“探究CO2濃度對光合作用強度的影響”的實驗創新設計

陳能訓 羅福海 李 樸

（1.甘肅省高臺縣第一中學 甘肅張掖 734300）

（2.中國人民大學附屬中學 北京 100000）

實驗創新教學是培養學生創新精神和創新能力的重要方式，也是培養學生學科核心素養的有效途徑。教師在生物學教學中融入實驗創新教學，能提升學生的學習興趣，實現知識的內部轉換，通過解決實際問題提升學習質量與效率，從而潛移默化地提升學生的創新能力、思維能力和解決問題能力等。

1 實驗創新的緣起

人教版高中生物學《必修1·分子與細胞》中的“探究環境因素對光合作用強度的影響”實驗通過參考案例——“探究光照強度對光合作用強度的影響”，進行了探究實驗的展示。教材實驗對學生理解“光照強度影響光合作用強度的變化”大有裨益，且有助于學生建構光合作用過程、原理的應用模型。但教材中并未展示CO濃度對光合作用強度影響的實驗，不利于學生理解“光合作用受多因素的綜合影響”。從“探究光照強度對光合作用強度的影響”實驗來看，實驗操作過程中存在以下問題：①通過注射器真空滲水使葉片下沉的操作不好把握，結果可能是細胞充水失敗，葉片不容易下沉，或操作過重、次數過多破壞葉肉細胞的結構。②不能定量分析光照強度的大小與光合作用強度的關系。

基于上述分析，下文通過改變實驗思路、改進實驗裝置、改良觀測指標呈現實驗創新設計。

2 實驗設計

2.1 實驗原理

植物光合作用固定CO，生成糖類等有機物（主要為淀粉）。碘遇淀粉變藍色。同時，碘與淀粉形成的藍色化合物，可在可見光區（λ為580 nm）進行測定，且測定靈敏度高。故可用特定波長吸收值來相對定量分析淀粉的產生量，探究不同條件下光合速率差異。

2.2 實驗用品

實驗材料：綠蘿。

實驗藥品：物質量濃度為2 mol/LNaOH溶液，NaHCO溶液（質量濃度分別為0.5%、1%、1.5%、2%、3%、4%、5%），無水乙醇，碘液。

實驗儀器：燒杯、酒精燈、普通離心管（15 mL）、試管、研缽、分光光度計。

2.3 實驗裝置

由于NaHCO可分解并維持一定CO濃度，實驗可通過不同濃度為NaHCO溶液的設置反映CO濃度的變化。實驗設置9個處理組：無光照組（A組）、無CO組（B組，用物質量濃度為2 mol/L的NaOH溶液去除CO）、質量分數為0.5%的NaHCO溶液組（C組）、質量分數為1%－5%的NaHCO溶液組（依次為D組－I組）。設計實驗裝置示意圖如圖1所示，該裝置的優點是僅通過改變X溶液可實現對自變量的控制。

圖1 實驗裝置示意圖

3 實驗過程

①將正常生長的綠蘿置于黑暗下處理24 h，消耗有機物。

②取形態相近的枝條水培于5組紙杯中，并放置將不同濃度的NaHCO溶液在40W的光源下處理6 h。

③各處理組取1.5 g葉片，用無水乙醇水浴加熱脫色。脫色后晾干，用研缽碾碎并加水溶解淀粉，將溶液依次分裝于試管中備用。

④取各處理組淀粉懸液2 mL依次加入離心管中，同時加入0.5 mL碘液。記錄實驗現象。

⑤進一步對各處理組淀粉含量進行測定。將2 mL淀粉懸液與0.5 mL碘液混合得到的顯色液（共2.5 mL）加入規格為3.5 mL的比色皿中，用分光光度計測定顯色液的吸光值，記錄實驗數據并通過標準曲線計算淀粉產生量。

4 實驗結果

直鏈淀粉吸附碘后會生成“淀粉-碘代含合物”，從而顯現藍色。因其反應靈敏，故常用于檢驗淀粉的存在。理論上，淀粉含量越高，與碘反應后藍色越深，顯色越明顯。本實驗顯色結果顯示：A組（無光照組）與碘液顏色基本一致，初步說明無光照條件下，綠蘿葉片不能進行光合作用，無法合成淀粉；從D組→F組→H組，隨著CO濃度的增加，離心管內的顏色越來越深，目視差別初步說明隨著CO濃度的增加，淀粉的含量有所增加。

葉世柏等人的研究表明淀粉溶液在550 nm波長和650 nm波長光下具有較大吸收波峰。本實驗選擇550 nm波長下測定各處理組的相對吸光度值，結果見表1。由數據可知，在550 nm波長下，除A組外，其余各處理組相對吸光度值隨CO濃度的增大而逐漸增大。

表1 各處理組吸光值

實驗進一步通過淀粉和碘顯色反應在550 nm波長下吸光值的標準曲線（圖2）分析，得出550 nm波長下不同相對吸光值所對應的淀粉濃度，進而得出6 h內2.5 mL綠蘿葉片所合成的淀粉量。計算結果見表2。

圖2 550 nm波長下淀粉溶液相對吸光值的標準曲線

表2 不同處理組6 h合成淀粉量

由表2數據可知，除A組外，其余各組6 h內合成的淀粉量隨CO濃度的增加而逐漸增加，說明一定濃度的NaHCO溶液可以分解并維持一定的環境CO濃度，從而使綠蘿進行光合作用并合成淀粉，且在一定范圍內，綠蘿葉片光合作用強度隨CO濃度的增加逐漸增強。值得注意的是，B組在無CO存在的情況下，仍有少量淀粉合成，推測是由于綠蘿葉片黑暗處理后，細胞內依然存在少量C和C等化合物，當給予適宜光照后，光反應產生的[H]、ATP可將存在于葉綠體基質中的C還原為有機物，從而實現少量淀粉的合成。

5 實驗評析與反思

本創新實驗立足于貼近生產生活的教材實驗，設計多維度的教學目標，準備豐富的學習資源和實驗材料，運用技術分析和工程設計組織教學，使得學生的合作學習、探究學習能夠貫穿始終。本創新實驗的最大亮點是通過選擇合適的觀測指標，利用標準曲線，在可視化的基礎上，對CO濃度對植物光合作用強度的影響進行相對定量的探究。學生通過直觀認識、數據驗證，構建知識體系。同時本實驗還可進行拓展延伸，如進一步對光照強度、溫度、CO濃度等影響因素的單一、綜合作用進行相對定量的探究，或探究植物生長的最適光照強度、溫度、CO濃度等。