探究金鱼藻光合作用与呼吸作用的实验创新

李相玲

摘 要 通过设计金鱼藻光合作用与呼吸作用时气体转化的探究性实验，说明绿色沉水植物对维持生物圈碳氧平衡也具有重要作用。借助教材中可探究性实验资源的开发，培养学生的创新意识和实践能力。

关键词 绿色沉水植物 光合作用 呼吸作用 实验创新

中图分类号 G633.91 文献标志码 B

1 实验设计的背景

在学习苏科版《生物学》八年级上册“绿色植物与生物圈中的碳-氧平衡”一节时，为探究绿色植物光合作用下吸收二氧化碳放出氧气，教科书上采用了分步实验。先是选用绿色陆生中生植物来“验证绿叶在光下吸收二氧化碳”，在进行第二阶段“探究绿色植物在光下放出的气体”时，教材却提议选择“水生绿色植物”进行探究，前后生物材料与实验环境的不统一，没有体现出同一种绿色植物对维持生物圈碳氧平衡所发挥的“自身”作用。此外，还缺乏对同一种绿色植物“呼吸作用时吸收氧气、放出二氧化碳”的探究，使得证据链略显“不足”。据研究，水生植物所释放出来的氧气可达地球大气含氧量的70%左右，因此，增设一套连续探究同一绿色水生植物在呼吸作用与光合作用时气体变化的实验，能加深学生理解绿色水生植物对维持生物圈碳氧平衡所起的重要作用。对此，笔者选用绿色沉水植物金鱼藻为代表进行了系列探究。

2 实验材料、试剂和仪器

50 g金鱼藻、1个700 mL塑料空瓶（圆柱形）、1个400 mL塑料空瓶、1根L型玻璃管、1根直玻璃管、1套PPW软管（医用输液管）、1个双孔橡胶塞、1根35 cm长乳胶管、溴麝香草酚蓝溶液（BTB指示剂）、红墨水、1根红水玻璃温度计（0～50℃）、1个铁架台、3张玻璃纸（红、绿、蓝色）、1根亚力克直尺（20 cm）、2个圆形磁铁（直径10 cm）、1个钢珠、1支10 mL注射器、1根细檀香等。

3 实验装置的制作

3.1 制作过程

（1） 在400 mL空塑料瓶上配装双孔橡胶塞，并插入L型和直型2根玻璃短管。

（2） 将35 cm长乳胶管套装在L型玻璃管上，吹气端塞入1个钢珠作为阻气阀；出气端玻璃管上套接带滑动开关的PPW软管，再套接PPW细管，将细管体紧贴20 cm刻度尺用透明胶固定；再将直尺横向用夹子固定于铁架台上，夹柄悬挂温度计。

（3） 在400 mL空塑料瓶中下部分散打数个小孔，在瓶体外壁粘贴带防水的刻度条，瓶底固定一块磁铁。

（4） 将700 mL空塑料瓶从外套装400 mL空塑料，外瓶边缘高度比内瓶口高出约5 cm，再在大瓶内底部固定一块磁铁，两个瓶体底部吸紧。

3.2 整套装置（图1）

4 探究金鱼藻在自然光下光合作用时吸收二氧化碳释放出氧气

4.1 操作步骤

（1） 将金鱼藻放于小塑料瓶内，再将其置于大塑料瓶体内，两瓶底部接触并吸牢；向大塑料瓶内注水至内瓶水满为止，塞上带双玻璃管的橡胶塞。

（2） 向大瓶水中滴入3滴質量分数为0.1%的BTB指示剂，观察并记录水体颜色；关闭PPW软管上的滑动开关，从乳胶管口端向水内不断吹二氧化碳气体，观察水体颜色变化。

（3） 将整套装置于光下照射，观察内外瓶体内水体颜色及液面变化。

（4） 当内瓶上方收集到一定量气体后，打开滑动开关，将带火星的细檀香置于PPW软管粗短口，观察是否复燃。

4.2 实验现象

（1） 实验初始水体无色；（2） 加3滴BTB溶液后水体呈淡蓝色；（3） 吹入二氧化碳气体，水体逐渐由淡蓝色变为淡黄色；（4） 关闭滑动开关，自然光照射2h后水体又重新变回淡蓝色，内瓶液面下降，外瓶液面上升；（5） 将带火星细檀香置于出气口，打开滑动开关，外瓶液面下降，内瓶液面上升，气体排出，檀香复燃。

实验结论：金鱼藻在光合作用时，吸收水体中的二氧化碳，并释放出氧气。

4.3 实验结论

金鱼藻在光合作用时，吸收水体中的二氧化碳，并放出氧气。

5 探究金鱼藻在三种不同色光下的光合效率

5.1 操作步骤

（1）和（2）同4.1。

（3） 用注射器在细PPW软管左端连接口处注入一段约5 cm长红墨水并调节到4刻度处，接好端口，打开滑动开关。

（4） 在环境温度25℃下，分别将绿、蓝和红三色玻璃纸圈套于大瓶体外，置于自然光下分别照射20 min，观察并记录细管内红色液柱所对应在直尺上的刻度变化情况。

5.2 实验现象

实验现象：（1） 无玻璃纸时，红色液柱处于4 cm刻度处；（2） 在套装绿色玻璃纸并光照20 min后，红色液柱移至6.5 cm刻度处；（3） 在套装绿色玻璃纸并光照20 min后，红色液柱移至15.5 cm刻度处；（4） 在套装绿色玻璃纸并光照20 min后，红色液柱移至19.6 cm刻度处。

实验结论：在25℃环境温度下，金鱼藻在红色光照下的光合效率最大，绿色光照下的光合效率最小。

6 探究金鱼藻呼吸作用时水中气体变化情况

6.1 操作步骤

（1）和（2）同上。

（3） 将套装的大瓶装置罩上黑色布袋置于暗处5 d后，取出观察瓶内水体颜色变化。

6.2 实验现象

实验现象：向内置金鱼藻的清水内滴加3滴BTB指示剂，水体变为淡蓝色；在将装置套上黑布袋暗处理5 d后，取出观察瓶内水体颜色变为淡黄色。

实验结论：避光下，金鱼藻进行呼吸作用时可使水体中二氧化碳含量增加。

实验现象：向内置金鱼藻的清水内滴加3滴BTB指示剂，水体呈淡蓝色；将装置套上黑布袋暗处理5d后，取出观察瓶内水体颜色变为淡黄色。endprint

实验结论：避光下，金鱼藻进行呼吸作用时可使水体中二氧化碳含量增加。

7 延伸实验：探究金鱼呼吸作用时水中气体变化情况

在大塑料瓶内注入清水，向内滴加3滴BTB溶液并记录水体颜色，放进6条金鱼，2 h后可观察到水体颜色由淡蓝色逐渐变为浅黄色，说明金鱼在水内进行呼吸作用时，会使得水中二氧化碳含量增加。

8 设计特点与教学实效

8.1 设计的多功能性

本套教具从设计上可做四个不同实验：（1）定性地探究绿色沉水植物光合作用时气体的转化情况；（2） 探究不同色光下绿色沉水植物的光合效率，通过红色液柱（刻度）变化情况，还可定量地探究光照时间和温度对水生绿色植物光合作用的影响程度。（3） 定性地探究绿色沉水植物呼吸作用时气体的转化情况。（4） 通过探究水中动物呼吸时气体的变化情况，说明水中动物在维持生物圈中碳氧平衡时所起的作用。另外，还可将金鱼藻光合作用下产生的氧气进行连续收集并存储，便于后续教学中使用。

8.2 教学的实际效果

新课标要求教师在本节教学中帮助学生形成重要概念：“绿色植物的光合作用和呼吸作用有助于维持生物圈中的碳氧平衡”。在数量庞大的绿色水生植物中，即便是缺乏气孔的植物对生物圈中碳氧平衡的维持也至关重要。在教学实践中增添本实验设计可以获得如下效果：（1） 应用自制教具将全真实验微型化，顺利突破教学重难点。借助BTB指示剂的颜色变化，能很好地验证了绿色水生植物在光合作用时吸收二氧化碳放出氧气；避光下，进行呼吸作用时消耗氧气放出二氧化碳的客观事实。让学生认识到，同样环境下其光合作用明显强于呼吸作用，多余的氧排放到大气中，为生物圈中的生物进行生命活动提供氧气。（2） 运用日常生活中常见材料辅助实验教学，消除学生对生物实验的神秘感并激发其求知欲。实验过程简易，学生易操作，参与度高，利于学生在实践中体验学习生物知识的乐趣。（3） 借用该实验装置的多功能性，有助于提高生物课堂教学的实效性。该套设备克服了常见实验设计上的单一性，可进行多个不同实验，且安全可靠，造价低廉，便于携带。另外，该实验还可探究水生动物呼吸过程中气体的变化情况，充分利用了实验资源。总之，对课程资源的再开发不仅可以满足新课程实施的需要，促进课程资源的动态生成，还可为推进和深化课程改革奠定良好的基础。

参考文献：

[1] 匡廷云，曹慧玲.义务教育教科书：生物學：七年级下册[M].南京：江苏科学技术出版社，2013：50.

[2] 中华人民共和国教育部.义务教育生物学课程标准：2011年版[M].北京：北京师范大学出版社，2012：10-11.

[3] 汪忠.新编生物学教学论[M].北京：华东师范大学出版社，2006：226-228.endprint