“探究溫度、光強和CO₂濃度對光合作用強度的影響”的實驗設(shè)計與分析

張勤勤

[摘? ?要]“探究溫度、光強和CO2濃度對光合作用強度的影響”實驗以教材內(nèi)容和案例為基礎(chǔ)，對光合作用的實驗方法進行了優(yōu)化，分析了不同環(huán)境因素對光合作用強度的影響。本實驗以分組的方式進行，使每個學(xué)生都能充分參與實驗活動，提高了學(xué)生的動手能力，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新意識。

[關(guān)鍵詞] 溫度;光強;CO2濃度;光合作用

[中圖分類號]? ? G633.91? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2019）29-0095-02

探究溫度、光強（即光照強度）和CO2濃度等環(huán)境因素對光合作用強度的影響是中學(xué)生物的重要內(nèi)容。該實驗活動的開展有助于學(xué)生深刻理解光合作用的原理和過程，掌握不同環(huán)境因素對光合作用強度的影響，同時培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和解決問題能力。教材安排了一個實驗案例作為指導(dǎo)，其目的是探究光強對光合作用強度的影響，但是在教學(xué)實際中發(fā)現(xiàn)案例內(nèi)容單一，實驗操作較為復(fù)雜，且耗時較長。因此，筆者在充分學(xué)習(xí)教材案例的基礎(chǔ)上，對光合作用強度的影響因素做了全面的分析，在探究光強因素的基礎(chǔ)上增加了溫度和CO2濃度等因素的探究活動，從而有效實現(xiàn)學(xué)生對光合作用強度的影響因素及其結(jié)果的全面認識。

一、實驗分組和分工

實驗任務(wù)分工和對比實驗分組都能有效提高實驗教學(xué)效率，使學(xué)生積極主動地參與實驗活動。實驗中，可將學(xué)生分為3大組，每組12人，每大組又分為3個小組，每個小組4人。3個大組的實驗?zāi)康牟煌?，分別從溫度、光強和CO2濃度三個角度對光合作用強度的影響進行實驗探究。每個大組中3個小組所做的實驗一樣，其目的是研究同一個實驗的實驗結(jié)果的差異。在這個實驗中，運用了分類實驗和對比實驗的方法。其中，探究“光強對光合作用強度的影響”實驗中的組內(nèi)分工內(nèi)容包括：準備30 ℃的溫水并保持溫度不變;配制相同濃度的CO2濃液;調(diào)控光源與燒杯的距離;準備不含氣體的葉片。探究“CO2濃度對光合作用強度的影響”實驗中的組內(nèi)分工內(nèi)容包括：準備30 ℃的溫水并保持溫度不變;配制不同濃度的CO2濃液;保持光源與燒杯的距離不變;準備不含氣體的葉片。探究“溫度對光合作用強度的影響”實驗中的組內(nèi)分工內(nèi)容包括：準備不同溫度的溫水并各自保持溫度不變;配制不同濃度的CO2濃液;保持光源與燒杯的距離不變;準備不含氣體的葉片。

二、實驗改進設(shè)計

實驗室的環(huán)境對光合作用強度的影響比較大，實驗室中的光照強度相比室外較弱，且溫度較低，因此，筆者針對“光強對光合作用強度的影響”的實驗提出以下改進建議。

1.對光強控制的改進措施

根據(jù)教材的建議，給每個實驗組配置3盞40 W的臺燈做光源，通過調(diào)控光源與燒杯的距離實現(xiàn)對光強的控制。但是，讓3個實驗組在同一個實驗臺同時進行實驗，會對實驗結(jié)果產(chǎn)生一定的影響：一是光源相互干擾，光源之間會出現(xiàn)疊加現(xiàn)象，其疊加程度不同產(chǎn)生的光強和溫度也不同;二是耗時較長，實驗室光線較暗，以40 W的臺燈作為光源，需要較長的實驗時間才會出現(xiàn)少數(shù)葉片上浮的現(xiàn)象。因此，為了減少光源干擾，使實驗效果更加明顯，可給每個實驗組配一盞100 W的臺燈做光源，通過調(diào)整臺燈與燒杯的距離控制光強。

2.對溫度控制的改進措施

教材中沒有規(guī)定實驗的溫度范圍，但通過實驗發(fā)現(xiàn)，以菠菜葉作為實驗材料，且溫度約為35 ℃時，實驗現(xiàn)象比較明顯。鑒于實驗室溫度偏低，與實驗所需溫度差異較大，且臺燈功率的加大也會對實驗溫度造成影響，所以選擇30 ℃作為實驗溫度。在實驗中，可將熱水和冷水摻和，或者采用冷卻熱水等方法使燒杯中的水溫為30 ℃。

3.對CO2濃度控制的改進措施

教材中提到，通過玻璃管向燒杯中的清水中吹氣，增加清水中CO2的濃度，但沒有明確指出其含量。一般來說，植物光合作用的CO2濃度為10-3 mol/L，在實驗過程中，水溶液中的CO2達到一定的濃度時實驗現(xiàn)象較為明顯。改進措施：一是向燒杯倒入30 ℃的溫水約60 mL，通過塑料管向燒杯均勻自然吹氣約3～5min，之后將溫水平均分配倒入3個小燒杯內(nèi)，使3個小燒杯內(nèi)CO2濃度大致相同;二是配制相同濃度的NaHCO3溶液作為CO2來源。實驗發(fā)現(xiàn)，3% NaHCO3溶液中的CO2濃度較高，實驗前葉片下沉所需時間較長，因此選擇2% NaHCO3溶液為宜。在實驗中，相同的時間內(nèi)不同濃度的NaHCO3溶液中葉片下沉的程度由于吹氣的強度不同而難以控制，對實驗結(jié)果影響較大。

除了上述3點改進措施，還可增設(shè)遮光組，使實驗溫度為30 ℃，使用2% NaHCO3溶液，進行對比分析，證明光是實現(xiàn)光合作用的基本條件。

三、 實驗影響分析

1.分析CO2濃度對光合作用強度的影響

（1） 對CO2濃度的控制。CO2是光合作用的必要條件?？刂艭O2濃度的常用方法有兩種：一是通過吹氣時間控制CO2濃度，如對3個小燒杯中的水分別吹氣1 min、3 min、5 min，形成濃度不同的CO2溶液;二是制成3杯濃度分別為1%、2%、3%的NaHCO3溶液，形成3杯不同濃度的 CO2緩沖液。

（2）對溫度的控制?？蓪?個小燒杯放入裝有30 ℃水的水盆中。

（3）對光強的控制。將1盞100 W的臺燈置于水盆上方，通過調(diào)整臺燈與燒杯之間的距離，使每個燒杯都能得到相同的光強。

（4）增加實驗內(nèi)容。光照組：相同的光強，溫度均為30℃，作為對照組證明CO2是進行光合作用的必要條件;遮光組：3% NaHCO3溶液，溫度均為30℃，排除NaHCO3分解的CO2使葉片上浮對實驗結(jié)果的影響。

2.分析溫度對光合作用強度的影響

（1）對溫度的控制。菠菜是上好的實驗材料，其最適宜的溫度約為40 ℃，根據(jù)實驗可控的程度將實驗溫度設(shè)定為 15 ℃、30 ℃、40 ℃三個梯度。為了保證實驗溫度不變，可將小燒杯放置在盛有相應(yīng)溫度的大燒杯的水中進行保溫。

（2） 控制CO2濃度和光強的方法與上述方法相同。

（3）增加實驗內(nèi)容。增加遮光組，控制溫度為40 ℃，利用2% NaHCO3溶液，以便排除NaHCO3分解產(chǎn)生的CO2使葉片上浮對實驗結(jié)果的影響。

四、實驗結(jié)果分析

以相同時間內(nèi)葉片上浮的數(shù)目作為不同環(huán)境條件下檢測光合作用強度的指標。

1.光強對光合作用強度影響的分析

通過光強對光合作用強度影響的實驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，相同時間內(nèi)不同距離產(chǎn)生的葉片上浮數(shù)量不同。距離近、光照強，上浮葉片多;距離遠、光照弱，上浮葉片幾乎為零;中間次之。實驗中光照時間分為5 min、8 min和10 min三個時間段，在距離相同的情況下，光照的時間越長，上浮的葉片越多，但光照的距離是最主要的影響因素。

2. CO2濃度對光合作用強度影響的分析

通過比較濃度不同的三種NaHCO3溶液發(fā)現(xiàn)，3% NaHCO3溶液中的CO2濃度要高于1% NaHCO3溶液中的CO2濃度?？梢钥闯?，上浮的葉片在3% NaHCO3溶液中較多，而在1% NaHCO3溶液中較少，證明3% NaHCO3溶液中光合作用最強。實驗葉片浸泡時間分為5 min、8 min和10 min三個時間段，在相同濃度的NaHCO3溶液中葉片浸泡的時間越長，受 CO2濃度影響而上浮的葉片也越多。

3.溫度對光合作用強度影響的分析

實驗中分為四個溫度階梯15 ℃、30 ℃、40 ℃和40 ℃遮光，葉片浸泡時間分別為5 min、8 min、10 min。分析實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溫度為15 ℃時葉片上浮數(shù)量最少，溫度為40 ℃時葉片上浮數(shù)量最多，40 ℃遮光時葉片上浮幾乎為零。在同一溫度下，葉片浸泡的時間越長，其葉片上浮的數(shù)量也越多。

綜上，通過對實驗的改進設(shè)計，能使學(xué)生在較短時間內(nèi)得到實驗結(jié)果，提高了實驗的時效性，同時激發(fā)了學(xué)生的求知欲望和學(xué)習(xí)興趣。本實驗所需的設(shè)備簡單且容易操作，有助于學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力的培養(yǎng)。

（特約編輯 安? ?平）