“探究CO2濃度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

陳能訓(xùn) 羅福海 李 樸

（1.甘肅省高臺(tái)縣第一中學(xué) 甘肅張掖 734300）

（2.中國(guó)人民大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100000）

實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的重要方式，也是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑。教師在生物學(xué)教學(xué)中融入實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新教學(xué)，能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的內(nèi)部轉(zhuǎn)換，通過(guò)解決實(shí)際問(wèn)題提升學(xué)習(xí)質(zhì)量與效率，從而潛移默化地提升學(xué)生的創(chuàng)新能力、思維能力和解決問(wèn)題能力等。

1 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的緣起

人教版高中生物學(xué)《必修1·分子與細(xì)胞》中的“探究環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”實(shí)驗(yàn)通過(guò)參考案例——“探究光照強(qiáng)度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”，進(jìn)行了探究實(shí)驗(yàn)的展示。教材實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生理解“光照強(qiáng)度影響光合作用強(qiáng)度的變化”大有裨益，且有助于學(xué)生建構(gòu)光合作用過(guò)程、原理的應(yīng)用模型。但教材中并未展示CO濃度對(duì)光合作用強(qiáng)度影響的實(shí)驗(yàn)，不利于學(xué)生理解“光合作用受多因素的綜合影響”。從“探究光照強(qiáng)度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”實(shí)驗(yàn)來(lái)看，實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中存在以下問(wèn)題：①通過(guò)注射器真空滲水使葉片下沉的操作不好把握，結(jié)果可能是細(xì)胞充水失敗，葉片不容易下沉，或操作過(guò)重、次數(shù)過(guò)多破壞葉肉細(xì)胞的結(jié)構(gòu)。②不能定量分析光照強(qiáng)度的大小與光合作用強(qiáng)度的關(guān)系。

基于上述分析，下文通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)思路、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置、改良觀(guān)測(cè)指標(biāo)呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

植物光合作用固定CO，生成糖類(lèi)等有機(jī)物（主要為淀粉）。碘遇淀粉變藍(lán)色。同時(shí)，碘與淀粉形成的藍(lán)色化合物，可在可見(jiàn)光區(qū)（λ為580 nm）進(jìn)行測(cè)定，且測(cè)定靈敏度高。故可用特定波長(zhǎng)吸收值來(lái)相對(duì)定量分析淀粉的產(chǎn)生量，探究不同條件下光合速率差異。

2.2 實(shí)驗(yàn)用品

實(shí)驗(yàn)材料：綠蘿。

實(shí)驗(yàn)藥品：物質(zhì)量濃度為2 mol/LNaOH溶液，NaHCO溶液（質(zhì)量濃度分別為0.5%、1%、1.5%、2%、3%、4%、5%），無(wú)水乙醇，碘液。

實(shí)驗(yàn)儀器：燒杯、酒精燈、普通離心管（15 mL）、試管、研缽、分光光度計(jì)。

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置

由于NaHCO可分解并維持一定CO濃度，實(shí)驗(yàn)可通過(guò)不同濃度為NaHCO溶液的設(shè)置反映CO濃度的變化。實(shí)驗(yàn)設(shè)置9個(gè)處理組：無(wú)光照組（A組）、無(wú)CO組（B組，用物質(zhì)量濃度為2 mol/L的NaOH溶液去除CO）、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的NaHCO溶液組（C組）、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%－5%的NaHCO溶液組（依次為D組－I組）。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，該裝置的優(yōu)點(diǎn)是僅通過(guò)改變X溶液可實(shí)現(xiàn)對(duì)自變量的控制。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

①將正常生長(zhǎng)的綠蘿置于黑暗下處理24 h，消耗有機(jī)物。

②取形態(tài)相近的枝條水培于5組紙杯中，并放置將不同濃度的NaHCO溶液在40W的光源下處理6 h。

③各處理組取1.5 g葉片，用無(wú)水乙醇水浴加熱脫色。脫色后晾干，用研缽碾碎并加水溶解淀粉，將溶液依次分裝于試管中備用。

④取各處理組淀粉懸液2 mL依次加入離心管中，同時(shí)加入0.5 mL碘液。記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

⑤進(jìn)一步對(duì)各處理組淀粉含量進(jìn)行測(cè)定。將2 mL淀粉懸液與0.5 mL碘液混合得到的顯色液（共2.5 mL）加入規(guī)格為3.5 mL的比色皿中，用分光光度計(jì)測(cè)定顯色液的吸光值，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)計(jì)算淀粉產(chǎn)生量。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

直鏈淀粉吸附碘后會(huì)生成“淀粉-碘代含合物”，從而顯現(xiàn)藍(lán)色。因其反應(yīng)靈敏，故常用于檢驗(yàn)淀粉的存在。理論上，淀粉含量越高，與碘反應(yīng)后藍(lán)色越深，顯色越明顯。本實(shí)驗(yàn)顯色結(jié)果顯示：A組（無(wú)光照組）與碘液顏色基本一致，初步說(shuō)明無(wú)光照條件下，綠蘿葉片不能進(jìn)行光合作用，無(wú)法合成淀粉；從D組→F組→H組，隨著CO濃度的增加，離心管內(nèi)的顏色越來(lái)越深，目視差別初步說(shuō)明隨著CO濃度的增加，淀粉的含量有所增加。

葉世柏等人的研究表明淀粉溶液在550 nm波長(zhǎng)和650 nm波長(zhǎng)光下具有較大吸收波峰。本實(shí)驗(yàn)選擇550 nm波長(zhǎng)下測(cè)定各處理組的相對(duì)吸光度值，結(jié)果見(jiàn)表1。由數(shù)據(jù)可知，在550 nm波長(zhǎng)下，除A組外，其余各處理組相對(duì)吸光度值隨CO濃度的增大而逐漸增大。

表1 各處理組吸光值

實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步通過(guò)淀粉和碘顯色反應(yīng)在550 nm波長(zhǎng)下吸光值的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)（圖2）分析，得出550 nm波長(zhǎng)下不同相對(duì)吸光值所對(duì)應(yīng)的淀粉濃度，進(jìn)而得出6 h內(nèi)2.5 mL綠蘿葉片所合成的淀粉量。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 550 nm波長(zhǎng)下淀粉溶液相對(duì)吸光值的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)

表2 不同處理組6 h合成淀粉量

由表2數(shù)據(jù)可知，除A組外，其余各組6 h內(nèi)合成的淀粉量隨CO濃度的增加而逐漸增加，說(shuō)明一定濃度的NaHCO溶液可以分解并維持一定的環(huán)境CO濃度，從而使綠蘿進(jìn)行光合作用并合成淀粉，且在一定范圍內(nèi)，綠蘿葉片光合作用強(qiáng)度隨CO濃度的增加逐漸增強(qiáng)。值得注意的是，B組在無(wú)CO存在的情況下，仍有少量淀粉合成，推測(cè)是由于綠蘿葉片黑暗處理后，細(xì)胞內(nèi)依然存在少量C和C等化合物，當(dāng)給予適宜光照后，光反應(yīng)產(chǎn)生的[H]、ATP可將存在于葉綠體基質(zhì)中的C還原為有機(jī)物，從而實(shí)現(xiàn)少量淀粉的合成。

5 實(shí)驗(yàn)評(píng)析與反思

本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)立足于貼近生產(chǎn)生活的教材實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)多維度的教學(xué)目標(biāo)，準(zhǔn)備豐富的學(xué)習(xí)資源和實(shí)驗(yàn)材料，運(yùn)用技術(shù)分析和工程設(shè)計(jì)組織教學(xué)，使得學(xué)生的合作學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)能夠貫穿始終。本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的最大亮點(diǎn)是通過(guò)選擇合適的觀(guān)測(cè)指標(biāo)，利用標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，在可視化的基礎(chǔ)上，對(duì)CO濃度對(duì)植物光合作用強(qiáng)度的影響進(jìn)行相對(duì)定量的探究。學(xué)生通過(guò)直觀(guān)認(rèn)識(shí)、數(shù)據(jù)驗(yàn)證，構(gòu)建知識(shí)體系。同時(shí)本實(shí)驗(yàn)還可進(jìn)行拓展延伸，如進(jìn)一步對(duì)光照強(qiáng)度、溫度、CO濃度等影響因素的單一、綜合作用進(jìn)行相對(duì)定量的探究，或探究植物生長(zhǎng)的最適光照強(qiáng)度、溫度、CO濃度等。