“光照強(qiáng)度和氣孔關(guān)閉協(xié)同對(duì)光合作用的影響”實(shí)驗(yàn)教學(xué)與探討

范陽(yáng)洋 李秀軍 侯妹仿

（1 北京市密云區(qū)第二中學(xué) 北京 101500 2 北京市密云區(qū)教師研修學(xué)院 北京 101500）

“環(huán)境因素對(duì)光合作用的影響”是人教版普通高中生物學(xué)必修1《分子與細(xì)胞》第5 章中的一個(gè)探究性課題，課題要求參照案例思路，探索提高光合作用強(qiáng)度的有效而實(shí)用的措施，旨在讓學(xué)生深刻理解影響光合作用的因素。學(xué)生在前期教材內(nèi)容學(xué)習(xí)中已認(rèn)識(shí)到影響光合作用的因素有光照強(qiáng)度和CO2濃度，但對(duì)細(xì)胞間隙CO2的存在難以理解。

筆者基于對(duì)“環(huán)境因素對(duì)光合作用的影響”實(shí)驗(yàn)的深入思考，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行改進(jìn)教學(xué)。 自制光照強(qiáng)度探究裝置，利用30%的蔗糖溶液誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉［1］探究氣孔關(guān)閉與光照強(qiáng)度對(duì)光合作用的影響，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析探討，收到了較好的教學(xué)效果。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1）探究光照強(qiáng)度對(duì)光合作用的影響。 2）探究氣孔關(guān)閉對(duì)光合作用的影響。 在探究光照強(qiáng)度對(duì)光合作用影響的基礎(chǔ)上，依據(jù)單一變量，對(duì)照原則加入對(duì)氣孔關(guān)閉對(duì)光合作用影響的實(shí)驗(yàn)探究。

2 實(shí)驗(yàn)材料與用具

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

1）自制裝置：利用KT 板剪裁拼接成梯狀，用熱熔膠粘牢固定，設(shè)置10 cm、20 cm、30 cm 共3種高度，每層高設(shè)2 個(gè)200 mL 燒杯座（圖1）。

2）其他用具：打孔器、注射器、燒杯（100 mL、200 mL）、鑷子等。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料 綠蘿葉片。

2.3 實(shí)驗(yàn)試劑 30%蔗糖，1%碳酸氫鈉蒸餾水。

3 實(shí)驗(yàn)原理

1）不同距離，光照強(qiáng)度不同，影響葉片光合作用，產(chǎn)生氧氣多少不同。

2）綠蘿葉片保衛(wèi)細(xì)胞在30%蔗糖溶液中失水，氣孔關(guān)閉，影響CO2的吸收，進(jìn)而使光合作用減弱。

3）碳酸氫鈉分解，能為實(shí)驗(yàn)植物提供光合作用所需的CO2。

4）植物葉片含有空氣，在清水中會(huì)上浮，抽氣后會(huì)下沉，當(dāng)光合作用產(chǎn)生的氧氣充滿細(xì)胞間隙，會(huì)使葉片上浮。 故葉片上浮情況可作為光合作用強(qiáng)度的觀察指標(biāo)。

4 實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化及結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)材料的選擇 選擇綠蘿作為材料，因?yàn)槠錇轺梓肴~屬植物，大型常綠藤本，其葉片稍肥厚，韌性適中，葉面積足夠大，易于打孔制成小圓形 葉片［1］。

4.2 實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn) 本實(shí)驗(yàn)中光照強(qiáng)度是影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重要因素，為達(dá)到固定光照強(qiáng)弱的目的，利用易剪裁的KT 板作為材料，制作簡(jiǎn)易裝置設(shè)定光照強(qiáng)度，并以LED 燈作為光源，因?yàn)長(zhǎng)ED 燈屬于冷光源，在解決光照強(qiáng)弱的設(shè)定問(wèn)題上還很好地控制了溫度對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，并選擇性地加入藍(lán)光燈，增強(qiáng)了光合作用，更有利于在較短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.3 探究條件的再創(chuàng)新 教材中給出了光照強(qiáng)度對(duì)于光合作用的影響的參照案例，依據(jù)案例思路自制裝置，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)方案，并利用冷光源作為環(huán)境因素，排除了無(wú)關(guān)變量溫度對(duì)于實(shí)驗(yàn)的影響。教材中還提到CO2濃度也是影響光合作用的重要因素，夏天植物會(huì)出現(xiàn)“午休”現(xiàn)象，原因是溫度過(guò)高氣孔關(guān)閉，導(dǎo)致細(xì)胞間隙CO2吸收量減少，光合作用速率下降，但學(xué)生對(duì)此原因的理解較為模糊。 為能直觀觀察到此現(xiàn)象，學(xué)生根據(jù)已有知識(shí)，細(xì)胞吸水和失水原理的應(yīng)用，選擇30%的蔗糖溶液誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉，降低細(xì)胞間隙CO2的濃度，深入探究滲透脅迫使氣孔關(guān)閉并解除后不同光照強(qiáng)度對(duì)于光合作用的影響。

4.4 實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)果 首先制作1 cm 綠蘿葉片小圓片60 片，并利用注射器抽出葉片內(nèi)氣體，黑暗下沉入30%蔗糖溶液和清水中，待用。 再取6只燒杯，每只放150 mL1%碳酸氫鈉［2］，1 號(hào)、3 號(hào)、5號(hào)燒杯各放入10 片清水浸泡的葉片，2 號(hào)、4 號(hào)、6 號(hào)燒杯各放入10 片蔗糖溶液浸泡的葉片，每2只分別進(jìn)行強(qiáng)、中、弱3 種光照［3］（圖6）。 觀察并記錄不同時(shí)間上浮葉片數(shù)量，某小組實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄如表1、圖4、圖5。 依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：隨光照強(qiáng)度的增加，綠蘿葉片光合作用增強(qiáng)，氣孔關(guān)閉會(huì)降低葉片的光合作用。

表1 不同時(shí)間內(nèi)各燒杯中葉片上浮數(shù)量

4.5 結(jié)果分析與討論 依據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析認(rèn)為氣孔關(guān)閉引起細(xì)胞間隙CO2濃度降低進(jìn)而使光合作用速率下降。 當(dāng)然在30%的蔗糖溶液中不僅僅是氣孔關(guān)閉，也會(huì)引起細(xì)胞失水甚至質(zhì)壁分離等生理變化，這些生理變化雖然均直接影響光合作用，但在制作小圓葉片時(shí)保持了葉片完整性，除表皮細(xì)胞外的其余細(xì)胞與蔗糖溶液的接觸并不充分。 自然狀態(tài)下由于溫度過(guò)高而引起氣孔關(guān)閉的同時(shí)也會(huì)引起細(xì)胞的失水等生理變化，也并不是單一變量影響葉片光合作用，所以本實(shí)驗(yàn)認(rèn)為氣孔關(guān)閉是導(dǎo)致光合作用下降的主要原因，并比較了不同光照強(qiáng)度對(duì)葉片光合作用的影響。與1 號(hào)、3號(hào)、5 號(hào)燒杯中小圓葉片上浮時(shí)間比較，2 號(hào)、4號(hào)、6 號(hào)燒杯中小圓葉片開始上浮時(shí)間明顯滯后，表明氣孔關(guān)閉造成的細(xì)胞間隙CO2濃度降低使光合作用明顯減弱。

實(shí)驗(yàn)操作中將蔗糖處理后的小圓葉片放入1%碳酸氫鈉溶液中，由于此溶液濃度遠(yuǎn)低于蔗糖溶液濃度，在蔗糖溶液中失水的保衛(wèi)細(xì)胞會(huì)吸水膨大，細(xì)胞生理狀態(tài)逐漸恢復(fù)正常導(dǎo)致氣孔逐漸開放，滲透脅迫解除使細(xì)胞間隙CO2濃度逐漸上升，使小圓葉片逐漸上浮，這也可以證明氣孔關(guān)閉對(duì)光合作用的影響。

根據(jù)以上分析，本實(shí)驗(yàn)是一個(gè)開放性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果雖不能說(shuō)明氣孔關(guān)閉是引起光合作用下降的唯一原因，但模擬了自然狀態(tài)下因氣孔關(guān)閉引起的光合作用強(qiáng)度下降的現(xiàn)象，并達(dá)到了讓學(xué)生直接觀察真實(shí)領(lǐng)悟光合作用下降的結(jié)果。

5 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

5.1 教學(xué)安排

1）課前準(zhǔn)備階段：參照教材案例嘗試確定探究光照強(qiáng)度對(duì)光合作用影響的實(shí)驗(yàn)方案，依據(jù)方案要求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置［4］。 組間交流，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置，利用課余時(shí)間制作裝置。 分組查閱資料，明確誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉的方法。

2）課堂教學(xué)階段：建議1 課時(shí)，展示簡(jiǎn)化后的實(shí)驗(yàn)裝置，介紹優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)方案，分組進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析結(jié)果并探討，得出結(jié)論，總結(jié)實(shí)驗(yàn)中的經(jīng)驗(yàn)和不足，相互交流。

5.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)傳遞的重要概念 了解光合作用的影響因素是教材中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)可讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)完成光照強(qiáng)度對(duì)光合作用影響的探究，并同時(shí)完成了氣孔關(guān)閉對(duì)于光合作用影響的探究，進(jìn)一步加深對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的理解。 在裝置設(shè)計(jì)和制作中學(xué)生積極主動(dòng)地獲取生物科學(xué)知識(shí)，領(lǐng)悟科學(xué)研究方法，使得動(dòng)手能力得到鍛煉，創(chuàng)造能力得到了提高。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中讓學(xué)生體會(huì)實(shí)驗(yàn)探究，體會(huì)生物學(xué)結(jié)論的得出是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的，實(shí)驗(yàn)研究中也會(huì)出現(xiàn)新問(wèn)題，引發(fā)新思考，需要不斷地修正與嘗試，真正落實(shí)學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)［5］。