“探究二氧化碳濃度對(duì)光合作用的影響”實(shí)驗(yàn)的思考與改進(jìn)

余 林 張 怡

(1 浙江省杭州學(xué)軍中學(xué) 杭州 310012； 2 浙江師范大學(xué)生化學(xué)院 金華 321004)

“探究環(huán)境因素對(duì)光合作用的影響”是浙科版高中生物學(xué)必修1中的一個(gè)開放性探究實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為豐富，并與生活實(shí)際相聯(lián)系，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力、數(shù)據(jù)分析能力和實(shí)驗(yàn)探究能力具有不可替代的作用。由于教材對(duì)實(shí)驗(yàn)的描述不夠詳盡，已有不少教師對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)材料、打孔方法、光照強(qiáng)度、CO2來源和濃度以及光合作用強(qiáng)度檢測(cè)方法的改進(jìn)，但實(shí)際操作過程中常常出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)效果不佳的情況。此外，由于高中學(xué)生的認(rèn)知水平和興趣多樣性的特點(diǎn)，專業(yè)化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備不一定能獲得理想的教學(xué)效果。

本文在參照人教版教材的基礎(chǔ)上，充分利用所在實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備和條件，考慮到實(shí)驗(yàn)材料和器具生活化的同時(shí)，遵循簡(jiǎn)便易行、仿照教材的原則，設(shè)計(jì)并實(shí)施了以碳酸飲料雪碧代替NaHCO3溶液以增加CO2濃度的方法。該實(shí)驗(yàn)主要探究CO2濃度對(duì)光合作用的影響，同時(shí)對(duì)葉圓片制取的打孔方法及真空滲水法中的注射器選擇進(jìn)一步優(yōu)化，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)探究的興趣及創(chuàng)新精神。

1 材料與方法

1.1 材料與用具 菠菜，雪碧。直徑為4 mm的塑料吸管，培養(yǎng)皿，20 mL注射器，橡皮擦，燒杯(50 mL)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)日光燈，計(jì)時(shí)器。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法 將新鮮菠菜葉片放置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，利用吸管的平口一端，按壓葉片并輕輕旋轉(zhuǎn)，即可獲得實(shí)驗(yàn)所用的圓形葉片。按壓時(shí)需避開大葉脈，可多片葉疊加打孔。將制取好的葉圓片放入盛有水的培養(yǎng)皿中，同時(shí)注意遮光，避免葉圓片因干枯萎蔫或提前進(jìn)行光合作用而影響實(shí)驗(yàn)效果。

取30枚葉圓片置于20 mL注射器內(nèi)，使注射器吸入水，將注射器口朝上，推動(dòng)活塞排除注射器內(nèi)殘留的空氣，再使注射器前端牢牢插入橡皮擦內(nèi)達(dá)到密封狀態(tài)，一只手緊握注射器，另一只手緩緩拉動(dòng)活塞，使葉圓片內(nèi)的氣體逸出，這一步驟可重復(fù)幾次。

將雪碧與水以1∶9、 2∶8的體積比分別配制成50 mL的混合溶液置于50 mL的燒杯中；另設(shè)置只有水的對(duì)照組。每個(gè)燒杯中放入10片抽氣后的葉圓片(葉圓片均沉入燒杯底，可用鑷子將葉圓片鋪展開，避免重疊)，沿著實(shí)驗(yàn)臺(tái)日光燈所在的直線并列放置，打開日光燈裝置，室溫下觀察并記錄5、 10、 15、 17、 20 min時(shí)燒杯中葉圓片浮起的數(shù)量。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)測(cè)定3次，記錄數(shù)據(jù)，取整數(shù)平均值。

2 結(jié)果與分析

碳酸飲料雪碧內(nèi)富含CO2，可直接為葉圓片進(jìn)行光合作用提供充足的原料，葉圓片上浮現(xiàn)象明顯。在10～20 min內(nèi)，雪碧與水以2∶8的體積比配制成混合液的燒杯中，葉圓片上浮的數(shù)量變化較1∶9和對(duì)照組更為明顯(圖1)。前者在實(shí)驗(yàn)開始5 min后就有葉片上浮，至20 min時(shí)，所有葉圓片(10片)均已上浮。后者在實(shí)驗(yàn)開始10 min后有葉圓片上浮，至實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)上浮了6片。而對(duì)照組水溶液中，20 min后才有1片上浮。由此可見，在一定范圍內(nèi)，光合作用強(qiáng)度隨CO2濃度的增加而增強(qiáng)。

圖1 不同雪碧與水體積比下菠菜葉圓片上浮的數(shù)量

3 結(jié)論與討論

實(shí)驗(yàn)所用到的葉圓片，多數(shù)教師是利用直徑為1 cm的打孔器所制取的。但是在實(shí)際的高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，考慮到有些學(xué)校不能一次性提供較多的規(guī)格一致的打孔器，為了使實(shí)驗(yàn)生活化，遵循實(shí)驗(yàn)所用器材簡(jiǎn)便易取的原則，本文使用常見的塑料吸管代替打孔器，并且葉圓片面積越小，實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)明顯現(xiàn)象所用的時(shí)間也越短。

在葉圓片抽氣的操作中，注射器的材質(zhì)、型號(hào)及使用方法對(duì)抽氣效果影響顯著。注射器的材質(zhì)主要有玻璃和塑料兩種類型，玻璃注射器密封性不夠好，在抽氣的過程中會(huì)有大量的小氣泡從抽拉端產(chǎn)生，并且活塞會(huì)容易松動(dòng)，影響抽氣效果；而一次性塑料注射器更易獲取，密封性與抽拉性也更好，可以更有效地將葉圓片內(nèi)的空氣抽出，使葉圓片沉到水底[2]。此外，20 mL和50 mL注射器相比較而言，50 mL注射器由于其體積相對(duì)較大，需要很大的力氣才能拉動(dòng)活塞，因此對(duì)于大多數(shù)學(xué)生來說是比較困難的；而20 mL注射器比較小巧，易于操作整個(gè)抽氣過程，并且抽氣也比較徹底。

在使用注射器對(duì)葉片進(jìn)行抽氣時(shí)，最好將30枚葉片同時(shí)放入針筒內(nèi)，這樣既能減少重復(fù)操作，也能避免因抽氣時(shí)用力大小的不同和抽氣次數(shù)的不同而對(duì)葉片內(nèi)逸出空氣多少造成影響[2]。同時(shí)，為減輕抽氣過程中注射器前端對(duì)手指的壓迫，可以用橡皮擦堵住注射器前端的小孔，便于用全手緊握注射器，使拉動(dòng)活塞更方便。這種方法操作簡(jiǎn)便、省時(shí)，學(xué)生能在2～3 min之內(nèi)制取大量抽除氣體的葉圓片。也可以選取醫(yī)用頭皮針一端連接于注射器前端，剪去另一端的針頭，將軟管打結(jié)即能達(dá)到封閉注射器的目的[3]。

中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用簡(jiǎn)便易得的用具和材料完成實(shí)驗(yàn)，是將復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化的良好體現(xiàn)。不僅有利于節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，降低大班化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難度，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的意識(shí)，提高實(shí)驗(yàn)探究的能力。