真空滲水法“探究影響光合作用的因素”的實驗裝置設計

戴 赟 汪婷婷 黃建書

(1上海市閔行區(qū)教育學院 上海 200241； 2上海市閔行第三中學 上海 200240)

“探究影響光合作用的因素”是上海市高中生命科學教材第1冊第4章第2節(jié)中的實驗，屬于課標要求的唯一一個C級水平的學生探究實驗。教材提出了兩個可參考的實驗方案——真空滲水法和溶解氧傳感器測定法。在實際的教學中，真空滲水法因設備要求低而被教師廣泛采用。其方案的主要思路是： 利用注射器負壓逐出葉肉細胞間的空氣使葉圓片下沉，然后葉圓片置燒杯中進行光合作用而上浮，上浮所需時間越短則光合作用越強。但真空滲水法方案用于引導學生實驗探究，尤其是設計多組實驗，常常遇到實驗儀器、試劑的準備工作量大，實驗中操作步驟多、變量控制難、實驗耗時長等問題，給教師組織實驗教學和學生實施實驗帶來一定的困擾。為此，本文設計了一套便于實驗探究的裝置，輔助學生便捷地運用真空滲水法方案設計和實施實驗。

1 實驗裝置設計簡介

1.1 光源的設置——LED燈 白熾燈作為光源易發(fā)熱而造成溫度干擾，從而影響實驗結果。探究實驗裝置使用冷光源的LED燈(40 W或40 W以上)，能更好地控制溫度變量，使實驗結果更有說服力。

1.2 容器的歸并——注射器 教材方案中，10 mL的玻璃注射器用于真空滲水法使葉圓片下沉，100 mL燒杯作為光合作用使葉圓片上浮的容器。在實際的操作中，注射器內(nèi)下沉的葉圓片需要倒出后再一個個夾入燒杯。若設計多組實驗，這個步驟必然消耗較多時間。同時，10 mL的玻璃注射器較易破碎，存在一定的安全隱患。

本探究實驗裝置設計使用20 mL的塑料注射器(圖1)，兼具教材中10 mL的玻璃注射器和100 mL燒杯的功能，即用20 mL的塑料注射器使葉圓片下沉后，無需更換容器，直接在該注射器內(nèi)進行葉圓片光合作用上浮實驗。其優(yōu)勢在于： ①縮短實驗操作時間；

圖1 20 mL注射器及尺寸

②相比100 mL的燒杯需倒入30～40 mL的NaHCO3溶液，20 mL的注射器只要使用15 mL即可，能成倍減少試劑使用量；③利用注射器的活塞即可輕松排出原溶液并定量吸取所需要的溶液，使更換溶液輕而易舉；④塑料材質(zhì)的注射器不易碎，即使碎了也不易對學生造成危險；⑤相比玻璃注射器，塑料注射器便宜不少，在價格上頗具優(yōu)勢。

經(jīng)試驗，注射器針筒直徑太小(如10 mL的注射器)，葉圓片易重疊而造成較大的實驗誤差。注射器太大(如50 mL的注射器)，則負壓抽氣比較困難。故20 mL的注射器是較好的選擇。圖2顯示葉圓片正在20 mL的塑料注射器中上浮。

圖2 20 mL注射器內(nèi)葉圓片上浮

1.3 便于探究的實驗架設計 實驗架設計既要考慮放置注射器和光源，還要盡量滿足相關實驗方案實施的需要。本文設計的實驗架包括： 上圓盤、下圓盤和支撐柱三部分(圖3)。下圓盤半徑為23 cm，圓心處設計了LED燈的燈座，可根據(jù)需要更換LED燈；4根支撐柱的高度為25 cm，正好能確保注射器內(nèi)放置葉圓片的部分與光源處于同一水平面，且能清晰觀察葉圓片上浮情況(圖4)。上圓盤半徑與下圓盤等同，并在其半徑為10 cm、15 cm、20 cm的三個同心圓(分別記作內(nèi)圈、中圈和外圈)上設置3圈放置注射器的小孔，每圈6個，共18個小孔。小孔的孔徑為2.25 cm，正好能輕松插入一個筒外徑為2.1 cm的20 mL的注射器。各圈小孔均勻分布，且呈鑲嵌狀排列不互相遮擋從圓心LED燈發(fā)出的光(圖5)。

(1) 側面圖

(2) 俯視圖(示上圓盤)

圖4 實驗架平視結構圖

圖5 實驗架小孔設計圖

經(jīng)手機“照度測量儀APP”和“實時溫度計APP”分別測試各圈光照強度和溫度，結果顯示，由內(nèi)至外各圈層光照強度遞減明顯，同時溫度一致。因此，本探究實驗裝置能較好地控制實驗條件。

2 本套實驗裝置在光合作用影響因素實驗中的運用

2.1 探究光照強度對光合作用的影響 要探究光照強度對光合作用的影響，利用本裝置，可以將注射器置于上圓盤的內(nèi)圈、中圈和外圈以獲得3種不同的光照強度，如圖6左圖中①②③小孔處相互對照，同時確保各注射器內(nèi)放置有等量相同的葉圓片和等量一定濃度的NaHCO3溶液(或煮沸后迅速冷卻的水)。利用起整個圓盤的小孔，最多可以設置6個重復，取均值以減小誤差。若需要研究更多種強度的光照，可以增加圈層數(shù)，或在①②③小孔間打通成孔槽以設置多個、連續(xù)的光照強度(圖7)，只要確保各注射器不互相遮擋光線即可。

2.2 探究CO2濃度對光合作用的影響 要探究CO2濃度對光合作用的影響，可以在注射器內(nèi)吸取等量不同濃度的NaHCO3溶液，分別置于上圓盤的同一圈層中，確保各實驗組光照強度以及溫度一致。本裝置最多可以設置6個濃度的NaHCO3溶液(圖8)。可滿足常規(guī)探究實驗中濃度梯度的需求。相比其他圈，置于內(nèi)圈小孔能相對較快地看到葉圓片上浮的現(xiàn)象。

圖6 光照強度對光合作用影響的探究實驗分組設計圖和實物圖 圖7 獲得多個、連續(xù)變化的光照強度的上圓盤設計

2.3 探究光質(zhì)或溫度對光合作用的影響 要探究光質(zhì)對光合作用的影響，可以將LED燈更換成能產(chǎn)生不同光質(zhì)光源的燈，1個實驗架用1種光質(zhì)，幾個實驗架幾種裝置相互對照，分別置于暗箱中進行實驗。為確保光照強度一致，每個實驗架中的注射器應置于相同圈層的小孔中。

同樣，若探究溫度對光合作用的影響，可以在使用原LED燈的情況下，1個實驗架1個溫度，多個實驗架分別置于不同的溫度環(huán)境中，每個裝置除了溫度有別外，其他無關變量都保持一致，如確保每個實驗架中的注射器置于相同圈層的小孔使光照強度一致。

圖8 探究CO2濃度對光合作用影響的探究實驗分組設計

圖9 探究光照強度和CO2濃度對光合作用影響的探究實驗分組設計圖

2.4 用于雙因素探究實驗的設計 利用改進的實驗裝置設計雙因素實驗，可以同時探究光照強度、光質(zhì)、CO2濃度、溫度以及葉齡等因素中的2種。以探究光照強度和CO2濃度對光合作用的影響為例，若需要設置3種光照強度和3種CO2濃度，可以按表1設計9個注射器，分別置于如圖9所示的上圓盤①～⑨小孔中。若設置6個梯度濃度的NaHCO3溶液，則需要使用整個上圓盤的18個小孔。

表1 探究光照強度和CO2濃度對光合作用影響的探究實驗分組設計表

3 結語

改進后的實驗裝置更為經(jīng)濟、安全、操作便捷。實驗中無需準備數(shù)量眾多的燒杯，試劑量也減少，能大大減輕實驗員在實驗前后準備和整理的負擔。

教師可通過輕松換用不同瓦數(shù)的LED燈或增減NaHCO3溶液的濃度等方法在一定程度上調(diào)控學生完成實驗的時間，通常20 mL的注射器抽4下可以使4個直徑為5 mm左右的葉圓片下沉，葉圓片上浮的時間則基本可以控制在10～20 min之內(nèi)，為教師組織其他教學活動勻出了寶貴的時間，例如可用于組織學生討論實驗中各種誤差的控制：注射器上標簽紙的粘貼位置，葉圓片是否重疊，注射器帶刻度一側是否遮擋光線等。