張玄可

摘要：通過(guò)對(duì)人教版高中生物學(xué)教科書(shū)中“探究環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，可便于學(xué)生探究單因素和多因素對(duì)光合作用的影響，從而更好地提高學(xué)生科學(xué)探究和實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：環(huán)境因素，光合作用強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)Q-337文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

“探究環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”是人教版《必修1·分子與細(xì)胞》第五章第四節(jié)中的探究性實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，有助于學(xué)生理解光合作用中物質(zhì)和能量變化。但利用教材中的真空滲水法在開(kāi)展時(shí)，會(huì)面臨探究環(huán)境因素單一、實(shí)驗(yàn)儀器、試劑消耗量大、難以同時(shí)開(kāi)展多組實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)多因素變量等問(wèn)題。為了使實(shí)驗(yàn)操作更簡(jiǎn)便、探究活動(dòng)的因素更多樣、實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性和可重復(fù)性更強(qiáng)，本實(shí)驗(yàn)在裝置設(shè)計(jì)、光照強(qiáng)度控制、排除無(wú)關(guān)變量干擾進(jìn)行改進(jìn)，便于學(xué)生開(kāi)展方案設(shè)計(jì)和探究活動(dòng)的實(shí)施。

1 實(shí)驗(yàn)材料的選取與處理

選取菠菜為材料，進(jìn)行圓葉上浮定量實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比常見(jiàn)植物葉片鳶尾葉、玉蘭葉、女貞葉、綠蘿葉、小白菜葉、上海青葉及菠菜葉進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)菠菜葉抽氣后易下沉于注射器底部且受光照后上浮現(xiàn)象明顯。以學(xué)生常用卷子整理工具為打孔器，便于學(xué)生廣泛參與實(shí)驗(yàn)，快速獲得直徑6mm小圓葉。

2實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

2.1 光源的設(shè)置

教材中通過(guò)燒杯與光源的位置控制光照強(qiáng)度，受周圍光照干擾較大，本實(shí)驗(yàn)裝置取自廢舊快遞紙盒，來(lái)源廣泛，且打孔和切割簡(jiǎn)便，裝置可使實(shí)驗(yàn)密閉進(jìn)行，排除了環(huán)境中光照的干擾。光源采用冷光源的5個(gè)LED燈帶，每個(gè)條帶有12個(gè)燈珠（每個(gè)燈珠功率5w），可方便調(diào)控光質(zhì)為黃色、白色、暖白色，能更好地控制無(wú)關(guān)變量、光照強(qiáng)度、光質(zhì)。

2.2 反應(yīng)器的改進(jìn)

本實(shí)驗(yàn)裝置采用20mL注射器可兼具教材中注射器的抽氣和燒杯的功能，避免教材中將抽氣后的葉片放入盛有清水燒杯的實(shí)驗(yàn)步驟，減少葉片轉(zhuǎn)移過(guò)程中無(wú)關(guān)變量的干擾和對(duì)葉片的損傷。將10個(gè)葉片放入注射器后，將活塞推至5mL處吸入10mL清水，排盡空氣后用手指堵住注射器前端開(kāi)始抽氣操作，在拉動(dòng)活塞后觀察到葉片表面有氣泡冒出，停留5。然后，晃動(dòng)注射器使氣泡與葉片脫離，便于葉片下沉。

2.3 “三維立體”光合作用箱的設(shè)計(jì)

目前光合作用裝置的設(shè)計(jì)多使光線從側(cè)面照射葉片，考慮到葉圓片的受光面積及實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)開(kāi)展的需要，本實(shí)驗(yàn)的光合作用箱采用光線從注射器底部射入的設(shè)計(jì)。

（1）將5條長(zhǎng)30cm的LED燈帶串聯(lián)于長(zhǎng)32cm、寬22.5cm、高47cm的紙箱底部，光源驅(qū)動(dòng)及開(kāi)關(guān)置于紙箱外部。

（2）用輸液用軟管頭部在距離紙箱底部19cm、29cm、39cm處箱子的兩側(cè)鉆小孔，每對(duì)小孔圓心相距2cm，正好能確保釣魚(yú)線穿過(guò)后注射器懸掛，注射器懸掛后底部距離光源10cm、20cm、30cm。為避免不同高度的注射器遮擋從LED燈帶發(fā)出的光，垂直方向上每對(duì)小孔間距5cm。

（3）用釣魚(yú)線穿入每對(duì)小孔，繃緊系于箱體外側(cè)，并用輸液軟管為墊子，防止細(xì)線割傷箱體（圖”。

3 本實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)用

本實(shí)驗(yàn)裝置便于探究單一因素，如光照強(qiáng)度、光質(zhì)、CO₂濃度、pH、溫度、葉齡、樹(shù)冠與樹(shù)底層葉、陽(yáng)生與陰生植物葉等對(duì)植物光合作用強(qiáng)度的影響.同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)裝置也可由學(xué)生簡(jiǎn)單改進(jìn)，探究光照強(qiáng)度和CO₂濃度、光照強(qiáng)度和pH等多因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的綜合影響。下面以探究光照強(qiáng)度、CO₂濃度對(duì)光合作用的影響為例，介紹本實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)用。

3.1 探究光照強(qiáng)度對(duì)光合作用的影響

本實(shí)驗(yàn)裝置探究光照強(qiáng)度對(duì)菠菜葉光合作用的影響時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)注射器和LED燈帶的距離，在距離紙箱底部19cm、29cm、39cm處鉆孔，每對(duì)孔在垂直方向上間隔5cm，注射器懸掛后底部距離光源10cm、20cm、30cm。每對(duì)魚(yú)線上放置3個(gè)注射器受到的光照強(qiáng)度相同，不同對(duì)魚(yú)線上注射器受到的光照強(qiáng)度不同。如圖2所示，不同高度的注射器相互對(duì)照，共設(shè)計(jì)9個(gè)注射器。結(jié)合預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所有注射器內(nèi)NaHCO₃溶液的質(zhì)量濃度均為2%。暖白光條件下，10min葉圓片上浮實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

在不同光照強(qiáng)度條件下照射10min后，葉圓片光合作用強(qiáng)度隨光照強(qiáng)度增加而增加。本裝置可在同一高度設(shè)置多個(gè)重復(fù)取平均值，排除偶然誤差。若要探究更多種光照強(qiáng)度可以增加注射器的高度差，滿足探究實(shí)驗(yàn)中對(duì)不同光照強(qiáng)度的需要。

3.2 探究CO₂濃度或pH對(duì)光合作用的影響

本裝置中在距離箱體底部19cm處開(kāi)孔三對(duì)小孔，以確保各組注射器底部受到的光照強(qiáng)度相同。每對(duì)小孔間距為5cm，每對(duì)魚(yú)線上放置的注射器中NaHCO₃溶液的濃度或pH相同，不同對(duì)魚(yú)線上NaHCO₃濃度或pH不同（圖3）。注射器懸掛后底部距離光源均10cm，確保所有注射器底部受到的光照強(qiáng)度相同。

圖3所示改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置也可用于探究CO₂濃度或pH對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響，若要探究更多濃度的NaHCO₃溶液或不同pH，可多設(shè)置小孔的對(duì)數(shù)。也可探究不同光質(zhì)條件下CO₂濃度或pH對(duì)光合作用的影響，增加實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的靈活性，便于學(xué)生設(shè)計(jì)探究方案。

3.3 探究多因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響

本實(shí)驗(yàn)裝置適當(dāng)改進(jìn)后，還可以同時(shí)探究光照強(qiáng)度、光質(zhì)、CO₂濃度、pH、溫度、葉齡等因素對(duì)類型植物光合作用強(qiáng)度的影響。以光照強(qiáng)度和CO₂濃度對(duì)光合作用強(qiáng)度的綜合影響為例，需要在3個(gè)高度同時(shí)鉆孔和穿魚(yú)線，不同高度在垂直方向上間隔5cm。每對(duì)魚(yú)線上懸掛裝有3個(gè)濃度梯度NaHCO₃溶液的注射器，每個(gè)NaHCO₃濃度設(shè)置3個(gè)注射器，共設(shè)計(jì)27個(gè)注射器。

學(xué)生還可以自己選定環(huán)境因素，在本實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上選擇控制自變量，但要注意控制無(wú)關(guān)變量一致。

4 總結(jié)

改進(jìn)后的“三維立體”的實(shí)驗(yàn)裝置改善了教材中實(shí)驗(yàn)步驟多、試劑需求量大、葉片受光面小、變量單一等問(wèn)題，所需紙箱、塑料注射器易于從生活中獲得，教師可引導(dǎo)學(xué)生利用生活中的材料動(dòng)手組建。經(jīng)過(guò)改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置，拉動(dòng)注射器活塞，停留5s并晃動(dòng)，反復(fù)三次即可使直徑6mm的菠菜圓葉下沉，約10min即可觀察到葉片上浮;可設(shè)置重復(fù)確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠，便于在課堂上開(kāi)展，提高對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄和分析的科學(xué)探究能力。

學(xué)生以小組合作方式直觀體驗(yàn)環(huán)境因素對(duì)光合作用的影響，自主設(shè)計(jì)裝置探究某一變量對(duì)光合作用的影響，也可改進(jìn)裝置探究不同變量對(duì)光合作用的綜合影響;便于認(rèn)識(shí)自然界復(fù)雜條件下的光合作用，以及應(yīng)用生物學(xué)理論解決社會(huì)生活中的實(shí)際問(wèn)題。