“探究溫度、光強(qiáng)和CO₂濃度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

張勤勤

[摘? ?要]“探究溫度、光強(qiáng)和CO2濃度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”實(shí)驗(yàn)以教材內(nèi)容和案例為基礎(chǔ)，對(duì)光合作用的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了優(yōu)化，分析了不同環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響。本實(shí)驗(yàn)以分組的方式進(jìn)行，使每個(gè)學(xué)生都能充分參與實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

[關(guān)鍵詞] 溫度;光強(qiáng);CO2濃度;光合作用

[中圖分類號(hào)]? ? G633.91? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2019）29-0095-02

探究溫度、光強(qiáng)（即光照強(qiáng)度）和CO2濃度等環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響是中學(xué)生物的重要內(nèi)容。該實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的開展有助于學(xué)生深刻理解光合作用的原理和過程，掌握不同環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和解決問題能力。教材安排了一個(gè)實(shí)驗(yàn)案例作為指導(dǎo)，其目的是探究光強(qiáng)對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響，但是在教學(xué)實(shí)際中發(fā)現(xiàn)案例內(nèi)容單一，實(shí)驗(yàn)操作較為復(fù)雜，且耗時(shí)較長。因此，筆者在充分學(xué)習(xí)教材案例的基礎(chǔ)上，對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響因素做了全面的分析，在探究光強(qiáng)因素的基礎(chǔ)上增加了溫度和CO2濃度等因素的探究活動(dòng)，從而有效實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響因素及其結(jié)果的全面認(rèn)識(shí)。

一、實(shí)驗(yàn)分組和分工

實(shí)驗(yàn)任務(wù)分工和對(duì)比實(shí)驗(yàn)分組都能有效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，使學(xué)生積極主動(dòng)地參與實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中，可將學(xué)生分為3大組，每組12人，每大組又分為3個(gè)小組，每個(gè)小組4人。3個(gè)大組的實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟煌?，分別從溫度、光強(qiáng)和CO2濃度三個(gè)角度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。每個(gè)大組中3個(gè)小組所做的實(shí)驗(yàn)一樣，其目的是研究同一個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)用了分類實(shí)驗(yàn)和對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方法。其中，探究“光強(qiáng)對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”實(shí)驗(yàn)中的組內(nèi)分工內(nèi)容包括：準(zhǔn)備30 ℃的溫水并保持溫度不變;配制相同濃度的CO2濃液;調(diào)控光源與燒杯的距離;準(zhǔn)備不含氣體的葉片。探究“CO2濃度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”實(shí)驗(yàn)中的組內(nèi)分工內(nèi)容包括：準(zhǔn)備30 ℃的溫水并保持溫度不變;配制不同濃度的CO2濃液;保持光源與燒杯的距離不變;準(zhǔn)備不含氣體的葉片。探究“溫度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”實(shí)驗(yàn)中的組內(nèi)分工內(nèi)容包括：準(zhǔn)備不同溫度的溫水并各自保持溫度不變;配制不同濃度的CO2濃液;保持光源與燒杯的距離不變;準(zhǔn)備不含氣體的葉片。

二、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響比較大，實(shí)驗(yàn)室中的光照強(qiáng)度相比室外較弱，且溫度較低，因此，筆者針對(duì)“光強(qiáng)對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”的實(shí)驗(yàn)提出以下改進(jìn)建議。

1.對(duì)光強(qiáng)控制的改進(jìn)措施

根據(jù)教材的建議，給每個(gè)實(shí)驗(yàn)組配置3盞40 W的臺(tái)燈做光源，通過調(diào)控光源與燒杯的距離實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)的控制。但是，讓3個(gè)實(shí)驗(yàn)組在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響：一是光源相互干擾，光源之間會(huì)出現(xiàn)疊加現(xiàn)象，其疊加程度不同產(chǎn)生的光強(qiáng)和溫度也不同;二是耗時(shí)較長，實(shí)驗(yàn)室光線較暗，以40 W的臺(tái)燈作為光源，需要較長的實(shí)驗(yàn)時(shí)間才會(huì)出現(xiàn)少數(shù)葉片上浮的現(xiàn)象。因此，為了減少光源干擾，使實(shí)驗(yàn)效果更加明顯，可給每個(gè)實(shí)驗(yàn)組配一盞100 W的臺(tái)燈做光源，通過調(diào)整臺(tái)燈與燒杯的距離控制光強(qiáng)。

2.對(duì)溫度控制的改進(jìn)措施

教材中沒有規(guī)定實(shí)驗(yàn)的溫度范圍，但通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以菠菜葉作為實(shí)驗(yàn)材料，且溫度約為35 ℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象比較明顯。鑒于實(shí)驗(yàn)室溫度偏低，與實(shí)驗(yàn)所需溫度差異較大，且臺(tái)燈功率的加大也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)溫度造成影響，所以選擇30 ℃作為實(shí)驗(yàn)溫度。在實(shí)驗(yàn)中，可將熱水和冷水摻和，或者采用冷卻熱水等方法使燒杯中的水溫為30 ℃。

3.對(duì)CO2濃度控制的改進(jìn)措施

教材中提到，通過玻璃管向燒杯中的清水中吹氣，增加清水中CO2的濃度，但沒有明確指出其含量。一般來說，植物光合作用的CO2濃度為10-3 mol/L，在實(shí)驗(yàn)過程中，水溶液中的CO2達(dá)到一定的濃度時(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象較為明顯。改進(jìn)措施：一是向燒杯倒入30 ℃的溫水約60 mL，通過塑料管向燒杯均勻自然吹氣約3～5min，之后將溫水平均分配倒入3個(gè)小燒杯內(nèi)，使3個(gè)小燒杯內(nèi)CO2濃度大致相同;二是配制相同濃度的NaHCO3溶液作為CO2來源。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，3% NaHCO3溶液中的CO2濃度較高，實(shí)驗(yàn)前葉片下沉所需時(shí)間較長，因此選擇2% NaHCO3溶液為宜。在實(shí)驗(yàn)中，相同的時(shí)間內(nèi)不同濃度的NaHCO3溶液中葉片下沉的程度由于吹氣的強(qiáng)度不同而難以控制，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大。

除了上述3點(diǎn)改進(jìn)措施，還可增設(shè)遮光組，使實(shí)驗(yàn)溫度為30 ℃，使用2% NaHCO3溶液，進(jìn)行對(duì)比分析，證明光是實(shí)現(xiàn)光合作用的基本條件。

三、 實(shí)驗(yàn)影響分析

1.分析CO2濃度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響

（1） 對(duì)CO2濃度的控制。CO2是光合作用的必要條件。控制CO2濃度的常用方法有兩種：一是通過吹氣時(shí)間控制CO2濃度，如對(duì)3個(gè)小燒杯中的水分別吹氣1 min、3 min、5 min，形成濃度不同的CO2溶液;二是制成3杯濃度分別為1%、2%、3%的NaHCO3溶液，形成3杯不同濃度的 CO2緩沖液。

（2）對(duì)溫度的控制?？蓪?個(gè)小燒杯放入裝有30 ℃水的水盆中。

（3）對(duì)光強(qiáng)的控制。將1盞100 W的臺(tái)燈置于水盆上方，通過調(diào)整臺(tái)燈與燒杯之間的距離，使每個(gè)燒杯都能得到相同的光強(qiáng)。

（4）增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。光照組：相同的光強(qiáng)，溫度均為30℃，作為對(duì)照組證明CO2是進(jìn)行光合作用的必要條件;遮光組：3% NaHCO3溶液，溫度均為30℃，排除NaHCO3分解的CO2使葉片上浮對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

2.分析溫度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響

（1）對(duì)溫度的控制。菠菜是上好的實(shí)驗(yàn)材料，其最適宜的溫度約為40 ℃，根據(jù)實(shí)驗(yàn)可控的程度將實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)定為 15 ℃、30 ℃、40 ℃三個(gè)梯度。為了保證實(shí)驗(yàn)溫度不變，可將小燒杯放置在盛有相應(yīng)溫度的大燒杯的水中進(jìn)行保溫。

（2） 控制CO2濃度和光強(qiáng)的方法與上述方法相同。

（3）增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。增加遮光組，控制溫度為40 ℃，利用2% NaHCO3溶液，以便排除NaHCO3分解產(chǎn)生的CO2使葉片上浮對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以相同時(shí)間內(nèi)葉片上浮的數(shù)目作為不同環(huán)境條件下檢測(cè)光合作用強(qiáng)度的指標(biāo)。

1.光強(qiáng)對(duì)光合作用強(qiáng)度影響的分析

通過光強(qiáng)對(duì)光合作用強(qiáng)度影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，相同時(shí)間內(nèi)不同距離產(chǎn)生的葉片上浮數(shù)量不同。距離近、光照強(qiáng)，上浮葉片多;距離遠(yuǎn)、光照弱，上浮葉片幾乎為零;中間次之。實(shí)驗(yàn)中光照時(shí)間分為5 min、8 min和10 min三個(gè)時(shí)間段，在距離相同的情況下，光照的時(shí)間越長，上浮的葉片越多，但光照的距離是最主要的影響因素。

2. CO2濃度對(duì)光合作用強(qiáng)度影響的分析

通過比較濃度不同的三種NaHCO3溶液發(fā)現(xiàn)，3% NaHCO3溶液中的CO2濃度要高于1% NaHCO3溶液中的CO2濃度。可以看出，上浮的葉片在3% NaHCO3溶液中較多，而在1% NaHCO3溶液中較少，證明3% NaHCO3溶液中光合作用最強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)葉片浸泡時(shí)間分為5 min、8 min和10 min三個(gè)時(shí)間段，在相同濃度的NaHCO3溶液中葉片浸泡的時(shí)間越長，受 CO2濃度影響而上浮的葉片也越多。

3.溫度對(duì)光合作用強(qiáng)度影響的分析

實(shí)驗(yàn)中分為四個(gè)溫度階梯15 ℃、30 ℃、40 ℃和40 ℃遮光，葉片浸泡時(shí)間分別為5 min、8 min、10 min。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溫度為15 ℃時(shí)葉片上浮數(shù)量最少，溫度為40 ℃時(shí)葉片上浮數(shù)量最多，40 ℃遮光時(shí)葉片上浮幾乎為零。在同一溫度下，葉片浸泡的時(shí)間越長，其葉片上浮的數(shù)量也越多。

綜上，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，能使學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提高了實(shí)驗(yàn)的時(shí)效性，同時(shí)激發(fā)了學(xué)生的求知欲望和學(xué)習(xí)興趣。本實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)備簡單且容易操作，有助于學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

（特約編輯 安? ?平）