環境因素對光合作用強度影響的實驗裝置設計

張玄可

摘要：通過對人教版高中生物學教科書中“探究環境因素對光合作用強度的影響”的實驗裝置進行改進，可便于學生探究單因素和多因素對光合作用的影響，從而更好地提高學生科學探究和實踐能力。

關鍵詞：環境因素，光合作用強度，實驗裝置設計

中圖分類號Q-337文獻標志碼：B

“探究環境因素對光合作用強度的影響”是人教版《必修1·分子與細胞》第五章第四節中的探究性實驗活動，有助于學生理解光合作用中物質和能量變化。但利用教材中的真空滲水法在開展時，會面臨探究環境因素單一、實驗儀器、試劑消耗量大、難以同時開展多組實驗和設計多因素變量等問題。為了使實驗操作更簡便、探究活動的因素更多樣、實驗結果可靠性和可重復性更強，本實驗在裝置設計、光照強度控制、排除無關變量干擾進行改進，便于學生開展方案設計和探究活動的實施。

1 實驗材料的選取與處理

選取菠菜為材料，進行圓葉上浮定量實驗。通過對比常見植物葉片鳶尾葉、玉蘭葉、女貞葉、綠蘿葉、小白菜葉、上海青葉及菠菜葉進行預實驗，發現菠菜葉抽氣后易下沉于注射器底部且受光照后上浮現象明顯。以學生常用卷子整理工具為打孔器，便于學生廣泛參與實驗，快速獲得直徑6mm小圓葉。

2實驗裝置設計

2.1 光源的設置

教材中通過燒杯與光源的位置控制光照強度，受周圍光照干擾較大，本實驗裝置取自廢舊快遞紙盒，來源廣泛，且打孔和切割簡便，裝置可使實驗密閉進行，排除了環境中光照的干擾。光源采用冷光源的5個LED燈帶，每個條帶有12個燈珠（每個燈珠功率5w），可方便調控光質為黃色、白色、暖白色，能更好地控制無關變量、光照強度、光質。

2.2 反應器的改進

本實驗裝置采用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驗步驟，減少葉片轉移過程中無關變量的干擾和對葉片的損傷。將10個葉片放入注射器后，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始抽氣操作，在拉動活塞后觀察到葉片表面有氣泡冒出，停留5。然后，晃動注射器使氣泡與葉片脫離，便于葉片下沉。

2.3 “三維立體”光合作用箱的設計

目前光合作用裝置的設計多使光線從側面照射葉片，考慮到葉圓片的受光面積及實驗探究活動開展的需要，本實驗的光合作用箱采用光線從注射器底部射入的設計。

（1）將5條長30cm的LED燈帶串聯于長32cm、寬22.5cm、高47cm的紙箱底部，光源驅動及開關置于紙箱外部。

（2）用輸液用軟管頭部在距離紙箱底部19cm、29cm、39cm處箱子的兩側鉆小孔，每對小孔圓心相距2cm，正好能確保釣魚線穿過后注射器懸掛，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燈帶發出的光，垂直方向上每對小孔間距5cm。

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

3 本實驗裝置的應用

本實驗裝置便于探究單一因素，如光照強度、光質、CO₂濃度、pH、溫度、葉齡、樹冠與樹底層葉、陽生與陰生植物葉等對植物光合作用強度的影響.同時，本實驗裝置也可由學生簡單改進，探究光照強度和CO₂濃度、光照強度和pH等多因素對光合作用強度的綜合影響。下面以探究光照強度、CO₂濃度對光合作用的影響為例，介紹本實驗裝置的應用。

3.1 探究光照強度對光合作用的影響

本實驗裝置探究光照強度對菠菜葉光合作用的影響時，可以通過調節注射器和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。每對魚線上放置3個注射器受到的光照強度相同，不同對魚線上注射器受到的光照強度不同。如圖2所示，不同高度的注射器相互對照，共設計9個注射器。結合預實驗結果，所有注射器內NaHCO₃溶液的質量濃度均為2%。暖白光條件下，10min葉圓片上浮實驗結果見表1。

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

3.2 探究CO₂濃度或pH對光合作用的影響

本裝置中在距離箱體底部19cm處開孔三對小孔，以確保各組注射器底部受到的光照強度相同。每對小孔間距為5cm，每對魚線上放置的注射器中NaHCO₃溶液的濃度或pH相同，不同對魚線上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度相同。

圖3所示改進后的實驗裝置也可用于探究CO₂濃度或pH對光合作用強度的影響，若要探究更多濃度的NaHCO₃溶液或不同pH，可多設置小孔的對數。也可探究不同光質條件下CO₂濃度或pH對光合作用的影響，增加實驗設計的靈活性，便于學生設計探究方案。

3.3 探究多因素對光合作用強度的影響

本實驗裝置適當改進后，還可以同時探究光照強度、光質、CO₂濃度、pH、溫度、葉齡等因素對類型植物光合作用強度的影響。以光照強度和CO₂濃度對光合作用強度的綜合影響為例，需要在3個高度同時鉆孔和穿魚線，不同高度在垂直方向上間隔5cm。每對魚線上懸掛裝有3個濃度梯度NaHCO₃溶液的注射器，每個NaHCO₃濃度設置3個注射器，共設計27個注射器。

學生還可以自己選定環境因素，在本實驗裝置基礎上選擇控制自變量，但要注意控制無關變量一致。

4 總結

改進后的“三維立體”的實驗裝置改善了教材中實驗步驟多、試劑需求量大、葉片受光面小、變量單一等問題，所需紙箱、塑料注射器易于從生活中獲得，教師可引導學生利用生活中的材料動手組建。經過改進的實驗裝置，拉動注射器活塞，停留5s并晃動，反復三次即可使直徑6mm的菠菜圓葉下沉，約10min即可觀察到葉片上浮;可設置重復確保實驗結果可靠，便于在課堂上開展，提高對實驗現象記錄和分析的科學探究能力。

學生以小組合作方式直觀體驗環境因素對光合作用的影響，自主設計裝置探究某一變量對光合作用的影響，也可改進裝置探究不同變量對光合作用的綜合影響;便于認識自然界復雜條件下的光合作用，以及應用生物學理論解決社會生活中的實際問題。