“探究光強(qiáng)對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

王玉龍 羅郅杰 謝紫琳 張繼丹

（廣東實(shí)驗(yàn)中學(xué) 廣東廣州 510055）

高中生雖然學(xué)習(xí)了光合作用的原理和過程，但對(duì)光合作用的理解大多還停留在原料和產(chǎn)物上，并不能從速率上深刻理解光合作用，也不能深刻理解影響光合作用的因素。 實(shí)驗(yàn)探究中，學(xué)生在區(qū)分定性與定量實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)記錄表，保障單一變量原則、得出結(jié)論等方面，還存在一些知識(shí)或技能短板。“探究環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”這一實(shí)驗(yàn)為解決此問題提供了契機(jī)。 該實(shí)驗(yàn)是必修1中的重要實(shí)驗(yàn)，但教材中所提供的是大的方向和原理，對(duì)實(shí)驗(yàn)中具體的操作和細(xì)節(jié)并未涉及，而這些操作對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性及可重復(fù)性有較大影響。為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果和重復(fù)性更穩(wěn)定，并提高學(xué)生的探究能力，本實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)材料、抽氣裝置、抽氣方法、光照強(qiáng)度的控制及測(cè)量、CO2濃度的控制與測(cè)量、數(shù)據(jù)處理等方面進(jìn)行了改進(jìn)，并進(jìn)行了定性和定量探究，且效果顯著。

1 實(shí)驗(yàn)材料及裝置的改進(jìn)

選用“不結(jié)球小白菜”為實(shí)驗(yàn)材料，可快速抽氣且上浮效果顯著；采用100 mL 注射器和橡皮泥對(duì)葉片進(jìn)行抽氣；采用攝影棚排除外界光線對(duì)光強(qiáng)的影響，并對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行定量控制；采用可調(diào)節(jié)亮度的LED 燈，保證光源的穩(wěn)定，并利用光照強(qiáng)度傳感器測(cè)定光強(qiáng)； 以5 min 內(nèi)小圓葉片上浮數(shù)量作為因變量，光強(qiáng)作為自變量，進(jìn)行作圖。 定量測(cè)定時(shí)， 選取5 片菠菜葉片而非整株植物； 采用CO2傳感器對(duì)瓶?jī)?nèi)的CO2含量進(jìn)行定量測(cè)定；每次測(cè)量前，為保證密閉瓶?jī)?nèi)初始CO2濃度盡可能一致，采用氣泵對(duì)瓶?jī)?nèi)氣體進(jìn)行換氣處理；對(duì)所測(cè)定的瓶?jī)?nèi)CO2含量進(jìn)行分析處理，轉(zhuǎn)換成單位時(shí)間內(nèi)CO2變化量； 實(shí)驗(yàn)中每2～3 人一組合作完成，成果共享，誤差共同分析。 在定性和定量測(cè)量的基礎(chǔ)上作出光照強(qiáng)度對(duì)光合作用強(qiáng)度影響的曲線。

1.1 對(duì)定性實(shí)驗(yàn)——小圓形葉片上浮實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

1）選取“不結(jié)球小白菜”為材料，進(jìn)行小圓形葉片上浮的定性實(shí)驗(yàn)。 筆者對(duì)多種生物材料，如葉片較厚的菠菜，以及油麥菜、番薯葉、辣椒葉、不結(jié)球小白菜等材料進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)“不結(jié)球小白菜”抽氣時(shí)所需時(shí)間較短，較易下沉，且上浮效果顯著。

2）對(duì)小圓形葉片抽氣時(shí)選用100 mL 注射器和橡皮泥。抽氣時(shí)選用容積較大的100 mL 注射器，可一次對(duì)較多葉片進(jìn)行抽氣，排除了多次抽氣操作的誤差。由于容積較大，抽氣時(shí)氣壓降低較大，需施加的作用力也較大， 故不能用手指堵住注射器前端，而用橡皮泥塞住，可更有效地施力和抽氣。

3）在攝影棚內(nèi)觀察葉片上浮情況。本次定性實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵性操作是排除外界不穩(wěn)定性光照的影響，若通過調(diào)節(jié)臺(tái)燈距離控制光強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的光線會(huì)有較大誤差，用攝影棚可解決該問題。 本實(shí)驗(yàn)所用的攝影棚是由黑色不透光材料圍成的40 cm×40 cm×40 cm 的箱子， 側(cè)面有一個(gè)可調(diào)節(jié)大小的窗口，可通過側(cè)窗觀察箱內(nèi)情況。 將箱子封閉后，內(nèi)部光強(qiáng)為0 lx。 該箱子的頂部架設(shè)有LED 燈，可以通過調(diào)節(jié)燈的亮度，控制箱內(nèi)的光強(qiáng)。為實(shí)現(xiàn)單一變量原則提供了良好保障，增強(qiáng)了可重復(fù)性。

4）選用可調(diào)節(jié)亮度的LED 燈，并利用光照強(qiáng)度傳感器測(cè)定每組的光強(qiáng)。在小圓形葉片的定性實(shí)驗(yàn)中，選用可調(diào)節(jié)亮度的LED 燈作為光源，同時(shí)利用光照強(qiáng)度傳感器測(cè)定葉片所處光強(qiáng)。各小組通過調(diào)節(jié)控制LED 燈亮度， 測(cè)得了光強(qiáng)在0～3 025 lx范圍內(nèi)小圓形葉片的上浮情況， 實(shí)驗(yàn)裝置中LED燈發(fā)熱較少，減少了溫度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響。

5）選用單位時(shí)間（5 min）內(nèi)小圓形葉片上浮數(shù)據(jù)代表光合作用速率，并作圖。 在數(shù)據(jù)處理上，若對(duì)每片小圓形葉片的上浮時(shí)間作圖， 則此圖并不能反映光合速率， 只有對(duì)單位時(shí)間內(nèi)小圓形葉片的上浮情況作圖，才能代表光合速率。實(shí)驗(yàn)中若選用10 min 內(nèi)的上浮數(shù)據(jù)，不同光強(qiáng)下的上浮數(shù)量區(qū)別不夠顯著，5 min 內(nèi)的上浮數(shù)據(jù)有一定差異， 故以5 min 內(nèi)小圓形葉片的上浮數(shù)量表示光合速率。

1.2 定量測(cè)量光照強(qiáng)度對(duì)光合速率的影響

1）定量測(cè)定時(shí)，選取菠菜葉片而非整株植物。菠菜葉片較厚、較濃綠，光合速率較明顯，定量實(shí)驗(yàn)中，以菠菜作為實(shí)驗(yàn)材料。 摘取5 片葉片，置于密閉、無色透明的塑料瓶中，其中4 片貼壁放置，1 片放于中央。 實(shí)驗(yàn)中不采用整株植物，是因?yàn)槿~片之間彼此遮擋，不同放置方式會(huì)有較大誤差，且較難保證是單位面積的葉片進(jìn)行光合作用， 導(dǎo)致各組別之間存在較大差異。

2）采用CO2傳感器對(duì)密閉瓶?jī)?nèi)的CO2含量進(jìn)行定量測(cè)定。 光合速率即為單位時(shí)間內(nèi)CO2的吸收量或O2的產(chǎn)生量。若要定量探究光強(qiáng)對(duì)光合速率的影響，必須要對(duì)氣體數(shù)據(jù)進(jìn)行定量測(cè)定。 CO2傳感器比O2傳感器靈敏度更高，能較為準(zhǔn)確地測(cè)定，故選用CO2傳感器而非O2傳感器。

3）采用氣泵對(duì)密閉瓶?jī)?nèi)的氣體進(jìn)行換氣。 定量測(cè)量中，須盡可能保證瓶?jī)?nèi)CO2濃度的穩(wěn)定，而連續(xù)測(cè)量時(shí)密閉瓶?jī)?nèi)CO2濃度是不斷下降的，故需對(duì)瓶?jī)?nèi)的氣體進(jìn)行換氣處理。 若每次測(cè)量后將密閉瓶從攝影棚中取出， 打開瓶蓋與大氣連通而自行換氣，待換氣完成后再放回，此操作中換氣所需時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)會(huì)造成較大的誤差（例如葉片萎蔫狀態(tài)的變化、密閉瓶所處位置的改變、葉片位置的改變等）。 為減少上述誤差，將此裝置連接通氣泵和出氣管，通過控制通氣泵和出氣管，在不改變密閉瓶的位置和葉片狀態(tài)的情況下， 對(duì)瓶?jī)?nèi)氣體進(jìn)行換氣。

4）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，轉(zhuǎn)化為單位時(shí)間內(nèi)的變化量。 CO2傳感器所測(cè)得的數(shù)據(jù)是每個(gè)時(shí)刻下瓶?jī)?nèi)CO2的濃度（mg/L），此數(shù)據(jù)并不能代表光合速率，只有將其換算成單位時(shí)間內(nèi)的變化量，才可代表光合速率。所以在數(shù)據(jù)處理上，選取相同時(shí)間間隔下的數(shù)據(jù)，對(duì)其求平均值，并除以對(duì)應(yīng)間隔時(shí)間，得到單位時(shí)間內(nèi)CO2吸收量，用于表示光合速率。

2 實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié)的改進(jìn)

2.1 以小圓形葉片為材料的定性實(shí)驗(yàn)中的操作改進(jìn)

1）打孔。打孔時(shí)，選用直徑為1 cm 的打孔器，將大小接近的葉片重疊在一起，置于泡沫墊上，用打孔器快速用力按壓，避開主葉脈，即可一次獲得較多的小圓形葉片。

2） 抽氣。 100 mL 注射器吸力較大，2 位學(xué)生合作進(jìn)行抽氣， 在抽氣時(shí)可觀察到葉片表面有氣泡冒出，通過拍打或搖晃注射器使葉片較快抽氣，并沉底。

3）觀察與記錄小圓形葉片的上浮數(shù)據(jù)。 通過攝影棚的側(cè)窗觀察攝影棚內(nèi)葉片的上浮情況，并將小圓形葉片“動(dòng)身”的那一刻記為上浮時(shí)間，精確到秒。

4）統(tǒng)計(jì)全班上浮數(shù)據(jù)，計(jì)算平均值并作圖。全部小組觀察結(jié)束后， 每組將本小組5 min 內(nèi)的上浮數(shù)據(jù)記錄，匯總?cè)鄶?shù)據(jù)后，計(jì)算平均值，并描點(diǎn)、連線，繪制曲線。

2.2 以菠菜為材料的定量測(cè)定實(shí)驗(yàn)

1）菠菜葉片的選取與放置。 摘取5 片顏色深淺、葉片大小等生長(zhǎng)狀態(tài)相近的菠菜葉片，置于密閉無色透明塑料瓶中。 其中4 片貼瓶壁放置，1 片放于中央。

2）CO2傳感器和光照強(qiáng)度傳感器的連接。 CO2傳感器為黑色長(zhǎng)方體外觀， 對(duì)攝影棚內(nèi)的光照吸收較多。若置于密閉瓶四周，則對(duì)瓶?jī)?nèi)光照影響較大，故將其置于密閉瓶頂部，降低對(duì)光強(qiáng)的影響，提高實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

3）測(cè)量時(shí)初始CO2濃度的控制。 為使每次測(cè)量時(shí)瓶?jī)?nèi)的初始CO2濃度一致， 在瓶蓋上設(shè)置進(jìn)氣管與出氣管，并將進(jìn)氣管與氣泵相連。每次測(cè)量前，先調(diào)節(jié)光強(qiáng)，并立即打開氣泵與出氣管，對(duì)瓶?jī)?nèi)的氣體進(jìn)行換氣，待換氣完畢后，關(guān)閉出氣管。

4）數(shù)據(jù)的讀取。 本實(shí)驗(yàn)所采用的CO2傳感器在測(cè)量時(shí)有一定的緩沖時(shí)間， 并不能即時(shí)顯示當(dāng)時(shí)瓶?jī)?nèi)的CO2數(shù)據(jù)。每次改變光強(qiáng)及換氣后，要待CO2傳感器示數(shù)變化相對(duì)穩(wěn)定后才能讀數(shù)， 并將此時(shí)電腦顯示的數(shù)據(jù)次數(shù)記為初始讀數(shù)次數(shù)。 為減少實(shí)驗(yàn)誤差，本實(shí)驗(yàn)中讀取間隔10 次的2 組數(shù)據(jù)，即以10 次后的數(shù)據(jù)為該光強(qiáng)下的終止讀數(shù)次數(shù)，并記錄初始與終止讀數(shù)時(shí)CO2濃度的數(shù)值。每次數(shù)據(jù)的間隔是10 s， 故本實(shí)驗(yàn)中以100 s 內(nèi)的CO2變化量衡量光合速率。

5）數(shù)據(jù)的處理。 將不同光照強(qiáng)度下初始讀數(shù)時(shí)的CO2濃度與終止讀數(shù)時(shí)的CO2濃度做差，其差值除以間隔時(shí)間100 s，即為菠菜葉片的光合速率，并對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)作圖。

3 實(shí)驗(yàn)材料及裝置

圖1 連接LED 燈的攝影棚

3.1 實(shí)驗(yàn)材料 本實(shí)驗(yàn)所選用的植物材料為不結(jié)球小白菜和菠菜。

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置 本實(shí)驗(yàn)的有關(guān)設(shè)備有 “朗威-DISLab”，包含光照強(qiáng)度傳感器、CO2傳感器、數(shù)據(jù)采集器、 密閉瓶及電腦軟件讀取系統(tǒng)，100 mL 注射器、橡皮泥、打孔器、40 cm×40 cm×40 cm 的攝影棚、LED 燈、氣泵。 實(shí)驗(yàn)設(shè)備、裝置的連接、數(shù)據(jù)的讀取見圖1～圖3。

圖2 密閉瓶、氣泵、CO2 與光照傳感器的連接

圖3 某時(shí)刻電腦所顯示的CO2 數(shù)據(jù)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為理想，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果如表1～表3、圖4～圖5。

1）以小圓形葉片為材料的定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果及圖像。

表1 第1 小組內(nèi)10 個(gè)小圓形葉片上浮對(duì)應(yīng)時(shí)間（光強(qiáng)為956 lx）

表2 全班各小組5 min 內(nèi)小圓形葉片上浮數(shù)量（組別0 為對(duì)照組黑暗下的數(shù)值）

2）以菠菜葉片為材料的定量測(cè)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果及圖像。

圖4 圓形小葉片上浮數(shù)量隨光強(qiáng)的變化曲線

圖5 光照強(qiáng)度對(duì)菠菜光合速率的影響

表3 光照強(qiáng)度對(duì)菠菜光合速率的影響結(jié)果記錄

5 總結(jié)

本實(shí)驗(yàn)為教材中為數(shù)不多的探究實(shí)驗(yàn)， 但受實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)操作細(xì)節(jié)的影響， 一些學(xué)校并未開展此實(shí)驗(yàn)，或即便開展實(shí)驗(yàn)效果也不太理想，不能較好地印證光照強(qiáng)度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響，進(jìn)而影響了學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成。 本研究對(duì)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后，材料、裝置易獲取，實(shí)驗(yàn)效果穩(wěn)定，可重復(fù)性高，且有定性和定量2 種測(cè)定方法，可供不同學(xué)校依據(jù)自身?xiàng)l件進(jìn)行選擇。 學(xué)生經(jīng)歷此探究過程后，能闡明單一變量的實(shí)驗(yàn)原則，以及控制單一變量的方法；鍛煉實(shí)驗(yàn)操作技能，掌握“真空滲水法”， 能應(yīng)對(duì)一些復(fù)雜的、 有技術(shù)含量的操作；增強(qiáng)小組合作學(xué)習(xí)的能力， 能協(xié)調(diào)配合完成相應(yīng)操作，例如抽氣、觀察記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果等；提高數(shù)據(jù)處理和作圖的能力，認(rèn)識(shí)光合速率的變化；理解結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念； 培養(yǎng)實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神； 掌握科學(xué)探究的一般步驟及相應(yīng)的思維范式；有助于樹立環(huán)境保護(hù)的意識(shí)，倡導(dǎo)低碳出行的健康生活方式。