自制教具“多功能光合作用光照箱”*

陳雪梅 張四方

（1 蕪湖市田家炳實驗中學 安徽蕪湖 241000 2 安徽師范大學化學教育研究所 安徽蕪湖 241000）

新課程的基本理念是“提高科學素養(yǎng)，面向全體學生，倡導探究性學習，注重與現(xiàn)實生活的聯(lián)系”。“環(huán)境因素對光合作用強度的影響”是高中生物學必修1 第5 章第4 節(jié)的一個重點探究實驗。“研究影響光合作用的環(huán)境因素”是《普通高中生物課程標準（實驗）》（以下簡稱“課程標準”［1］）“細胞代謝”中的一項重要知識點，在高考《考試說明》中列為“Ⅱ級”要求。無論是從課程標準的角度，還是從考試說明的角度觀察，該知識點都應是教學的重點。縱觀以往的教學，多以分析實驗數(shù)據(jù)、設(shè)計實驗方案為主，少有動手操作的環(huán)節(jié)。這樣學生就缺失了“身臨其境”的感性體驗，教材中相關(guān)實驗操作表述模糊［2］。在多年的實際教學發(fā)現(xiàn)，若按照教材所述進行操作，受限于條件難以開展實驗，或在1 課時內(nèi)很難操作成功。因此，經(jīng)過多次探究和改良，自制了多功能光合作用光照箱（該教具是筆者參加第33 屆全國科技創(chuàng)新國賽獲獎后再改良作品），以此方便快捷高效地完成本節(jié)探究實驗。

1 原理與方法

植物的光合作用受光照強度、CO2濃度、光質(zhì)、溫度等環(huán)境條件的影響。利用減壓逐出葉圓片組織間隙中的氣體，葉片會沉于水底。由于光合作用產(chǎn)生的O2在細胞間積累，葉圓片會由原來的下沉狀態(tài)而上浮。根據(jù)上浮的快慢及溶氧量變化數(shù)值，即能比較光合作用的強弱。根據(jù)控制變量和節(jié)能的原理，將教材實驗方案改進，與學生共同探究改良，制作了一個便攜式多功能光照箱。實驗效果明顯，且操作時間短，有利于在短時間完成實驗，有利于在實際教學中操作實施，為教師實驗演示和學生自主探究均提供了便利。

2 制作材料

亞克力板若干塊、彩色LED 燈珠（白色、紅色、綠色和藍色）、亞克力膠水、變壓器、電線若干，插頭1 個、手提鉆、氧氣傳感器、刻度尺、記號筆等。

3 制作過程

3.1 多功能光合作用光照箱的設(shè)計如圖1（本文附圖見封四）所示。

3.2 多功能光合作用培養(yǎng)箱的制作過程 制作的多功能光合作用光照箱，旨在探究多個環(huán)境因素對光合作用強度的影響。具體步驟如下：

1）先將背板等分為上、下2 層，每層3 個小正方形方格，邊長均為15 cm，用記號筆畫線，共6個方格。然后，在上層紅、綠、藍3 色燈箱內(nèi)各加一個隔板，將每個燈箱均分為2 個小方格，便于比較和重復。

2）用手提鉆將背板的每個小方格內(nèi)等距離打孔，每個隔間內(nèi)打9 個孔洞，用于安裝LED 燈珠。

3）在上、下2 層的底板上用記號筆等距離畫上刻度線，從背板向前依次間隔5 cm，以便快速準確地安放燒杯，確定光照距離來控制光照強度強弱。

4）用亞克力膠水將背板和其他面板按照設(shè)計圖粘好，粘牢固。

5）在2 塊側(cè)板的前方粘上一小細長窄的亞克力條形成卡槽，以便將門板插入卡槽內(nèi)。這樣每個隔間均可進行獨立光合作用，各因素同時研究互不影響，互不干擾。

6）安裝LED 燈珠和走線，每層的隔間進行串連走線，方便不同光質(zhì)、不同光照度光照影響因素的同時探究；上、下2 層進行并連走線，光質(zhì)光強等因素同步或不同步探究均可，根據(jù)需要方便選擇。

7）安裝變壓器，將220 V 的電壓變成了5 V，并接上插頭，師生使用不會有觸電危險。

至此，多功能光合作用光照箱基本框架搭建成功，實物如圖2。

4 教學用途與用法

光照箱價格昂貴，大多數(shù)中學實驗室無光照箱，不能很好地排除實驗中無關(guān)變量的影響。該LED 燈珠嵌入式的便攜式多功能光照箱，可用于高中生物學必修1 第5 章第4 節(jié)的“環(huán)境因素對光合作用強度的影響”實驗探究。

1）探究光照強度對光合作用強度的影響：用燒杯與光源距離遠近模擬光照強弱（培養(yǎng)箱中已標明刻度線，直接放置即可）。

2）探究不同光質(zhì)對光合作用強度的影響：LED燈珠嵌入式便攜式光照箱，不同分隔間分別安裝了不同顏色的燈珠，有紅、綠、藍、白4 種不同顏色的光。

3）探究不同CO2濃度對光合作用強度的影響：設(shè)置不同CO2濃度，在白光分隔間離光源等距離放置即可。

4）探究不同pH 值對光合作用強度的影響：設(shè)置不同pH 值，在白光分隔間離光源等距離放置即可。

既可直接觀察小圓片上浮的速度或片數(shù)定性探究，又可用氧氣傳感器直接插入燒杯中，連接到電腦端，打開采集器即可直觀定量探究。

5 光合作用培養(yǎng)箱特點

探究光合強度影響因素的便攜式多功能光照箱，解決了因?qū)嶒炇覘l件有限（無光照箱）或時間限制（短時間觀察不到實驗現(xiàn)象）而導致的此實驗在中學課堂中無法正常開展的問題。其具體特點有：

1）多功能便攜式光照箱：經(jīng)久耐用，方便移動。可同時探究多個因素，例如光照強度、CO2濃度、光質(zhì)、溫度等環(huán)境條件；也可分開探究。

2）LED 冷光源控制變量：教材中使用的光源是40 W 臺燈，但由于白熾燈發(fā)熱明顯，導致不同距離提供不同光強的同時，也造成了不同溫度的影響，不能滿足實驗設(shè)計的單一變量原則，在實驗分析時無法區(qū)分光照強弱和溫度2 個獨立因素的影響。

3）節(jié)能環(huán)保：LED 燈是節(jié)能燈，節(jié)約能源。

4）用電安全：裝置上用了變壓器，將220 V 的電壓變成了5 V，安全可靠。

5）精確的刻度線：在裝置內(nèi)的每個隔間都畫了刻度線，便于控制光源與燒杯間的距離。

6）省時且定性實驗與定量實驗相結(jié)合：根據(jù)課程進度安排。大約每年11月講授該節(jié)內(nèi)容，而此時環(huán)境溫度低，利用葉圓片上浮法無法在短時間內(nèi)獲得理想的實驗結(jié)果。利用氧氣傳感器，將其放到裝置中，然后連接電腦顯示器，可直接測水中的溶氧量，不僅極大縮短了實驗時間，而且能直觀感受不同光合作用強度下產(chǎn)氧量的變化。從而將定性實驗與定量實驗相結(jié)合。

6 本裝置的使用情況

經(jīng)學生實驗使用（圖3），效果非常好。以前1 課時不能完成一個因素的探究，使用此裝置10 min 即可完成多個因素的探究。

總之，該裝置設(shè)計巧妙，實用性強，節(jié)約成本，具有先進性，創(chuàng)新性的便攜式的優(yōu)點。