“光照强度和气孔关闭协同对光合作用的影响”实验教学与探讨

范阳洋 李秀军 侯妹仿

（1 北京市密云区第二中学 北京 101500 2 北京市密云区教师研修学院 北京 101500）

“环境因素对光合作用的影响”是人教版普通高中生物学必修1《分子与细胞》第5 章中的一个探究性课题，课题要求参照案例思路，探索提高光合作用强度的有效而实用的措施，旨在让学生深刻理解影响光合作用的因素。学生在前期教材内容学习中已认识到影响光合作用的因素有光照强度和CO2浓度，但对细胞间隙CO2的存在难以理解。

笔者基于对“环境因素对光合作用的影响”实验的深入思考，对实验装置和实验方案进行改进教学。 自制光照强度探究装置，利用30%的蔗糖溶液诱导气孔关闭［1］探究气孔关闭与光照强度对光合作用的影响，并对实验结果进行了分析探讨，收到了较好的教学效果。

1 实验内容

1）探究光照强度对光合作用的影响。 2）探究气孔关闭对光合作用的影响。 在探究光照强度对光合作用影响的基础上，依据单一变量，对照原则加入对气孔关闭对光合作用影响的实验探究。

2 实验材料与用具

2.1 实验器材

1）自制装置：利用KT 板剪裁拼接成梯状，用热熔胶粘牢固定，设置10 cm、20 cm、30 cm 共3种高度，每层高设2 个200 mL 烧杯座（图1）。

2）其他用具：打孔器、注射器、烧杯（100 mL、200 mL）、镊子等。

2.2 实验材料 绿萝叶片。

2.3 实验试剂 30%蔗糖，1%碳酸氢钠蒸馏水。

3 实验原理

1）不同距离，光照强度不同，影响叶片光合作用，产生氧气多少不同。

2）绿萝叶片保卫细胞在30%蔗糖溶液中失水，气孔关闭，影响CO2的吸收，进而使光合作用减弱。

3）碳酸氢钠分解，能为实验植物提供光合作用所需的CO2。

4）植物叶片含有空气，在清水中会上浮，抽气后会下沉，当光合作用产生的氧气充满细胞间隙，会使叶片上浮。 故叶片上浮情况可作为光合作用强度的观察指标。

4 实验方案的优化及结果

4.1 实验材料的选择 选择绿萝作为材料，因为其为麒麟叶属植物，大型常绿藤本，其叶片稍肥厚，韧性适中，叶面积足够大，易于打孔制成小圆形 叶片［1］。

4.2 实验装置的改进 本实验中光照强度是影响实验结果的重要因素，为达到固定光照强弱的目的，利用易剪裁的KT 板作为材料，制作简易装置设定光照强度，并以LED 灯作为光源，因为LED 灯属于冷光源，在解决光照强弱的设定问题上还很好地控制了温度对于实验结果的干扰，并选择性地加入蓝光灯，增强了光合作用，更有利于在较短时间内呈现实验结果。

4.3 探究条件的再创新 教材中给出了光照强度对于光合作用的影响的参照案例，依据案例思路自制装置，简化了实验方案，并利用冷光源作为环境因素，排除了无关变量温度对于实验的影响。教材中还提到CO2浓度也是影响光合作用的重要因素，夏天植物会出现“午休”现象，原因是温度过高气孔关闭，导致细胞间隙CO2吸收量减少，光合作用速率下降，但学生对此原因的理解较为模糊。 为能直观观察到此现象，学生根据已有知识，细胞吸水和失水原理的应用，选择30%的蔗糖溶液诱导气孔关闭，降低细胞间隙CO2的浓度，深入探究渗透胁迫使气孔关闭并解除后不同光照强度对于光合作用的影响。

4.4 实验步骤及结果 首先制作1 cm 绿萝叶片小圆片60 片，并利用注射器抽出叶片内气体，黑暗下沉入30%蔗糖溶液和清水中，待用。 再取6只烧杯，每只放150 mL1%碳酸氢钠［2］，1 号、3 号、5号烧杯各放入10 片清水浸泡的叶片，2 号、4 号、6 号烧杯各放入10 片蔗糖溶液浸泡的叶片，每2只分别进行强、中、弱3 种光照［3］（图6）。 观察并记录不同时间上浮叶片数量，某小组实验结果记录如表1、图4、图5。 依据实验结果得出实验结论：随光照强度的增加，绿萝叶片光合作用增强，气孔关闭会降低叶片的光合作用。

表1 不同时间内各烧杯中叶片上浮数量

4.5 结果分析与讨论 依据实验现象，分析认为气孔关闭引起细胞间隙CO2浓度降低进而使光合作用速率下降。 当然在30%的蔗糖溶液中不仅仅是气孔关闭，也会引起细胞失水甚至质壁分离等生理变化，这些生理变化虽然均直接影响光合作用，但在制作小圆叶片时保持了叶片完整性，除表皮细胞外的其余细胞与蔗糖溶液的接触并不充分。 自然状态下由于温度过高而引起气孔关闭的同时也会引起细胞的失水等生理变化，也并不是单一变量影响叶片光合作用，所以本实验认为气孔关闭是导致光合作用下降的主要原因，并比较了不同光照强度对叶片光合作用的影响。与1 号、3号、5 号烧杯中小圆叶片上浮时间比较，2 号、4号、6 号烧杯中小圆叶片开始上浮时间明显滞后，表明气孔关闭造成的细胞间隙CO2浓度降低使光合作用明显减弱。

实验操作中将蔗糖处理后的小圆叶片放入1%碳酸氢钠溶液中，由于此溶液浓度远低于蔗糖溶液浓度，在蔗糖溶液中失水的保卫细胞会吸水膨大，细胞生理状态逐渐恢复正常导致气孔逐渐开放，渗透胁迫解除使细胞间隙CO2浓度逐渐上升，使小圆叶片逐渐上浮，这也可以证明气孔关闭对光合作用的影响。

根据以上分析，本实验是一个开放性实验，实验结果虽不能说明气孔关闭是引起光合作用下降的唯一原因，但模拟了自然状态下因气孔关闭引起的光合作用强度下降的现象，并达到了让学生直接观察真实领悟光合作用下降的结果。

5 实验教学

5.1 教学安排

1）课前准备阶段：参照教材案例尝试确定探究光照强度对光合作用影响的实验方案，依据方案要求设计实验装置［4］。 组间交流，简化实验装置，利用课余时间制作装置。 分组查阅资料，明确诱导气孔关闭的方法。

2）课堂教学阶段：建议1 课时，展示简化后的实验装置，介绍优化后的实验方案，分组进行自主实验，记录实验结果，分析结果并探讨，得出结论，总结实验中的经验和不足，相互交流。

5.2 实验教学传递的重要概念 了解光合作用的影响因素是教材中的一项重要内容，通过本实验可让学生在短时间内完成光照强度对光合作用影响的探究，并同时完成了气孔关闭对于光合作用影响的探究，进一步加深对相关理论知识的理解。 在装置设计和制作中学生积极主动地获取生物科学知识，领悟科学研究方法，使得动手能力得到锻炼，创造能力得到了提高。在实验设计过程中让学生体会实验探究，体会生物学结论的得出是建立在实验基础上的，实验研究中也会出现新问题，引发新思考，需要不断地修正与尝试，真正落实学科素养的培养［5］。