淺析“光合速率測定實驗”的校本化拓展

周慶+孫晨瓊

課題編號：【20150814】寧波市基礎教育教研課題

作者簡介：周慶（1982-），中學一級，浙江省名師工作室學科帶頭人

在深化課程改革的過程中，各地各校有著不一樣的“教情”、“學情”和“校情”，因此實現國家課程的校本化是優化課程結構的有效途徑。但是由于課程課時緊，生物實驗的探究無法在課上全面展開。為了滿足學生的個性化需求，同時結合浙江省開展校本課程建設的要求，我們在現有實驗室基礎上開發了有關生物實驗的選修課程。下文以“光合速率測定實驗”為例，談談我校在該實驗教學中的校本化拓展經驗。

1 實驗方法——黑白瓶法

白瓶是透光瓶，里面進行光合和呼吸作用。黑瓶即不透光瓶，只進行呼吸作用。在相同條件下培養一定時間，以溶氧量為檢測指標，據黑瓶中所測數據可算出呼吸速率，白瓶中溶氧量的變化可確定表觀光合速率，由此得出真正光合速率。因此如何準確測出瓶中的溶氧量是這個實驗的關鍵，在此我們采用碘量法。

2 實驗原理

向水樣中加入MnSO4和堿性KI溶液時，立即生成Mn（OH）2沉淀。Mn（OH）2極不穩定，迅速與水中溶解氧化合生成MnO（OH）2。在加入濃硫酸酸化后，已化合的溶解氧將KI氧化并釋放出與其相當的游離碘。然后用Na2S2O3標準溶液滴定，換算出瓶中的溶氧量。

3 實驗材料

器材：塞氏盤，采水器（2.0 L），溶解氧瓶若干（100 ml-250 ml），酸堿滴定管，移液管（25.0 ml、1.0 ml），洗耳球。

試劑：MnSO4溶液，堿性KI，濃硫酸，0.01mol/LNa2S2O3，淀粉溶液。

4 實驗步驟

4.1采水與掛瓶

4.1.1 考察實驗水域

在學校池塘采集水樣。記錄水深（m）（用塞氏盤測），透明度（m）。

4.1.2 掛瓶深度確定

為測定光合速率，在透明度的一半處掛3組瓶。我校池塘，水深3 m左右，透明度1.5 m。

4.1.3 取瓶

取6個溶解氧瓶，包括黑瓶（DB瓶）3個、白瓶（LB瓶）3個。編號（組數1-3），以免混淆。

4.1.4 采水

用采水器在池塘中采足量的水，裝滿各瓶至溢出一部分（保證瓶中溶氧量與采水瓶中溶氧量一致）。

4.1.4 掛瓶

完成上述處理后，將各組瓶掛于水域中24小時。

4.2 溶解氧的固定與測定

4.2.1 溶解氧的固定

曝光結束，立即取出黑瓶和白瓶帶回實驗室，加入1 ml MnSO4和1 ml堿性KI溶液，充分搖勻，靜置3分鐘，再加入1 ml濃硫酸，蓋緊瓶蓋，顛倒混合，靜置5min。發生的化學反應主要如下：

①：MnSO4+2NaOH→Na2SO4+Mn（OH）2↓（白色沉淀）

②：2Mn（OH）2+O2→2MnO（OH）2↓（棕色沉淀）

③：MnO（OH）2+2H2SO4→Mn（SO4）2

4.2.2 溶解氧的測定

取上述樣品50 ml，置于錐形瓶內，用0.01mol/LNa2S2O3滴定，至溶液成淡黃色，加入數滴淀粉溶液，繼續滴定至藍色剛褪去為止，記錄Na2S2O3的用量V。發生的化學反應主要如下：

④：Mn（SO4）2+2KI→MnSO4+K2SO4+I2

⑤：2Na2S2O3+I2→Na2S4O6+2NaI

根據化學反應方程式，我們可以換算出瓶中溶氧量=1.6V（ mg/L）。

5 實驗記錄表格（以某組學生所測數據為例）

6 實驗結果分析

白瓶中的溶氧量為39.25 mg/L，即真正光合速率產生的O2和呼吸作用消耗的O2差值，黑瓶中的溶氧量為11.41 mg/L，即呼吸作用消耗后剩余的溶氧量。真正光合速率=表觀光合速率+呼吸速率，因此池塘中真正光合速率=（39.25—11.58）mg/L·d=27.67 mg/L·d。實驗數據中的組3與其他兩組相差稍大，但仍有較好的數據穩定性，誤差來源可能是組3中的微生物數量不同。

7 實驗討論

7.1 注意事項

測定工作最好在晴天進行，若在陰雨天進行實驗，植物無法得到充分光照，其光合速率會減弱，黑白瓶的溶解氧含量可能相差不大，甚至出現黑瓶數值大于白瓶，影響學生對實驗數據的處理。晴天的早晨是最適宜進行實驗的時間，過午由于日照，水溫會上升，導致水體中溶氧量降低，影響實驗結果；若遇到光合作用很強，形成過飽和氧很多時，在瓶中產生的大氧氣泡不能放掉，可將瓶略微傾斜，小心打開瓶塞加入固定液，再蓋上瓶蓋充分搖動，使氧氣充分固定下來；若取得的水樣有顏色或存在懸浮物、藻類等，可以加入硫酸鋁鉀和濃氨水，用明礬絮凝法進行修正。此方法也存在一定誤差，常因忽略細菌對氧的消耗，而低估了浮游植物的真正光合速率。

7.2 黑白瓶法的優點

7.2.1 成本低

實驗中所用器材和試劑，只需采買塞氏盤和采水器，價格在200元左右，且可重復利用。因此，黑白瓶法比光合速率測定儀的性價比要高許多。后者雖能準確且直觀地測出植物的光合速率，但由于價格昂貴，平時還需定期維護，不宜用于學生實驗。

7.2.2 直觀性與操作性較強

“氣體體積變化法”通過測定刻度管中液滴移動距離，間接反映光合速率的變化。“小葉片浮起數量法”則只能定性比較光合作用速率的大小。且這兩個實驗在學生實際操作時，理論上雖然可行，但實際操作時會出現很多偶然誤差。例如溫度過高或過低，都會造成鐘罩內氣體體積的變化，從而對實驗結果造成較大的影響；后者在實驗開始前需將圓形葉片內的氣體排出，同時切割等物理性損傷會使其光合速率減弱，導致學生實際操作過程中失敗率較高。與這二者相比，黑白瓶法可直接測算出真正光合速率，直觀性和操作性均較強。

7.2.3 數據準確度較高

“半葉稱重法”亦可通過稱量未遮蓋葉片的質量測算出表觀光合速率，再稱量遮蓋葉片的質量測算出呼吸速率，進而換算出真正光合速率。從原理上來看，黑白瓶法和“半葉稱重法”可以說是異曲同工，而從學生實驗的準確度上來看，黑白瓶法更勝一籌。“半葉稱重法”其數據的準確性是建立在兩半片葉子完全相同的基礎上，并且需用適當的方法（在葉片基部用熱水、或熱石蠟液燙傷或用呼吸抑制劑處理）阻止兩部分葉片間物質和能量的轉移，而這不能做到百分之百，存在很大的實驗誤差，且部分葉片的光合速率也并不能代表整株植株的光合速率，不具代表性。黑白瓶法能很好地規避這些問題。

7.2.4 培養知識遷移能力

黑白瓶法中用到的碘量法測定溶氧量的方法來自化學。需要學生將將化學知識與技能遷移到生物學科中，幫助學生構建學科之間相聯系的理念，有助于培養學生知識遷移的能力。

綜上，黑白瓶法測定光合速率的實驗方法優點頗多，適宜作為校本課程的拓展實驗。