“環(huán)境因素對光合作用的影響”實驗的改進及拓展

梁 茜 李恩源

（江蘇省溧水高級中學 江蘇南京 211200）

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》提出在開展模塊1 分子與細胞的教學時，應引導學生掌握“細胞的功能絕大多數基于化學反應，這些反應發(fā)生在細胞的特定區(qū)域”這一重要概念[1]。為了幫助學生達成對這一概念的理解，開展“探究環(huán)境因素對光合作用的影響”的實驗。該實驗是人教版生物學必修1《分子與細胞》第5 章第4 節(jié)“光合作用與能量轉化”的探究性實驗。實驗探究了光合作用的原料、能量等因素對光合作用強度的影響，學生在設計實驗及操作實驗的過程中加深了對重要概念的理解并培養(yǎng)了科學探究精神，且能指導學生進行家庭綠植養(yǎng)護等活動，具有現實意義。

1 實驗分析

教材提供了一個實驗案例，實驗的自變量是光照強弱，因變量是光合作用強度，通過燒杯中葉圓片上浮的時間反映因變量。案例中提供的光源是5 W 的LED 臺燈（可用吉海仕牌智能全彩LED 射燈，1 600 萬色，無極調色），通過設置光源與燒杯的距離控制光照強度。該實驗在教學實踐過程中發(fā)現以下問題：①光源從側面照射燒杯，導致葉圓片受光照不均勻；②此裝置能探究的自變量因素較少。

教材的安排兼顧了不同教育條件下學生的實際情況，提供一種實驗案例作為參考。教師在開展實驗的過程中可根據學生學情，結合傳感器和信息技術軟件做到精確控制變量[2]。

2 實驗改進

2.1 實驗裝置的改進 改進實驗裝置如圖1所示，將智能LED 射燈作為光源，使用透明亞克力玻璃板做成罩子罩住射燈，實驗時將燒杯直接置于LED 射燈上方。通過手機應用程序“智能生活”（開發(fā)者：杭州愛相集科技有限公司，各應用商店可下載）遙控LED 的亮度及光質。此裝置的優(yōu)點包括：①LED 射燈是冷光源，可減少溫度對實驗的影響；②該射燈可通過軟件實現精準調節(jié)光照強度、精確改變光質（波長）等，并可借助光子照度計對光照強度進行測量，做到精確控制實驗的自變量；③盛有葉圓片的燒杯直接置于光源正上方，保證葉圓片受光均勻。④手機應用程序中設定好實驗條件，可遠程控制多個裝置同時進行實驗，提高實驗效率并減少無關變量的干擾。

圖1 實驗裝置圖

2.2 其他細節(jié)的改進

1）制備葉圓片。用手握式打孔器進行打孔，可提高獲取葉圓片的速度且形狀規(guī)則。每組實驗的葉原片取自同一株菠菜生理狀況相同的葉片。

2）葉圓片抽真空。用橡皮替代手指堵住注射器前端，然后抽真空，操作方便且省力。

3 利用改進裝置探究光照強度對光合作用強度的影響

每組取10 個已抽真空排除氧氣的直徑0.6 cm葉圓片，分別置于盛有質量濃度為1.0%的NaHCO3溶液的燒杯甲、乙、丙、丁中。再將燒杯置于自制實驗裝置上，接通電源，通過應用程序“智能生活”中設置強度分別為200 μmol/（m2·s）、400 μmol/（m2·s）、800 μmol/（m2·s）、1 000 μmol/（m2·s）的4 種光源進行實驗。記錄每個葉圓片上浮的時間并計算10 片葉片上浮所用時間的平均值（表1）。實驗數據表明，改進后的裝置能良好地區(qū)分出不同光照強度下葉片上浮時間（圖2）。

表1 不同光照強度下葉圓片上浮時間（單位：s）

圖2 不同光照強度下葉圓片上浮時間

利用此裝置還可組織學生對實驗數據進行討論：實驗結果顯示隨著光照強度的上升，葉片上浮時間縮短，光合作用強度是否會隨著光照強度的增加而不斷增強？學生可從植物細胞葉綠體的數量、植物在光照強烈的中午反而生長不好的生活經驗等多角度對此問題進行分析。

4 利用改進裝置進行拓展實驗

4.1 探究不同NaHCO3濃度對光合作用強度的影響 配制質量濃度分別為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的NaHCO3溶液，取200 mL 分別置于4 個燒杯中，并于每個燒杯中放入10 個沉水的葉圓片，同時置于裝置上方。通過應用程序控制保證光照強度［800 μmol/（m2·s）］和光質（白光）相同，同時打開所有裝置的燈，記錄每個葉圓片上浮的時間并計算10 片葉片上浮所用時間的平均值（圖3）。應用程序能保證所有實驗同時進行，減少實驗誤差。

圖3 不同NaHCO3 濃度下葉圓片上浮時間

葉片可利用NaHCO3分解后產生的CO2進行光合作用，實驗結果顯示不同濃度的NaHCO3中葉片平均上浮時間有明顯區(qū)別，例如，當NaHCO3的濃度為2%時，10 片葉片上浮的平均時間為196.5 s，當NaHCO3濃度為1.5%時平均上浮時間為255.6 s，二者差距59.1 s。以上結果說明，本裝置能較好地區(qū)分不同濃度NaHCO3中葉片上浮時間。

4.2 探究不同光質對光合作用強度的影響 控制光質的傳統(tǒng)方式是利用具有顏色的物質過濾白光[3]。智能LED 燈能精確控制光質，根據實驗需求可設置白光、紅光、藍光、綠光等不同光質的光。裝置采用的LED 燈藍光和綠光最大的光強不超過250 μmol/（m2·s），因此，開展實驗時利用光子照度計對光照強度進行測量，將不同光質的光照強度調至200 μmol/（m2·s）。將葉片置于濃度為2.0% NaHCO3溶液的燒杯中，記錄每個葉圓片上浮的時間，并計算10 片葉片上浮所用時間的平均值（圖4）。

圖4 不同光質下葉圓片上浮時間

圖中數據顯示，光照強度為200 μmol/（m2·s）時，紅光、藍光照射時，葉圓片上浮較快，其次是白光，綠光最慢。

4.3 探究不同顏色薄膜對光合作用強度影響實驗 有學生觀察到，在冬季農作物生產中，溫室大棚常選用透明塑料或玻璃作棚頂。其提出問題，為什么不能選用其他顏色材料制作大棚？可用此裝置對該問題進行探究：用透明塑料袋和紅色塑料袋模擬溫室薄膜，將塑料袋罩住玻璃板。2 個裝置設置光照強度1 400 μmol/（m2·s）、質量濃度為1.0%的NaHCO3。開展實驗，記錄每個葉圓片上浮的時間，并計算10 片葉片上浮所用時間的平均值（圖5）。

圖5 不同薄膜下葉圓片上浮時間

實驗顯示，在同等光照強度的情況下，透明薄膜組葉圓片平均上浮時間較紅色薄膜少。結果表明，自然光穿過紅薄膜時只有紅光穿過，其他光被薄膜吸收不能被植物進行光合作用利用。相同光照強度的自然光穿過透明薄膜的有效光子量更多，植物可利用的光能更多。

5 總結

本實驗對原教材的裝置進行了改進，結合信息技術軟件做到了精準控制光照強度等變量。實驗操作簡單，效果明顯。利用此裝置開展拓展實驗，有效激發(fā)了學生探索生物學奧秘的興趣。