探究金魚(yú)藻光合作用與呼吸作用的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

李相玲

摘 要 通過(guò)設(shè)計(jì)金魚(yú)藻光合作用與呼吸作用時(shí)氣體轉(zhuǎn)化的探究性實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明綠色沉水植物對(duì)維持生物圈碳氧平衡也具有重要作用。借助教材中可探究性實(shí)驗(yàn)資源的開(kāi)發(fā)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞 綠色沉水植物 光合作用 呼吸作用 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

中圖分類號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的背景

在學(xué)習(xí)蘇科版《生物學(xué)》八年級(jí)上冊(cè)“綠色植物與生物圈中的碳-氧平衡”一節(jié)時(shí)，為探究綠色植物光合作用下吸收二氧化碳放出氧氣，教科書(shū)上采用了分步實(shí)驗(yàn)。先是選用綠色陸生中生植物來(lái)“驗(yàn)證綠葉在光下吸收二氧化碳”，在進(jìn)行第二階段“探究綠色植物在光下放出的氣體”時(shí)，教材卻提議選擇“水生綠色植物”進(jìn)行探究，前后生物材料與實(shí)驗(yàn)環(huán)境的不統(tǒng)一，沒(méi)有體現(xiàn)出同一種綠色植物對(duì)維持生物圈碳氧平衡所發(fā)揮的“自身”作用。此外，還缺乏對(duì)同一種綠色植物“呼吸作用時(shí)吸收氧氣、放出二氧化碳”的探究，使得證據(jù)鏈略顯“不足”。據(jù)研究，水生植物所釋放出來(lái)的氧氣可達(dá)地球大氣含氧量的70%左右，因此，增設(shè)一套連續(xù)探究同一綠色水生植物在呼吸作用與光合作用時(shí)氣體變化的實(shí)驗(yàn)，能加深學(xué)生理解綠色水生植物對(duì)維持生物圈碳氧平衡所起的重要作用。對(duì)此，筆者選用綠色沉水植物金魚(yú)藻為代表進(jìn)行了系列探究。

2 實(shí)驗(yàn)材料、試劑和儀器

50 g金魚(yú)藻、1個(gè)700 mL塑料空瓶（圓柱形）、1個(gè)400 mL塑料空瓶、1根L型玻璃管、1根直玻璃管、1套PPW軟管（醫(yī)用輸液管）、1個(gè)雙孔橡膠塞、1根35 cm長(zhǎng)乳膠管、溴麝香草酚藍(lán)溶液（BTB指示劑）、紅墨水、1根紅水玻璃溫度計(jì)（0～50℃）、1個(gè)鐵架臺(tái)、3張玻璃紙（紅、綠、藍(lán)色）、1根亞力克直尺（20 cm）、2個(gè)圓形磁鐵（直徑10 cm）、1個(gè)鋼珠、1支10 mL注射器、1根細(xì)檀香等。

3 實(shí)驗(yàn)裝置的制作

3.1 制作過(guò)程

（1） 在400 mL空塑料瓶上配裝雙孔橡膠塞，并插入L型和直型2根玻璃短管。

（2） 將35 cm長(zhǎng)乳膠管套裝在L型玻璃管上，吹氣端塞入1個(gè)鋼珠作為阻氣閥；出氣端玻璃管上套接帶滑動(dòng)開(kāi)關(guān)的PPW軟管，再套接PPW細(xì)管，將細(xì)管體緊貼20 cm刻度尺用透明膠固定；再將直尺橫向用夾子固定于鐵架臺(tái)上，夾柄懸掛溫度計(jì)。

（3） 在400 mL空塑料瓶中下部分散打數(shù)個(gè)小孔，在瓶體外壁粘貼帶防水的刻度條，瓶底固定一塊磁鐵。

（4） 將700 mL空塑料瓶從外套裝400 mL空塑料，外瓶邊緣高度比內(nèi)瓶口高出約5 cm，再在大瓶?jī)?nèi)底部固定一塊磁鐵，兩個(gè)瓶體底部吸緊。

3.2 整套裝置（圖1）

4 探究金魚(yú)藻在自然光下光合作用時(shí)吸收二氧化碳釋放出氧氣

4.1 操作步驟

（1） 將金魚(yú)藻放于小塑料瓶?jī)?nèi)，再將其置于大塑料瓶體內(nèi)，兩瓶底部接觸并吸牢；向大塑料瓶?jī)?nèi)注水至內(nèi)瓶水滿為止，塞上帶雙玻璃管的橡膠塞。

（2） 向大瓶水中滴入3滴質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的BTB指示劑，觀察并記錄水體顏色；關(guān)閉PPW軟管上的滑動(dòng)開(kāi)關(guān)，從乳膠管口端向水內(nèi)不斷吹二氧化碳?xì)怏w，觀察水體顏色變化。

（3） 將整套裝置于光下照射，觀察內(nèi)外瓶體內(nèi)水體顏色及液面變化。

（4） 當(dāng)內(nèi)瓶上方收集到一定量氣體后，打開(kāi)滑動(dòng)開(kāi)關(guān)，將帶火星的細(xì)檀香置于PPW軟管粗短口，觀察是否復(fù)燃。

4.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

（1） 實(shí)驗(yàn)初始水體無(wú)色；（2） 加3滴BTB溶液后水體呈淡藍(lán)色；（3） 吹入二氧化碳?xì)怏w，水體逐漸由淡藍(lán)色變?yōu)榈S色；（4） 關(guān)閉滑動(dòng)開(kāi)關(guān)，自然光照射2h后水體又重新變回淡藍(lán)色，內(nèi)瓶液面下降，外瓶液面上升；（5） 將帶火星細(xì)檀香置于出氣口，打開(kāi)滑動(dòng)開(kāi)關(guān)，外瓶液面下降，內(nèi)瓶液面上升，氣體排出，檀香復(fù)燃。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：金魚(yú)藻在光合作用時(shí)，吸收水體中的二氧化碳，并釋放出氧氣。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

金魚(yú)藻在光合作用時(shí)，吸收水體中的二氧化碳，并放出氧氣。

5 探究金魚(yú)藻在三種不同色光下的光合效率

5.1 操作步驟

（1）和（2）同4.1。

（3） 用注射器在細(xì)PPW軟管左端連接口處注入一段約5 cm長(zhǎng)紅墨水并調(diào)節(jié)到4刻度處，接好端口，打開(kāi)滑動(dòng)開(kāi)關(guān)。

（4） 在環(huán)境溫度25℃下，分別將綠、藍(lán)和紅三色玻璃紙圈套于大瓶體外，置于自然光下分別照射20 min，觀察并記錄細(xì)管內(nèi)紅色液柱所對(duì)應(yīng)在直尺上的刻度變化情況。

5.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：（1） 無(wú)玻璃紙時(shí)，紅色液柱處于4 cm刻度處；（2） 在套裝綠色玻璃紙并光照20 min后，紅色液柱移至6.5 cm刻度處；（3） 在套裝綠色玻璃紙并光照20 min后，紅色液柱移至15.5 cm刻度處；（4） 在套裝綠色玻璃紙并光照20 min后，紅色液柱移至19.6 cm刻度處。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在25℃環(huán)境溫度下，金魚(yú)藻在紅色光照下的光合效率最大，綠色光照下的光合效率最小。

6 探究金魚(yú)藻呼吸作用時(shí)水中氣體變化情況

6.1 操作步驟

（1）和（2）同上。

（3） 將套裝的大瓶裝置罩上黑色布袋置于暗處5 d后，取出觀察瓶?jī)?nèi)水體顏色變化。

6.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：向內(nèi)置金魚(yú)藻的清水內(nèi)滴加3滴BTB指示劑，水體變?yōu)榈{(lán)色；在將裝置套上黑布袋暗處理5 d后，取出觀察瓶?jī)?nèi)水體顏色變?yōu)榈S色。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：避光下，金魚(yú)藻進(jìn)行呼吸作用時(shí)可使水體中二氧化碳含量增加。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：向內(nèi)置金魚(yú)藻的清水內(nèi)滴加3滴BTB指示劑，水體呈淡藍(lán)色；將裝置套上黑布袋暗處理5d后，取出觀察瓶?jī)?nèi)水體顏色變?yōu)榈S色。endprint

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：避光下，金魚(yú)藻進(jìn)行呼吸作用時(shí)可使水體中二氧化碳含量增加。

7 延伸實(shí)驗(yàn)：探究金魚(yú)呼吸作用時(shí)水中氣體變化情況

在大塑料瓶?jī)?nèi)注入清水，向內(nèi)滴加3滴BTB溶液并記錄水體顏色，放進(jìn)6條金魚(yú)，2 h后可觀察到水體顏色由淡藍(lán)色逐漸變?yōu)闇\黃色，說(shuō)明金魚(yú)在水內(nèi)進(jìn)行呼吸作用時(shí)，會(huì)使得水中二氧化碳含量增加。

8 設(shè)計(jì)特點(diǎn)與教學(xué)實(shí)效

8.1 設(shè)計(jì)的多功能性

本套教具從設(shè)計(jì)上可做四個(gè)不同實(shí)驗(yàn)：（1）定性地探究綠色沉水植物光合作用時(shí)氣體的轉(zhuǎn)化情況；（2） 探究不同色光下綠色沉水植物的光合效率，通過(guò)紅色液柱（刻度）變化情況，還可定量地探究光照時(shí)間和溫度對(duì)水生綠色植物光合作用的影響程度。（3） 定性地探究綠色沉水植物呼吸作用時(shí)氣體的轉(zhuǎn)化情況。（4） 通過(guò)探究水中動(dòng)物呼吸時(shí)氣體的變化情況，說(shuō)明水中動(dòng)物在維持生物圈中碳氧平衡時(shí)所起的作用。另外，還可將金魚(yú)藻光合作用下產(chǎn)生的氧氣進(jìn)行連續(xù)收集并存儲(chǔ)，便于后續(xù)教學(xué)中使用。

8.2 教學(xué)的實(shí)際效果

新課標(biāo)要求教師在本節(jié)教學(xué)中幫助學(xué)生形成重要概念：“綠色植物的光合作用和呼吸作用有助于維持生物圈中的碳氧平衡”。在數(shù)量龐大的綠色水生植物中，即便是缺乏氣孔的植物對(duì)生物圈中碳氧平衡的維持也至關(guān)重要。在教學(xué)實(shí)踐中增添本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以獲得如下效果：（1） 應(yīng)用自制教具將全真實(shí)驗(yàn)微型化，順利突破教學(xué)重難點(diǎn)。借助BTB指示劑的顏色變化，能很好地驗(yàn)證了綠色水生植物在光合作用時(shí)吸收二氧化碳放出氧氣；避光下，進(jìn)行呼吸作用時(shí)消耗氧氣放出二氧化碳的客觀事實(shí)。讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到，同樣環(huán)境下其光合作用明顯強(qiáng)于呼吸作用，多余的氧排放到大氣中，為生物圈中的生物進(jìn)行生命活動(dòng)提供氧氣。（2） 運(yùn)用日常生活中常見(jiàn)材料輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，消除學(xué)生對(duì)生物實(shí)驗(yàn)的神秘感并激發(fā)其求知欲。實(shí)驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)易，學(xué)生易操作，參與度高，利于學(xué)生在實(shí)踐中體驗(yàn)學(xué)習(xí)生物知識(shí)的樂(lè)趣。（3） 借用該實(shí)驗(yàn)裝置的多功能性，有助于提高生物課堂教學(xué)的實(shí)效性。該套設(shè)備克服了常見(jiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上的單一性，可進(jìn)行多個(gè)不同實(shí)驗(yàn)，且安全可靠，造價(jià)低廉，便于攜帶。另外，該實(shí)驗(yàn)還可探究水生動(dòng)物呼吸過(guò)程中氣體的變化情況，充分利用了實(shí)驗(yàn)資源。總之，對(duì)課程資源的再開(kāi)發(fā)不僅可以滿足新課程實(shí)施的需要，促進(jìn)課程資源的動(dòng)態(tài)生成，還可為推進(jìn)和深化課程改革奠定良好的基礎(chǔ)。

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