探究光照強(qiáng)度對(duì)簀藻光合作用強(qiáng)度的影響

張 妮

(廣東省佛山市南海區(qū)第一中學(xué) 佛山 528200)

1 問(wèn)題的提出

“探究環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”是人教版高中生物學(xué)必修1第5章第2節(jié)“能量之源——光與光合作用”中的一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)不僅可以幫助學(xué)生理解光合作用的原理和過(guò)程，而且還能夠提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力和培養(yǎng)學(xué)生探究性思維，是高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的好素材。然而，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)，很難在一節(jié)課的時(shí)間內(nèi)有效完成。相關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，只有18.67%學(xué)校開(kāi)展該實(shí)驗(yàn)，而開(kāi)展該實(shí)驗(yàn)的學(xué)校中有83.87%的老師表示該實(shí)驗(yàn)效果一般或很難成功[1]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要存在以下兩個(gè)問(wèn)題：

1.1 實(shí)驗(yàn)材料 該實(shí)驗(yàn)在教材中建議選擇菠菜葉作為實(shí)驗(yàn)材料，并用1 cm的打孔器制取菠菜圓形葉片。然而在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，用厚實(shí)的菠菜葉制取的圓形葉片因葉片較厚、重量重，用24 W臺(tái)燈進(jìn)行照射時(shí)，很難有圓形葉片上浮。而當(dāng)用幼嫩菠菜葉制取的圓形葉片并用24 W臺(tái)燈進(jìn)行照射時(shí)，25～30 min后逐漸有葉片上浮。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法 教材中建議用“真空滲水法”將菠菜圓形葉片內(nèi)氣體逸出。操作過(guò)程中需要用一根手指堵住注射器前端的管口，同時(shí)用另一只手反復(fù)拉動(dòng)注射器活塞。在這個(gè)過(guò)程中學(xué)生容易出現(xiàn)漏氣或堵緊注射器前段管口卻拉不動(dòng)活塞的現(xiàn)象。導(dǎo)致無(wú)法快速除去葉圓片細(xì)胞間隙內(nèi)的空氣，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)課堂的進(jìn)程。

為了確保該實(shí)驗(yàn)如期進(jìn)行，筆者利用簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)器材設(shè)計(jì)了新的實(shí)驗(yàn)裝置，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)操作，縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，同時(shí)獲得更加明顯、直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提高實(shí)驗(yàn)課的效率和成功率，使這一探究實(shí)驗(yàn)?zāi)苷嬲谡n堂中進(jìn)行(?電子資源)。

2 實(shí)驗(yàn)材料器具和實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)材料 選用單子葉沉水草本植物——簀藻(圖1)作為實(shí)驗(yàn)材料，取材便利，價(jià)格便宜(采購(gòu)于廣州市花地灣花鳥市場(chǎng))。將生理狀況相同的簀藻，平均分成三組并用剪刀剪成小段，使簀藻葉片舒展開(kāi)并懸浮在溶液中，避免因簀藻葉相互擠壓影響受光面積。

圖1 實(shí)驗(yàn)材料簀藻

2.2 實(shí)驗(yàn)器具和試劑 10 mmol/L NaHCO3溶液、有色液滴(龍膽紫或有色墨水)、6 W、 12 W、 24 W LED臺(tái)燈、250 mL抽濾瓶、1 mL刻度移液管、三角架、乳膠管、溫度計(jì)、2 L燒杯、秒表。

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，首先在抽濾瓶?jī)?nèi)加入400 mL富含CO2溶液(10 mmol/L NaHCO3溶液)，然后放入實(shí)驗(yàn)材料簀藻，接著用洗耳球吸取少量有色液滴(龍膽紫溶液或有色墨水等)到移液管中，再用乳膠管連接抽濾瓶口和帶有有色液滴的移液管，蓋上抽濾瓶塞子。為防止移液管從三角架中滑脫引起安全性問(wèn)題，可用透明膠和小紙條在三角架設(shè)置2個(gè)卡槽，卡住移液管。

圖2 測(cè)定光合作用強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)裝置

3 實(shí)驗(yàn)操作

取A、 B、 C三個(gè)抽濾瓶，分別加入400 mL 10 mmol·L-1NaHCO3溶液，然后在A、 B、 C三個(gè)抽濾瓶中分別放入等量的準(zhǔn)備好的簀藻，注意盡量使簀藻葉片舒展，懸浮。接著按圖2組裝實(shí)驗(yàn)裝置，分別用6 W、 12 W、 24 W LED臺(tái)燈等距離直接照射實(shí)驗(yàn)裝置，并記錄有色液滴在移液管中的起始位置。然后，分別于5 min、 10 min、 15 min、 20 min后記錄有色液滴在移液管中的位置，并重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在光照條件下簀藻進(jìn)行光合作用產(chǎn)生O2，導(dǎo)致抽濾瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)增大，有色液滴在移液管中向右移動(dòng)。為便于學(xué)生觀察和理解，該實(shí)驗(yàn)將相同時(shí)間內(nèi)有色液滴在移液管中向右移動(dòng)的體積(mL)，作為不同強(qiáng)度的光照條件下光合作用強(qiáng)度的測(cè)量指標(biāo)。結(jié)果顯示，在相同時(shí)間內(nèi)，有色液滴向右移動(dòng)的體積與光照強(qiáng)度呈明顯的正比關(guān)系，說(shuō)明簀藻的光合作用強(qiáng)度隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增強(qiáng)。當(dāng)光照強(qiáng)度為24 W時(shí)，有色液滴在移液管中移動(dòng)的體積最大，簀藻的光合作用強(qiáng)度最大(表1)。單位時(shí)間內(nèi)有色液滴在移液管中向右移動(dòng)的速率，在一定程度上可以反映簀藻的凈光合作用效率，結(jié)果如圖3可知，簀藻的凈光合作用效率隨著光照強(qiáng)度的增大而加快，當(dāng)光照強(qiáng)度為24 W時(shí)，簀藻的凈光合作用效率最大。

表1 不同光照強(qiáng)度下有色液滴在移液管中向右移動(dòng)體積(mL)

圖3 不同光照強(qiáng)度下有色液滴在移液管中向右移動(dòng)速率

5 實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)

筆者通過(guò)選取簀藻做為實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)裝置，有效解決了實(shí)際教學(xué)中遇到的問(wèn)題。優(yōu)化后實(shí)驗(yàn)材料成本低，實(shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)單常見(jiàn)，容易操作、易于推廣。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，實(shí)驗(yàn)效果直觀、明顯，大大提高實(shí)驗(yàn)課堂效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中增加對(duì)無(wú)關(guān)變量溫度和CO2的控制，使實(shí)驗(yàn)更加科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)，提高實(shí)驗(yàn)的可信度，有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和創(chuàng)新精神。

該實(shí)驗(yàn)裝置除了應(yīng)用于探究光照強(qiáng)度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響外，還可應(yīng)用于探究其他環(huán)境因素，如光質(zhì)、溫度、CO2濃度等對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響。若將該裝置放于黑暗條件下，簀藻不能進(jìn)行光合作用，但其本身的呼吸作用消耗抽濾瓶?jī)?nèi)的O2，導(dǎo)致抽濾瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)減小，有色液滴在移液管中向左移動(dòng)。因此，該裝置還可以應(yīng)用于探究“不同環(huán)境因素對(duì)呼吸作用的影響”等實(shí)驗(yàn)。以此開(kāi)展學(xué)生的第二課堂實(shí)驗(yàn)，不僅可以解決教學(xué)中的難點(diǎn)內(nèi)容，呼吸速率、總光合作用速率、凈光合作用速率的重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容，還可以有效培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、實(shí)驗(yàn)探究能力，以提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

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