探究光照強度對簀藻光合作用強度的影響

張 妮

(廣東省佛山市南海區第一中學 佛山 528200)

1 問題的提出

“探究環境因素對光合作用強度的影響”是人教版高中生物學必修1第5章第2節“能量之源——光與光合作用”中的一個探究實驗。該實驗不僅可以幫助學生理解光合作用的原理和過程，而且還能夠提高學生實驗設計能力和培養學生探究性思維，是高中生物學實驗教學的好素材。然而，在實際的實驗教學中，發現該實驗操作復雜、耗時長，很難在一節課的時間內有效完成。相關調查發現，只有18.67%學校開展該實驗，而開展該實驗的學校中有83.87%的老師表示該實驗效果一般或很難成功[1]。在實驗教學中主要存在以下兩個問題：

1.1 實驗材料 該實驗在教材中建議選擇菠菜葉作為實驗材料，并用1 cm的打孔器制取菠菜圓形葉片。然而在實驗教學中發現，用厚實的菠菜葉制取的圓形葉片因葉片較厚、重量重，用24 W臺燈進行照射時，很難有圓形葉片上浮。而當用幼嫩菠菜葉制取的圓形葉片并用24 W臺燈進行照射時，25～30 min后逐漸有葉片上浮。

1.2 實驗方法 教材中建議用“真空滲水法”將菠菜圓形葉片內氣體逸出。操作過程中需要用一根手指堵住注射器前端的管口，同時用另一只手反復拉動注射器活塞。在這個過程中學生容易出現漏氣或堵緊注射器前段管口卻拉不動活塞的現象。導致無法快速除去葉圓片細胞間隙內的空氣，嚴重影響實驗課堂的進程。

為了確保該實驗如期進行，筆者利用簡單的實驗器材設計了新的實驗裝置，簡化了實驗操作，縮短了實驗時間，同時獲得更加明顯、直觀的實驗現象，提高實驗課的效率和成功率，使這一探究實驗能真正在課堂中進行(?電子資源)。

2 實驗材料器具和實驗裝置

2.1 實驗材料 選用單子葉沉水草本植物——簀藻(圖1)作為實驗材料，取材便利，價格便宜(采購于廣州市花地灣花鳥市場)。將生理狀況相同的簀藻，平均分成三組并用剪刀剪成小段，使簀藻葉片舒展開并懸浮在溶液中，避免因簀藻葉相互擠壓影響受光面積。

圖1 實驗材料簀藻

2.2 實驗器具和試劑 10 mmol/L NaHCO3溶液、有色液滴(龍膽紫或有色墨水)、6 W、 12 W、 24 W LED臺燈、250 mL抽濾瓶、1 mL刻度移液管、三角架、乳膠管、溫度計、2 L燒杯、秒表。

2.3 實驗裝置 實驗裝置如圖2所示，首先在抽濾瓶內加入400 mL富含CO2溶液(10 mmol/L NaHCO3溶液)，然后放入實驗材料簀藻，接著用洗耳球吸取少量有色液滴(龍膽紫溶液或有色墨水等)到移液管中，再用乳膠管連接抽濾瓶口和帶有有色液滴的移液管，蓋上抽濾瓶塞子。為防止移液管從三角架中滑脫引起安全性問題，可用透明膠和小紙條在三角架設置2個卡槽，卡住移液管。

圖2 測定光合作用強度實驗裝置

3 實驗操作

取A、 B、 C三個抽濾瓶，分別加入400 mL 10 mmol·L-1NaHCO3溶液，然后在A、 B、 C三個抽濾瓶中分別放入等量的準備好的簀藻，注意盡量使簀藻葉片舒展，懸浮。接著按圖2組裝實驗裝置，分別用6 W、 12 W、 24 W LED臺燈等距離直接照射實驗裝置，并記錄有色液滴在移液管中的起始位置。然后，分別于5 min、 10 min、 15 min、 20 min后記錄有色液滴在移液管中的位置，并重復實驗3次。

4 實驗結果與分析

在光照條件下簀藻進行光合作用產生O2，導致抽濾瓶內壓強增大，有色液滴在移液管中向右移動。為便于學生觀察和理解，該實驗將相同時間內有色液滴在移液管中向右移動的體積(mL)，作為不同強度的光照條件下光合作用強度的測量指標。結果顯示，在相同時間內，有色液滴向右移動的體積與光照強度呈明顯的正比關系，說明簀藻的光合作用強度隨著光照強度的增強而增強。當光照強度為24 W時，有色液滴在移液管中移動的體積最大，簀藻的光合作用強度最大(表1)。單位時間內有色液滴在移液管中向右移動的速率，在一定程度上可以反映簀藻的凈光合作用效率，結果如圖3可知，簀藻的凈光合作用效率隨著光照強度的增大而加快，當光照強度為24 W時，簀藻的凈光合作用效率最大。

表1 不同光照強度下有色液滴在移液管中向右移動體積(mL)

圖3 不同光照強度下有色液滴在移液管中向右移動速率

5 實驗的評價

筆者通過選取簀藻做為實驗材料和設計新的實驗裝置，有效解決了實際教學中遇到的問題。優化后實驗材料成本低，實驗儀器簡單常見，容易操作、易于推廣。同時，實驗時間短，實驗效果直觀、明顯，大大提高實驗課堂效率和學生的學習興趣。此外，實驗過程中增加對無關變量溫度和CO2的控制，使實驗更加科學、嚴謹，提高實驗的可信度，有利于培養學生嚴謹的科學態度和創新精神。

該實驗裝置除了應用于探究光照強度對光合作用強度的影響外，還可應用于探究其他環境因素，如光質、溫度、CO2濃度等對光合作用強度的影響。若將該裝置放于黑暗條件下，簀藻不能進行光合作用，但其本身的呼吸作用消耗抽濾瓶內的O2，導致抽濾瓶內壓強減小，有色液滴在移液管中向左移動。因此，該裝置還可以應用于探究“不同環境因素對呼吸作用的影響”等實驗。以此開展學生的第二課堂實驗，不僅可以解決教學中的難點內容，呼吸速率、總光合作用速率、凈光合作用速率的重點、難點內容，還可以有效培養學生的實踐能力、實驗探究能力，以提高學生的生物學學科核心素養。

? 電子資源