初中光合作用系列实验的再探索*

何 君 夏曙华 朱毅鸿

（1 福建省三明市第八中学 福建三明 365000 2 福建省三明市第四中学 福建三明 365001 3 福建省三明市三元区教师进修学校 福建三明 365001）

初中光合作用系列实验是初中生物学教学的重、难点内容之一，因取材困难、效果欠佳，实验开设率低。笔者前期进行探索，发现了铜钱草（Hydrocotyle vulgaris）在光合作用系列实验中的应用[1]，但只有较嫩的铜钱草才易脱色，铜钱草虽比较容易培养，但冬季嫩叶较少，实验取材仍然有局限性。笔者进一步探索，从实验取材、实验方法、实验装置等方面反复地尝试，取得了良好的实验效果。

1 实验材料的选取

1.1 所选材料的效果 选用多种植物反复实验，发现了很多冬季也容易获得的植物，叶片虽小（一般面积1～4 cm2）、薄，但光合效率较高，可用于初中光合作用系列实验，例如，用薄荷（Mentha canadensis）、婆婆纳（Veronica didyma）、红花酢浆草（Oxalis corymbosaDC）、牛繁缕［Malachium aquaticum（L.）Fries.］、猪殃殃（Galium spuriumL.）、绿豆幼苗等完成实验，效果显著（表1）。表1中的实验均在5～15℃下完成，适合冬季教学。收集到的气体量为多次实验的数据范围。

1.2 实验材料的准备 薄荷易种植、繁殖迅速，可直接购买盆栽薄荷小苗（平叶薄荷更易脱色），也可将原来的盆栽剪去老枝，留3 cm 长的茎，20 d左右长出的幼苗用于实验。婆婆纳、红花酢浆草、牛繁缕、猪殃殃均为多年生草本植物，山野路边常见，在实验前，将其连根挖起，土培或水培2～3 d 让其恢复活性。绿豆易萌发，常用于“种子萌发的条件”的探究实验，将萌发的绿豆继续培养，2 周后绿豆幼苗用于光合作用实验。这些植物取材容易，成本较低，不受季节限制。

表1 初中光合作用系列实验的实验效果

上述植物的茎一般细软，水培可如图1所示方法处理，将泡沫片剪成比瓶口略大，使之正好能卡住瓶口，将泡沫片中间刺一小孔，从边缘剪一道缝到孔，将枝条的茎卡在孔中用于固定。

图1 遮光处理的水培绿豆幼苗

2 实验方法的改进

2.1 遮光 用烘烤用的厚质铝箔纸将叶片上、下两面部分遮光，铝箔纸边缘折叠用于固定，注意铝箔纸与叶片贴紧，避免漏光（图1）。铝箔纸轻薄且边缘易折叠，无须用曲别针固定，从而避免了对叶片的损伤。

2.2 光照 1 盏150 W 的白炽灯（灯距15～25 cm，封闭的装置选择小的灯距）和1 盏30 W 的LED 灯（灯距5 cm）从两侧照射，从而既保证足够的光照强度，又避免灼伤植物，特别是封闭的装置中不会因水温升得过高影响植物活性。光合作用系列实验均可在室内灯光照射下完成，不受天气限制，根据所需可控制光照时间，能更好地安排教学[1]。

2.3 脱色 考虑安全性问题，很多教师会用电磁炉代替酒精灯隔水加热，但很多植物脱色时间长，叶片变得脆而易碎，酒精量消耗大。而上述植物叶片易脱色且时间短（一般4～6 min），只需开水水浴加热[2]，笔者采用图2所示的方法，大烧杯（500 mL）盛放300 mL 开水，小烧杯（250 mL）盛放20 mL 酒精（酒精没过叶片即可），用保鲜膜将小烧杯与大烧杯一起封口，用橡皮筋扎紧，拉紧保鲜膜边缘，让保鲜膜贴紧小烧杯口，使小烧杯放平且底部浸入开水中多一些。如此处理能有效防止小烧杯侧翻，防止酒精过快挥发，且热量不易散失，保证温度足够，缩短脱色时间。婆婆纳、红花酢浆草、猪殃殃用工业酒精脱色效果好，薄荷、牛繁缕、绿豆幼苗用清水25 mL 加75 mL 工业酒精或无水乙醇配制的酒精脱色较快。

图2 脱色

不用酒精灯加热而采用开水水浴的方法，降低了实验危险性，无需教师集中水浴，可分组进行酒精脱色，学生能直接观察到脱色过程中酒精变绿、叶片变黄白的现象，增加了实验的积极性。

2.4 漂洗 有些植物叶片脱色后较软，易重叠，不易展平。可将2 个一次性塑料碗套在一起，内碗周边挖若干小洞，加水使叶片漂浮就易展平，拎起内碗，漏掉水即可，易于学生操作。

3 实验装置的创新

3.1 探究“二氧化碳是光合作用必需的原料”的装置

3.1.1 前期研究 教参中建议的玻璃罩不容易找到，改用透明的塑料瓶（图3），达到了较好的效果。但在实验中发现，用于密封的凡士林在光照下易熔化而导致开盖不便；加入浓度为25%的氢氧化钠溶液的装置中叶片常会干枯失活，影响实验结果；而加清水的装置中，叶片变蓝现象不明显，分析原因主要是封闭的装置中二氧化碳不足导致光合作用较弱。

图3 探究“二氧化碳是光合作用必需的原料”的装置[1]

3.1.2 再探索

1）装置改进：用废弃透明饮料瓶（2 L）和保鲜膜制作可封闭的容器，将废弃饮料瓶上端变细的部分剪去，上端开口外侧贴一圈双面胶，用保鲜膜封口、贴紧，这样制作的装置既隔绝空气又透光。完成实验后，撕去保鲜膜，即可取出植物，装置重复使用时，只需再贴胶、封膜。此装置取材容易，若多班级分组探究可节约成本。

2）实验设计改进：按图4所示处理，各大瓶中液体均为50 mL，3 个相同的小矿泉水瓶（380 mL）中清水等量，3 株同种植物的枝条要相近（各留4～5 片叶）。小瓶瓶口如图1方式处理，避免了小瓶中水的蒸发而影响装置中溶液浓度。溶液浓度和量的配比保证了实验组1 装置内无二氧化碳且植物保持活性、实验组2 装置内有充足的二氧化碳，所以实验效果非常明显（表1）。

图4 探究“二氧化碳是光合作用必需的原料”实验设计改进

3.2 检验“光合作用产生氧气”的装置

3.2.1 前期研究 用自制装置替代教材中的装置进行实验，收集氧气的时间明显变短，检测时操作较简便，学生亦可完成[1]，但装置制作还是较为繁琐。

3.2.2 再探索

1）装置改进：截取输液器不带针头的一端胶管10 cm，包括阀门，将瓶盖刺孔，贴上2 层双面胶，以保证气密性（图5），将输液器顶端的硬管插入孔中即可，注意将粘在管口的双面胶去除。制作明显更简单，因胶管较短，会向上竖立，检验时无需用铁架台固定。1.25～2 L 废弃的透明饮料瓶均可制作装置，取材很容易。

图5 组装装置瓶盖的材料

还可对瓶身标注刻度线（用于定量观察），方法：齐瓶口螺纹底部纵向贴一条双面胶，瓶身加满水，利用注射器抽水，每抽去10 mL，用细记号笔在双面胶面上划一条线标注，刻度线从20 mL开始标注，一般标注至100 mL。

若将胶管留长些，可制成收集“种子萌发产生的二氧化碳”的装置（图6），装置可用于呼吸作用的实验。

图6 种子萌发释放二氧化碳的装置

2）实验准备：称取新鲜绿豆50 g，装入如图6所示的装置瓶（500 mL 左右）中，量取100 mL 清水浸泡绿豆种子，24 h 后旋紧瓶盖，关闭阀门。封闭24 h 后可用于实验，需准备6 瓶。萌发的种子可用于下节课呼吸作用的实验。

3）实验过程：将3 个2 L 的装置瓶分别标注1、2、3 号，各加1.9 L 清水，利用图6所示装置向1、2 号瓶的水中各通入3 瓶二氧化碳，剪取薄荷带较多叶片的茎段各10 g，分别装入3 个瓶中，挤去多余空气，拧紧阀门已关闭的瓶盖（图7）。将2号瓶包上铝箔纸进行遮光处理。分别将3 个装置瓶上下颠倒几次，尽量保证叶片不重叠，然后平放，同时光照。为加大受光面积，可将白炽灯于顶部、LED 灯于侧面进行照射。光照8 h，观察现象：1 号装置内水位降至距瓶口70 mL 的刻度线，说明收集到气体体积为70 mL，2 号装置水位无下降，没有产生气体，3 号装置内水位略降，收集到较少气体（图8）。

图7 光照前示意图

图8 光照后示意图

4）结果分析：检验1 号装置的气体：一只手捏住瓶身（避免阀门打开时，因气压改变，气体回流），另一只手开足阀门，迅速将带火星的牙签伸到胶管口，牙签立刻燃烧，现象十分明显（图9），验证了气体是氧气。若学生检验，建议2 人配合完成。牙签用铁丝绕几圈接长，便于手握，增加安全性。要注意检验前不能过分晃动装置瓶，原因是容易导致残留在水中的二氧化碳逸出，而影响实验结果。1 号与2 号进行对照，可证明绿色植物在光下进行光合作用产生氧气。

图9 检验氧气

3 号装置内气体少（7 mL），无法用燃烧法检验，可用注射器抽取气体，通入少量澄清石灰水，石灰水不变浑浊，说明气体不是二氧化碳。对照1 号、3 号装置的现象，判断3 号装置内的气体是氧气，因为清水中含有少量二氧化碳，可提供绿色植物在光下进行光合作用。二氧化碳多，产生的氧气就多，加深了学生对“二氧化碳是光合作用的原料”的认识。

上述实验还说明，用封闭的装置进行实验，要增加水中的二氧化碳含量以确保植物产生足够的氧气，才能达到检验目的。笔者用文中所述植物进行多次相同实验，1 号装置瓶中均能收集到60 mL 以上的气体（表1），检验极易成功。

3.2.3 装置的拓展应用 利用装置可完成光合作用系列实验，可设计一个对照实验：2 个相同装置加入等量清水，各加入0.5%溴麝香草酚蓝（简称BTB）指示剂5 mL，摇匀，通入等量二氧化碳，液体会由蓝变黄，放入相同植物（暗处理过）各5 g，其他处理同上。用铝箔纸将其中一个装置包裹，同时光照12 h（确保叶片中积累较多淀粉，现象更明显）。但光照时间不宜过长，避免陆生植物在水中失活。实验分析见表2。

表2 实验分析

通过实验整合，以实施“光合作用”主题单元教学，克服了教材中“实验材料不统一、内容处理碎片化”的弊端，有利于学生从整体上把握学科知识和思想方法。

实践证明，将上述探索结果用于教学，因为实验材料容易获得且成本低，实验装置取材生活化且制作简单，实验过程省时且易操作，实验效果显著且成功率高，保证了学生能真正参与到实验探究活动中。学生通过对实验现象的观察、分析和推理，能由直观的事实归纳出光合作用的条件、原料、产物等，从而自主构建光合作用这个重要概念，同时提高实践能力、实验探究能力，促进了生物学学科核心素养的发展。