為該光強下的終止讀數次數，并記錄初始與終止讀數時CO2濃度的數值。每次數據的間隔是10 s， 故本實驗中以100 s 內的CO2變化量衡量光合速率。

5）數據的處理。 將不同光照強度下初始讀數時的CO2濃度與終止讀數時的CO2濃度做差，其差值除以間隔時間100 s，即為菠菜葉片的光合速率，并對相應數據作圖。

3 實驗材料及裝置

圖1 連接LED 燈的攝影棚

3.1 實驗材料 本實驗所選用的植物材料為不結球小白菜和菠菜。

3.2 實驗裝置 本實驗的有關設備有 “朗威-DISLab”，包含光照強度傳感器、CO2傳感器、數據采集器、 密閉瓶及電腦軟件讀取系統，100 mL 注射器、橡皮泥、打孔器、40 cm×40 cm×40 cm 的攝影棚、LED 燈、氣泵。 實驗設備、裝置的連接、數據的讀取見圖1～圖3。

圖2 密閉瓶、氣泵、CO2 與光照傳感器的連接

圖3 某時刻電腦所顯示的CO2 數據

4 實驗結果

改進實驗后，學生所得的實驗結果較為理想，實驗數據及結果如表1～表3、圖4～圖5。

1）以小圓形葉片為材料的定性實驗結果及圖像。

表1 第1 小組內10 個小圓形葉片上浮對應時間（光強為956 lx）

表2 全班各小組5 min 內小圓形葉片上浮數量（組別0 為對照組黑暗下的數值）

2）以菠菜葉片為材料的定量測定實驗結果及圖像。

圖4 圓形小葉片上浮數量隨光強的變化曲線

圖5 光照強度對菠菜光合速率的影響

表3 光照強度對菠菜光合速率的影響結果記錄

5 總結

本實驗為教材中為數不多的探究實驗， 但受實驗條件和實驗操作細節的影響， 一些學校并未開展此實驗，或即便開展實驗效果也不太理想，不能較好地印證光照強度對光合作用強度的影響，進而影響了學生科學素養的養成。 本研究對實驗改進后，材料、裝置易獲取，實驗效果穩定，可重復性高，且有定性和定量2 種測定方法，可供不同學校依據自身條件進行選擇。 學生經歷此探究過程后，能闡明單一變量的實驗原則，以及控制單一變量的方法；鍛煉實驗操作技能，掌握“真空滲水法”， 能應對一些復雜的、 有技術含量的操作；增強小組合作學習的能力， 能協調配合完成相應操作，例如抽氣、觀察記錄實驗結果等；提高數據處理和作圖的能力，認識光合速率的變化；理解結構與功能相適應的生命觀念； 培養實事求是的科學態度和科學精神； 掌握科學探究的一般步驟及相應的思維范式；有助于樹立環境保護的意識，倡導低碳出行的健康生活方式。