“探究光照強度對植物凈光合速率的影響”教學案例

邵 昂 （浙江省金華市第一中學 浙江金華 321015）

1 教學指導思想

在《普通高中生物課程標準》實施建議中提出：“在重視定性實驗的同時，也應重視定量實驗，讓學生在量的變化中了解事物的本質。教師應向學生提供機會學習量的測定，實事求是地記錄、整理和分析實驗資料、定量表述實驗結果等［1］。”在定量測定過程中，學生從實驗操作、觀察實驗現象、記錄實驗數據、定量分析數據到表述實驗結果的整個過程中，會發現一系列問題，通過解決這些問題，學生能夠很好地提升實驗與探究能力、獲取和處理信息的能力、分析和解決問題的能力，以及理解與表達等能力。

“探究環境因素對光合作用的影響”選自浙科版必修1第2章第5節，是課程標準要求的一個學生活動，在《浙江省普通高中學科指導意見》中明確提出對該活動的各種要求。然而，由于實驗條件的限制，很多學校并未有效開展本實驗，大多以講授的形式進行教學。但教材編寫者的目的是通過本實驗的探究過程提高學生發現問題、提出假設、設計實驗、分析討論等能力。如果以講授式進行教學，教材編寫者的目的將難以實現。該實驗是高中生物學進行實驗教學的良好素材，既能培養和提高學生實驗設計與實驗探究的能力，又能使學生體會生物學與生產、生活緊密聯系，激發學生的學習興趣。

本實驗是一個開放性實驗，教材中只提供了實驗材料與部分實驗器材，在設計實驗步驟的過程中遇到了一些問題。筆者在充分了解學生已有知識與技能的基礎上，進行以下4點改進：

1）用光飽和點相對較低的綠蘿取代黑藻或金魚藻，通過研究發現，金魚藻的光飽和點約11 000 lx［2］，黑藻的光飽和點更高，約 27 500 lx［3］；

2）在反應箱周圍設計一圈水槽，再在白熾燈與反應箱之間設計雙層水槽，在3層防護下，確保反應箱中的溫度保持恒定；

3）運用先進的數字化實驗儀器——氧氣與光照強度傳感器，快捷、準確地測量反應箱中的氧氣含量與接受到的光強，通過計算斜率，用斜率表示凈光合速率；

4）利用Excel的繪制曲線功能，獲得隨光照強度增加的凈光合速率變化曲線，找到綠蘿生長的最適光照強度。

利用光合速率變化曲線，幫助學生理解“光飽和點”與“光飽和點下的光合速率”，通過變式訓練“當環境條件改變時，判斷光飽和點的變化趨勢”進一步鞏固光飽和點知識；理解光照強度對凈光合速率的影響。學生能夠找到最適宜于綠蘿生長的光照強度，與工廠化培育綠蘿聯系起來，體會生物學與生產生活實際的聯系，激發學習興趣，并取得了很好的教學效果。

2 教學目標

1）知識目標：設計單因子對照實驗方案；分析光強度對凈光合速率的影響；概述光飽和點的定義；分析環境因素的改變對光飽和點的影響。

2）能力目標：運用控制變量法；熟練使用傳感器與電腦；測定某光強下的凈光合速率；制作隨光照強度增加的凈光合速率變化曲線；嘗試對實驗結果進行分析和解釋；得出相應的結論。

3）情感態度與價值觀目標：認同本實驗探究方法；關注生產生活實踐中環境因素對農作物產量的影響；認同光合作用原理對提高農作物產量的指導作用；在討論中學會與他人溝通，體驗團隊協作學習的過程；養成創新和探求新知的能力；形成嚴謹的科學態度，養成良好的實驗習慣，提高生物學素養。

3 實驗材料與裝置

綠蘿：取材容易、光飽和點較低。能夠在較低的光強（7 000 lx）下通過設置一系列梯度的光照強度測定凈光合速率。

光源的選擇：使用白熾燈，不考慮LED燈。通過預實驗發現，在LED燈（5 000 lx）的照射下，氧氣傳感器顯示反應箱內的氧氣含量略微下降，如圖1所示。當時間為0 s時，氧氣含量約22.6%，但是空氣中的氧氣含量約21%，造成氧氣含量偏高的原因是：①在實驗操作過程中，先將葉片放入反應箱，接著蓋上蓋子，最后通過氧氣傳感器檢測氧氣含量。在此過程中，綠蘿葉片會進行光合作用，產生一定量的氧氣。②本校地址在郊外，周邊綠化程度較高，氧氣含量相對較多。

圖1 LED燈（5 000 lx）照射下的O2含量變化圖

3%NaHCO3溶液:通過預實驗發現,3%NaHCO3溶液能夠提供充足且恒定的CO2。

實驗裝置：因為一片綠蘿在10 min內產生的氧氣量有限，為使測量結果明顯，應該將反應箱設計得足夠小；在足夠小的空間內要放下一片綠蘿，又需保證其接觸到足夠多的光照，應將反應箱的邊長設計成一片綠蘿的寬度，在測量大量成熟綠蘿葉片的基礎上，將反應箱設計為邊長為6 cm、高為17 cm的長方體；因為白熾燈的光線中含有大量的熱能，會強烈影響反應箱內的溫度，故在反應箱周圍設計3層水槽；因為需要光強傳感器測量葉片接受到的光強，而傳感器感受光的位置應與葉片一致，故在反應箱側面中間設計“光強傳感器托槽”；因為需要氧氣傳感器測量氧氣，故在反應箱蓋上開孔，如圖2所示。

圖2 實驗裝置示意圖

課前任務單：項目與內容如表1所示。

表1 課前任務單中項目與內容

學案：見附件。

除此之外還需要氧氣和光強度傳感器、電腦、遮光布、橡皮泥等。

4 教學過程

本節課的教學流程如圖3所示。

圖3 本節課教學流程圖

4.1 創設情境，導入新課 投影顯示一個普通的溫室大棚，結合年前持續陰雨天、陽光嚴重不足導致草莓大量減產的現狀，提問：怎樣才能提高大棚內植物的產量？需要為植物提供最適宜的光照強度、CO2濃度等，但是在此之前，必須先知道該植物生長的最佳環境條件。基于草莓減產現象導入新課，明確主題，激發學生的學習興趣。

4.2 新課教學 請一位學生匯報“課前任務單”，其他學生可提出質疑與補充。在討論結果的基礎上介紹本次實驗的實驗步驟。在課前預習過程中，培養學生分析單因子變量實驗的自變量、因變量、無關變量及控制方法，并討論得出實驗思路。通過課堂上的討論取長補短，并認同教師的實驗步驟。

將學生分為6組，每組取大小相同的綠蘿葉片1片，搭建實驗器材、設置軟件參數、設置相應的光照強度（分別為 0 lx、2 000 lx、4 000 lx、5 000 lx、6 000 lx、7 000 lx）， 保證其他條件相同且適宜。在此過程中，教師應仔細觀察各組實驗情況、巡回輔導、答疑解惑。

將傳感器測量數據的時間設定為10 min，需充分利用這段時間。當每組電腦均開始記錄實驗數據時，提問：電腦中的曲線能代表氧氣釋放速率嗎？如何得到在某光照強度下的凈光合速率？學生應先理解電腦中曲線的含義（如圖4所示），再思考如何轉換成凈光合速率。在此過程中培養學生獲取和處理信息的能力、理解與表達的能力。

圖4 光照強度為6 000 lx時，反應箱內的O2含量變化曲線

通過“斜率法”，計算出曲線的斜率表示凈光合速率，如圖5所示。但是遇到新的疑惑，曲線的斜率單位是%/s，它會隨著反應箱大小的改變而改變，應將其轉化為μmol/s，轉化的方法呈現在學案上，見附件。充分利用數據采集的時間，學生在此期間閱讀學案的第2與第3部分內容，旨在培養學生的閱讀及理解能力，理解如何進行單位換算，并為繪制曲線做準備。

圖5 斜率法計算凈光合速率示意圖

傳感器數據讀取結束后，每組學生匯報本組所得曲線的斜率并進行單位轉化，再通過學案上的方法繪制出隨光照強度增加的凈光合速率變化曲線，如圖6所示。學生在充分理解光照強度對光合作用的影響下描述曲線含義，并幫助其他學生更好地理解該曲線。在此基礎上，引出概念“光飽和點”與“光飽和點作用下的凈光合速率”，幫助學生更好地理解2個概念及區別。

圖6 光照強度對綠蘿凈光合速率的影響

4.3 拓展延伸 當環境條件改變時，判斷光飽和點的變化趨勢：①若綠蘿缺乏Mg元素；②若二氧化碳濃度從較低提升至適宜。通過變式訓練，幫助學生加深對光飽和點的理解。

4.4 知識遷移 在實驗結果中發現一個現象：當光照強度繼續升高時，凈光合速率并不會維持不變，反而會下降。提問：在工廠化培育綠蘿的過程中應注意什么光照條件？鼓勵學生利用本次實驗的原理和方法，繼續探究其他環境因素對綠蘿凈光合速率的影響。也可換成經濟效益更好的植物，找到最適宜的外界環境，為經濟效益最大化打下基礎。旨在鼓勵學生對所學的新知識進行遷移，解決生產生活中的實際問題。

5 反思總結

通過本節課的教學實踐，發現最值得反思和總結的問題是對無關變量的控制。若無關變量全由學生探究，難度大、耗時多，所以教師需要在課前做大量的預實驗，例如反應裝置的設計、葉片的大小、二氧化碳濃度的控制等。通過預實驗，得到大量數據，積累了豐富經驗并發現相關問題，為更好地落實本實驗課的教學目標，做好充分準備。學生雖然不用直接探究無關變量的設置，但教師需通過學案的方式培養和提高學生設計單因子對照實驗的能力。

附件：

“探究光照強度對植物凈光合速率的影響”學案

1 實驗結果

光照強度（lx） 斜率（%／s） 氧氣釋放速率（μmol／s）0 2 000 4 000 5 000 6 000 7 000

2 數據轉換

反應箱的尺寸為：長（6 cm）×寬（6 cm）×高（17 cm），氣體的摩爾體積為22.4 L/mol，若氧氣含量增加1%，則為______μmol。

解析：1）求氧氣的體積增加量：

1%×（6×6×17-100）=5.12 mL， 即 5.12×1/1 000=0.00512 L。

2）轉換成物質的量：

0.00512/22.4=0.000229 mol,即為 229 μmol。

3 繪制凈光合速率變化曲線

1）打開 Excel軟件，在 A1中輸入“光強”，B1中輸入“斜率”，C1中輸入“氧氣釋放速率”，接著輸入相應數據（注意：因為從斜率到氧氣釋放速率，要進行數據轉換，利用 Excel自身的計算能力，即在 C2中輸入“=B2×229”，再點擊“回車”鍵，即看到運算結果，再選中C2，將鼠標放在該方框的右下角，出現黑色“+”符號，拖拉“+”號至 C7）。

2）選中數據。（按住“control”鍵，選擇 A列和 C列數據）

3）點擊“插入”“圖表”“XY 散點圖”中的“平滑線散點圖”，點擊“下一步”。

4）圖表標題設置為“光照強度對綠蘿光合速率的影響”，X軸設置為“光照強度（lx）”,Y軸設置為“氧氣釋放速率（μmol/s）”（注意“μ”在搜狗輸入法中文下可通過輸入“V6”找到該字母）。點擊“完成”。

5）記錄曲線。

圖7 光照強度對植物凈光合速率的影響

4 改變環境條件，判斷光飽和點變化趨勢

1）若綠蘿缺乏Mg元素，則光飽和點______。

2）若二氧化碳濃度從較低提升至適宜，則光飽和點________。

［1］中華人民共和國教育部.普通高中生物課程標準.北京:人民教育出版社,2012.

［2］陳剛,謝田,莫非.光照、NaHCO3和pH值對金魚藻光合作用的影響.貴州環保科技,2004,10(4):16.

［3］蘇文華,張光飛，張云孫，等.5種沉水植物的光合特征.水生生物學報,2004,28(4):391.

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