“環境因素對光合作用強度的影響”實驗改進方案

韓子煜+朱利川

摘 要 從實際教學中可操作性的角度，通過對人教版高中生物教材《必修1·分子與細胞》第五章第四節“環境因素對光合作用強度的影響”實驗中光源、光照強度、CO2來源及濃度等相關變量進行對照實驗，確定了合適的操作方法即變量范圍，并給出兩套推薦實驗方案，方便在冬季條件下課堂教學中的演示和學生自主探究的進行。

關鍵詞 光合作用 探究實驗 圓葉片上浮法 光照強度 CO2濃度

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 B

研究影響光合作用的環境因素是《普通高中生物課程標準（實驗）》（以下簡稱“課標”）“細胞代謝”中的一項重要知識點，在高考《考試說明》中列為“II級”要求。不管是從“課標”的角度還是從“考試說明”的角度去觀察，該知識點都應是教學的重點?？v觀以往的教學，多以分析實驗數據、設計實驗方案為主要抓手，少有動手操作的環節。這樣學生就缺失了“身臨其境”的感性體驗，教材中相關實驗操作表述模糊。

“環境因素對光合作用強度的影響”實驗是人教版高中生物教材《必修1·分子與細胞》第五章第四節的一個探究實驗，該實驗利用圓葉片上浮法將光合作用這一不可見的過程直觀地展現在學生面前，幫助學生分析光合作用的影響因素，同時深化對光合作用這一重要的生物學概念的理解和掌握。教材中提供了“探究光照強度對光合作用強度的影響”這一參考案例，在實驗材料和方法步驟上只給予了部分的提示，而且按常規教學進度，本實驗一般會在冬季進行?？紤]到氣溫較低的因素，在某些影響因素不確定的條件下實驗很難在一堂課時間內完成，因而實際教學操作中存在實驗改進和操作優化的空間。

筆者通過多組對照實驗的預實驗，分別從注射器、葉片直徑、光源、光照強度、CO2來源及濃度等方面對實驗進行調整，綜合多種因素后，將教材實驗方案改進，實驗效果明顯，且操作時間短，有利于在短時間完成實驗，有利于在實際教學中操作實施，為教師實驗演示和學生自主探究提供了便利。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

在超市選購新鮮菠菜葉為實驗材料，菠菜為冬季時令蔬菜，各地在冬季均容易獲取。

1.2 實驗儀器

小臺燈，5 W的LED節能燈泡，60 W普通白熾燈泡，打孔器（直徑分別為0.8 cm、0.6 cm、0.4 cm）的20 mL一次性塑料注射器、20 mL玻璃注射器、凡士林、吸管、計時器、卷尺、溫度計、光強傳感器，500 mL大燒杯、80 mL小燒杯若干、質量分數為10%的NaHCO3溶液，清水。

1.3 實驗方法

用打孔器制備直徑分別為0.8 cm、0.6 cm、0.4 cm的菠菜圓葉片若干，制備時盡量避開大葉脈。

對葉片抽氣時，將圓葉片置于注射器內，注射器吸入清水10 mL，推動注射器排出殘留的空氣。用手指堵住注射器前端的小孔并向后拉動推桿至20 mL刻度，保持約5 s，使葉圓片內的氣體逸出。

將抽氣后圓葉片的置于清水中備用，并覆蓋遮光布。

1.3.1 注射器的選擇

取相同直徑的菠菜圓葉片30枚，均分為3組浸泡于清水中，分別選用20 mL一次性塑料注射器、20 mL玻璃注射器以及20 mL玻璃注射器推桿涂抹凡士林對三組圓葉片進行抽氣處理，觀察比較葉片下沉效果。

1.3.2 葉片直徑大小的選擇

選取抽氣處理后的直徑為0.8、0.6、0.4 cm的菠菜圓葉片各20枚，將質量分數為10%的NaHCO3母液按體積比2∶8加水稀釋。相同直徑圓葉片每10枚一組浸泡于80 mL稀釋后的NaHCO3溶液中。將盛有不同直徑葉片的小燒杯兩兩組合分別放置在與同一光源水平距離為10、20、30 cm處，觀察各燒杯中葉片上浮的快慢。

1.3.3 光源的選擇

使用同一臺小臺燈，先后使用5W的LED節能燈泡和60W普通白熾燈泡作為光源。將質量分數為10%的NaHCO3母液按體積比2∶8加水稀釋。選取抽氣處理后的直徑為0.4 cm的菠菜圓葉片，每組10枚浸泡于6個均盛有80 mL稀釋后的NaHCO3溶液的小燒杯中，按表1.1處理進行實驗，測量各燒杯中溶液溫度變化。

1.3.4 光照強度的選擇

將質量分數為10%的NaHCO3母液按體積比2∶8加水稀釋。取9個小燒杯向其中分別注入80 mL稀釋后的NaHCO3溶液，選取抽氣處理后的直徑為0.4 cm的菠菜圓葉片，每個燒杯中浸泡10枚。以5W的LED節能燈泡作為光源，在與光源水平距離為10、20、30 cm處分別放置3個上述小燒杯，用光強傳感器測量3種距離下的光照強度，觀察并記錄葉片上浮時間。

1.3.5 CO2來源及濃度的選擇

實驗1：選取抽氣處理后的直徑為0.4 cm的菠菜圓葉片，每組10枚分別浸泡于5個盛有80 mL清水小燒杯中，以5W的LED節能燈泡作為光源，小燒杯與光源水平距離15 cm，通過吸管分別向5只燒杯中均勻緩慢吹氣0、1、3、5、7次，每次時間相同，記錄第一片圓葉片上浮時間。

實驗2：配制質量分數為10%的NaHCO3溶液作為母液，按表2進行稀釋后，每組各取80 mL置于小燒杯中，將抽氣處理后的直徑為0.4 cm的菠菜圓葉片10枚一組浸泡在上述溶液中。以5W的LED節能燈泡作為光源，在溶液溫度14℃、與光源水平距離20 cm條件下，觀察并記錄圓葉片上浮情況。

2 結果與分析

2.1 注射器的選擇

注射器在實驗中用于抽氣，目的是將菠菜圓葉片中的氣體抽出，使葉片下沉，從而通過觀察葉片的上浮快慢判斷光合作用的強度大小。因此所選用的注射器應有良好的氣密性才能使得圓葉片迅速下沉以方便實驗。在使用玻璃注射器時，由于其氣密性略差，需要在其推桿上涂抹適量凡士林以達到較好的抽氣效果，而塑料注射器則不存在這一問題，直接使用就能達到理想效果。另外，玻璃制品在學生使用過程中也存在一定的使用風險，因此選用塑料注射器較為方便。

2.2 葉片直徑大小的選擇

在與光源水平距離相同的條件下，即同一光照強度下，直徑為0.4 cm的圓葉片上浮速度均快于直徑為0.8 cm和0.6 cm的圓葉片，故直徑為0.4 cm的圓葉片為理想的實驗對象。

2.3 光源的選擇

普通燈泡組三個不同距離下燒杯中的溶液溫差為1～2℃，而LED燈泡組的溫差為0.1～0.3℃，且兩個燈泡組中圓葉片上浮情況良好，因此用LED節能燈泡既能達到實驗效果，又能減少溫度差異對實驗的干擾。

2.4 光照強度的選擇

從表3中可以看出，三種光照強度下，距離30 cm的實驗組12 min內圓葉片并未出現上??；距離20 cm組有部分葉片上浮，但是12 min內圓葉片上浮不完全；而距離10 cm組圓葉片上浮情況良好，在12 min內所有圓葉片均上浮。相比之下，距離光源越近，實驗效果越明顯。

2.5 CO2來源及濃度的選擇

實驗1：在5個采用吹氣法提供CO2的小燒杯中，10 min內均未出現圓葉片上浮現象，第一片葉上浮時間過長。其原因可能是CO2在水中溶解度較低，通過吹氣的方法，很難使其溶于清水中，因此溶液CO2濃度較低，進而導致光合作用強度較低，圓葉片難以上浮，實驗效果不理想。另外，采用吹氣法輸入CO2存在個體差異，不同操作者吹氣速率不同，使得CO2濃度大小難以控制。因此采用吹氣法并不適合本實驗。

實驗2：表4結果顯示，第6、7組NaHCO3溶液濃度較大時，葉片會直接上浮，不利于實驗的觀察；第1、2組NaHCO3溶液濃度較低時，葉片上浮較慢，實驗現象不明顯，將導致實驗持續時間較長；第4、5組NaHCO3溶液濃度較為合適，且全部葉片上浮耗時約11 min。因此在實際教學過程中，選擇第4、5組所對應的NaHCO3溶液濃度進行實驗較為合適，即NaHCO3溶液濃度應選擇用質量分數10%的母液按體積比為1∶9～2∶8范圍內進行梯度稀釋進行實驗。

3 結論

根據以上影響因素的對照實驗結果，為保證在一個課時內順利完成教材中的實驗，將各影響因素控制在合適范圍內，綜合分析得出以下兩個推薦實驗方案。

3.1 探究光照強弱對光合作用強度的影響

材料用具：直徑0.4 cm的打孔器，20 mL塑料注射器，臺燈和5W的LED節能燈泡，質量分數為10%的NaHCO3 溶液作為母液，80 mL的小燒杯，新鮮菠菜葉片。

方法步驟：

（1） 按前文所述實驗方法制備菠菜圓葉片若干，抽氣后備用。將質量分數為10%的NaHCO3母液按體積比2∶8加水稀釋備用。

（2） 取3只小燒杯，分別倒入等量稀釋后的NaHCO3溶液80 mL。并分別向3只燒杯中各放入10枚葉圓片。觀察葉圓片均沉入燒杯底部。

（3） 將3只燒杯分別放在與臺燈水平距離10、20、30 cm處，打開臺燈。根據所在學校實驗條件，可用光照強度傳感器測定并記錄三只燒杯所在位置的光照強度。

（4） 連續觀察并記錄3只燒杯中葉圓片依次上浮的時間，或相同時間內各燒杯中上浮葉圓片的數量。統計分析實驗數據得出實驗結論。

3.2 探究不同濃度NaHCO3溶液（即CO2濃度）對光合作用強度的影響

材料用具：

直徑0.4 cm的打孔器，20 mL塑料注射器，臺燈和5W的LED燈泡，質量分數為10%的NaHCO3溶液作為母液，80ml的小燒杯，新鮮菠菜葉片。

方法步驟：

（1） 按前文所述實驗方法制備菠菜圓葉片若干，抽氣后備用。

（2） 配制不同濃度的NaHCO3溶液：分別按表5對應比例對NaHCO3溶液母液進行梯度稀釋，清水組作為對照組。

（3） 將燒杯編號，并分別倒入清水、稀釋（或配制）的不同濃度的NaHCO3溶液80 mL。每只燒杯中放入10枚圓葉片。觀察葉圓片均沉入燒杯底部。

（4） 將燒杯放置在與臺燈水平距離10 或20 cm處等距離處（若室溫較低建議選擇10 cm），打開臺燈。

（5） 連續觀察并記錄各燒杯中圓葉片依次上浮的時間，或相同時間內各燒杯中上浮葉圓片的數量。統計分析實驗數據得出實驗結論。

按上述推薦方法進行操作，能夠使得在冬季氣溫較低條件下，短時間內完成本實驗，使得在課堂教學演示及學生自主探究活動中本實驗能順利實施。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國教育部制定.普通高中生物課程標準： 實驗[S].人民教育出版社，2003：12.

[2] 教育部考試中心制定.2016年普通高等學校招生全國統一考試理科綜合科考試大綱的說明：課程標準實驗版[M].高等教育出版社，2016：373.

[3] 人民教育出版社課程教材研究所生物課程教材研究開發中心.普通高中課程標準實驗教科書生物必修1·分子與細胞 [M].人民教育出版社，2012：104-105.

[4] 江月玲，劉順枝，胡位榮，等.“環境因素影響光合作用的葉圓片上浮法”實驗的改進[J].植物生理學報，2009，（5）：495-496.