環(huán)境因素對(duì)光合速率的影響探究

廣東省佛山市南海區(qū)石門中學(xué) 高 捷

“探究環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”是國家教材委員會(huì)專家委員審核通過的2019普通高中教科書生物學(xué)（人教版）必修一第五章第四節(jié)探究實(shí)踐的學(xué)生實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過課本提供的實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)了不少問題，針對(duì)這些問題作出實(shí)驗(yàn)改良方案并完成進(jìn)一步的探究實(shí)驗(yàn)。

一、預(yù)實(shí)驗(yàn)反饋的問題

課本提供的實(shí)驗(yàn)方案分為兩部分，一是利用真空滲水法排除葉肉細(xì)胞間隙中的空氣，使相同面積的葉圓片沉于水中。在光合作用過程中，植物釋放出O2，由于O2在水中的溶解度較低，積累在細(xì)胞間隙，從而降低了葉圓片的密度，使原來下沉的葉片重新上浮。因此，根據(jù)單位葉圓片上浮所需時(shí)間的長短，能比較光合作用速率的強(qiáng)弱。二是利用5瓦LED燈泡提供光源，利用光源與燒杯的距離控制不同的光照強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)單一變量的控制。

在預(yù)實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)的問題有：（1）燈源強(qiáng)度不足，實(shí)驗(yàn)時(shí)間過長。（2）控制燒杯距離后導(dǎo)致前后燒杯相互遮擋，影響實(shí)驗(yàn)單一變量。（3）無法排除其他光源（太陽光）的干擾。（4）無法探究其他環(huán)境因素（不同波長的光、溫度或CO2濃度）對(duì)光合速率的影響。（5）無法定量分析光合速率的快慢。

二、實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

（1）學(xué)生利用4個(gè)牛奶箱制作出實(shí)驗(yàn)操作箱，在牛奶箱的頂部安上24瓦LED光源，形成3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的探究室，解決燒杯相互遮擋及排除其他光源干擾的問題。

（2）利用硬紙板做隔板，調(diào)整隔板與燈源的距離，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的控制。（改進(jìn)實(shí)驗(yàn)）

（3）利用彩色濾光片改變光質(zhì)，實(shí)現(xiàn)不同光質(zhì)對(duì)光合速率的影響探究。（實(shí)驗(yàn)拓展）

（4）利用恒溫杯墊控制不同環(huán)境溫度，實(shí)現(xiàn)溫度對(duì)光合速率的影響探究。（實(shí)驗(yàn)拓展）

（5）利用排水法定量探究不同光照強(qiáng)度下黑藻的光合速率。（實(shí)驗(yàn)拓展）

（6）利用透明塑料瓶制作的密閉空間探究上海青在光合作用過程中CO2的變化情況。（CO2傳感器的配合使用）

三、學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路和創(chuàng)新點(diǎn)

（一）學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

通過查閱文獻(xiàn)和市場(chǎng)調(diào)查，自主篩選合適的光源和加熱設(shè)備，以提高實(shí)驗(yàn)效率，減少實(shí)驗(yàn)誤差。最終選擇24瓦LED燈盤作為光源，選擇圓形恒溫杯墊控制溫度，自主改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，利用隨處可得的牛奶箱搭建新型實(shí)驗(yàn)操作箱。

（二）學(xué)生實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

1.高效性

在進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，一個(gè)5瓦的LED燈泡在“探究光照強(qiáng)度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”實(shí)驗(yàn)中，耗時(shí)較長，用24瓦LED燈泡替換5瓦的LED燈泡后，能在10分鐘內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)。提升光強(qiáng)后，明顯縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，各組結(jié)果差異明顯，實(shí)驗(yàn)效率顯著提高。

2.可控性

在預(yù)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過調(diào)節(jié)距離來控制光強(qiáng)，設(shè)置了多個(gè)梯度，當(dāng)燒杯之間距離遠(yuǎn)時(shí)，后面燒杯光強(qiáng)弱，無法完成實(shí)驗(yàn)；燒杯間過近時(shí)，相互會(huì)有明顯的遮擋，實(shí)驗(yàn)效果不好。在新的實(shí)驗(yàn)操作箱中，通過調(diào)節(jié)各操作箱內(nèi)隔板的高度，就能實(shí)現(xiàn)單一變量的控制。在“探究光質(zhì)對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”的拓展實(shí)驗(yàn)中，彩色濾光片就可以調(diào)節(jié)操作箱內(nèi)的光質(zhì)。在“探究溫度對(duì)光合作用強(qiáng)度對(duì)影響”拓展實(shí)驗(yàn)時(shí)，恒溫杯墊的溫控區(qū)間在30℃～55℃，可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)溫控調(diào)節(jié)，學(xué)生利用冰水和多級(jí)調(diào)節(jié)溫控杯，實(shí)現(xiàn)低溫、適溫、高溫三個(gè)區(qū)間的對(duì)照。

3.安全性

LED燈功率低，屬于冷光源且在箱體內(nèi)，不需要頻繁置換。恒溫杯墊溫度低于60℃，學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的安全性大幅提高了。

4.多變性

高中生物課程該部分的參考案例是探究光照強(qiáng)度對(duì)光合作用的影響，經(jīng)過學(xué)生改良的實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度、CO2濃度、光質(zhì)等環(huán)境因素的探究，實(shí)現(xiàn)了同一裝置多元探究的目的。

5.便捷性

利用廢舊牛奶箱制作的實(shí)驗(yàn)裝置輕便，易于攜帶，該實(shí)驗(yàn)結(jié)束后還可以回收，實(shí)現(xiàn)了變廢為寶的過程。

該裝置結(jié)合教師的建議改良后，改進(jìn)的裝置可以作為教具使用，便于推廣。

四、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)分為2課時(shí)。第一課時(shí)：預(yù)實(shí)驗(yàn)，課后設(shè)計(jì)并改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案；第二課時(shí)：實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案。在第二課時(shí)中，各小組的主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下所示。

實(shí)驗(yàn)一：探究光照強(qiáng)度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響（改進(jìn)裝置后再實(shí)驗(yàn)）。

實(shí)驗(yàn)二：探究不同波長的光對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響。

實(shí)驗(yàn)三：利用黑藻探究溫度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響（排水法）。

實(shí)驗(yàn)四：利用黑藻探究CO2濃度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響（排水法）。

實(shí)驗(yàn)五：利用上海青幼苗探究密閉空間內(nèi)CO2濃度的變化情況（CO2傳感器實(shí)現(xiàn)電腦數(shù)字化分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)）。

五、實(shí)驗(yàn)過程

（一）設(shè)計(jì)方案，制作探究裝置

教師利用第一課時(shí)復(fù)習(xí)光合作用的過程，并引導(dǎo)學(xué)生思考影響光合速率的環(huán)境因素，帶領(lǐng)學(xué)生完成書本提供的參考案例，課后讓學(xué)生針對(duì)初次實(shí)驗(yàn)的不足對(duì)實(shí)驗(yàn)做改進(jìn)，并設(shè)計(jì)拓展實(shí)驗(yàn)方案。學(xué)生利用周末時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)制作。

（二）實(shí)施實(shí)驗(yàn)，獲取數(shù)據(jù)

（1）第1、2組學(xué)生用真空注水法制備葉圓片，使葉圓片沉于水底，遮光備用。隨后取100mL燒杯若干，各倒入80mL 25℃1.5%NaHCO3的溶液。在每個(gè)燒杯中放入葉圓片10片，將各組燒杯放入實(shí)驗(yàn)操作箱開始實(shí)驗(yàn)，觀察并記錄7片葉圓片的上浮時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)過程中，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在準(zhǔn)備好的表格中便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

（2）第3組學(xué)生利用天平稱量等量的黑藻，放入事先準(zhǔn)備好的透明礦泉水瓶內(nèi)，向瓶內(nèi)注入等量的25℃1.5%的NaHCO3溶液，蓋上處理后的瓶蓋（瓶蓋上插入一根長軟管，軟管沒入瓶內(nèi)的NaHCO3溶液中），形成密閉空間。將黑藻瓶置于不同的溫度水域中，記錄光照相同時(shí)間內(nèi)軟管排出的水量。在實(shí)驗(yàn)過程中，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在準(zhǔn)備好的表格中便于之后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

（3）第4組學(xué)生配置不同濃度的NaHCO3溶液，再利用黑藻瓶排水法測(cè)量不同濃度CO2（用NaHCO3溶液替代）條件下光合速率的差異。記錄25分鐘軟管排出的水量。在實(shí)驗(yàn)過程中，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在準(zhǔn)備好的表格中便于之后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

（4）第5組學(xué)生利用密閉空間的上海青幼苗探究單位時(shí)間內(nèi)的實(shí)際光合速率，實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型建構(gòu)。

（三）分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論

（1）學(xué)生取7片葉圓片上浮時(shí)間的倒數(shù)作為光合速率的衡量指標(biāo)，制成折線圖或柱狀圖。實(shí)驗(yàn)一結(jié)果表明：隨光強(qiáng)上升，光合速率顯著上升。

（2）實(shí)驗(yàn)二結(jié)果表明：①紅光照射組的葉圓片上浮速度最快，藍(lán)光次之，綠光最低。②黃光照射組圓葉片上浮速率最快，紅、藍(lán)光次之。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：①不同濾光片過濾白光后，光強(qiáng)都有所減低，但黃濾光片透光率最高，濾過后光強(qiáng)仍較高，所以黃光組葉片上浮速度快。②在相同光照強(qiáng)度條件下，紅光組光合效率最高。

（3）實(shí)驗(yàn)三結(jié)果表明：①相同光強(qiáng)下，50℃條件下葉片上浮最快，20℃次之，5℃最低。調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案：利用黑藻排水法重復(fù)溫度對(duì)光合速率的影響。得出結(jié)論：在一定溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的上升，植物光合速率增快。

（4）實(shí)驗(yàn)四結(jié)果表明：相同光照強(qiáng)度下，1.5%NaHCO3小圓葉片上浮最快，2% NaHCO3次之，1%NaHCO3再次，空白對(duì)照組最次。結(jié)論：在1.5%NaHCO3中，光合速率最快。

（5）實(shí)驗(yàn)五結(jié)果表明：30分鐘黑瓶內(nèi)的CO2濃度上升，透明瓶內(nèi)CO2濃度下降，通過電腦繪制每分鐘變化數(shù)學(xué)模型，得出上海青在單位時(shí)間的呼吸速率，凈光合速率及總光合速率。