“环境因素对光合作用的影响”实验的改进及拓展

梁 茜 李恩源

（江苏省溧水高级中学 江苏南京 211200）

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》提出在开展模块1 分子与细胞的教学时，应引导学生掌握“细胞的功能绝大多数基于化学反应，这些反应发生在细胞的特定区域”这一重要概念[1]。为了帮助学生达成对这一概念的理解，开展“探究环境因素对光合作用的影响”的实验。该实验是人教版生物学必修1《分子与细胞》第5 章第4 节“光合作用与能量转化”的探究性实验。实验探究了光合作用的原料、能量等因素对光合作用强度的影响，学生在设计实验及操作实验的过程中加深了对重要概念的理解并培养了科学探究精神，且能指导学生进行家庭绿植养护等活动，具有现实意义。

1 实验分析

教材提供了一个实验案例，实验的自变量是光照强弱，因变量是光合作用强度，通过烧杯中叶圆片上浮的时间反映因变量。案例中提供的光源是5 W 的LED 台灯（可用吉海仕牌智能全彩LED 射灯，1 600 万色，无极调色），通过设置光源与烧杯的距离控制光照强度。该实验在教学实践过程中发现以下问题：①光源从侧面照射烧杯，导致叶圆片受光照不均匀；②此装置能探究的自变量因素较少。

教材的安排兼顾了不同教育条件下学生的实际情况，提供一种实验案例作为参考。教师在开展实验的过程中可根据学生学情，结合传感器和信息技术软件做到精确控制变量[2]。

2 实验改进

2.1 实验装置的改进 改进实验装置如图1所示，将智能LED 射灯作为光源，使用透明亚克力玻璃板做成罩子罩住射灯，实验时将烧杯直接置于LED 射灯上方。通过手机应用程序“智能生活”（开发者：杭州爱相集科技有限公司，各应用商店可下载）遥控LED 的亮度及光质。此装置的优点包括：①LED 射灯是冷光源，可减少温度对实验的影响；②该射灯可通过软件实现精准调节光照强度、精确改变光质（波长）等，并可借助光子照度计对光照强度进行测量，做到精确控制实验的自变量；③盛有叶圆片的烧杯直接置于光源正上方，保证叶圆片受光均匀。④手机应用程序中设定好实验条件，可远程控制多个装置同时进行实验，提高实验效率并减少无关变量的干扰。

图1 实验装置图

2.2 其他细节的改进

1）制备叶圆片。用手握式打孔器进行打孔，可提高获取叶圆片的速度且形状规则。每组实验的叶原片取自同一株菠菜生理状况相同的叶片。

2）叶圆片抽真空。用橡皮替代手指堵住注射器前端，然后抽真空，操作方便且省力。

3 利用改进装置探究光照强度对光合作用强度的影响

每组取10 个已抽真空排除氧气的直径0.6 cm叶圆片，分别置于盛有质量浓度为1.0%的NaHCO3溶液的烧杯甲、乙、丙、丁中。再将烧杯置于自制实验装置上，接通电源，通过应用程序“智能生活”中设置强度分别为200 μmol/（m2·s）、400 μmol/（m2·s）、800 μmol/（m2·s）、1 000 μmol/（m2·s）的4 种光源进行实验。记录每个叶圆片上浮的时间并计算10 片叶片上浮所用时间的平均值（表1）。实验数据表明，改进后的装置能良好地区分出不同光照强度下叶片上浮时间（图2）。

表1 不同光照强度下叶圆片上浮时间（单位：s）

图2 不同光照强度下叶圆片上浮时间

利用此装置还可组织学生对实验数据进行讨论：实验结果显示随着光照强度的上升，叶片上浮时间缩短，光合作用强度是否会随着光照强度的增加而不断增强？学生可从植物细胞叶绿体的数量、植物在光照强烈的中午反而生长不好的生活经验等多角度对此问题进行分析。

4 利用改进装置进行拓展实验

4.1 探究不同NaHCO3浓度对光合作用强度的影响 配制质量浓度分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的NaHCO3溶液，取200 mL 分别置于4 个烧杯中，并于每个烧杯中放入10 个沉水的叶圆片，同时置于装置上方。通过应用程序控制保证光照强度［800 μmol/（m2·s）］和光质（白光）相同，同时打开所有装置的灯，记录每个叶圆片上浮的时间并计算10 片叶片上浮所用时间的平均值（图3）。应用程序能保证所有实验同时进行，减少实验误差。

图3 不同NaHCO3 浓度下叶圆片上浮时间

叶片可利用NaHCO3分解后产生的CO2进行光合作用，实验结果显示不同浓度的NaHCO3中叶片平均上浮时间有明显区别，例如，当NaHCO3的浓度为2%时，10 片叶片上浮的平均时间为196.5 s，当NaHCO3浓度为1.5%时平均上浮时间为255.6 s，二者差距59.1 s。以上结果说明，本装置能较好地区分不同浓度NaHCO3中叶片上浮时间。

4.2 探究不同光质对光合作用强度的影响 控制光质的传统方式是利用具有颜色的物质过滤白光[3]。智能LED 灯能精确控制光质，根据实验需求可设置白光、红光、蓝光、绿光等不同光质的光。装置采用的LED 灯蓝光和绿光最大的光强不超过250 μmol/（m2·s），因此，开展实验时利用光子照度计对光照强度进行测量，将不同光质的光照强度调至200 μmol/（m2·s）。将叶片置于浓度为2.0% NaHCO3溶液的烧杯中，记录每个叶圆片上浮的时间，并计算10 片叶片上浮所用时间的平均值（图4）。

图4 不同光质下叶圆片上浮时间

图中数据显示，光照强度为200 μmol/（m2·s）时，红光、蓝光照射时，叶圆片上浮较快，其次是白光，绿光最慢。

4.3 探究不同颜色薄膜对光合作用强度影响实验 有学生观察到，在冬季农作物生产中，温室大棚常选用透明塑料或玻璃作棚顶。其提出问题，为什么不能选用其他颜色材料制作大棚？可用此装置对该问题进行探究：用透明塑料袋和红色塑料袋模拟温室薄膜，将塑料袋罩住玻璃板。2 个装置设置光照强度1 400 μmol/（m2·s）、质量浓度为1.0%的NaHCO3。开展实验，记录每个叶圆片上浮的时间，并计算10 片叶片上浮所用时间的平均值（图5）。

图5 不同薄膜下叶圆片上浮时间

实验显示，在同等光照强度的情况下，透明薄膜组叶圆片平均上浮时间较红色薄膜少。结果表明，自然光穿过红薄膜时只有红光穿过，其他光被薄膜吸收不能被植物进行光合作用利用。相同光照强度的自然光穿过透明薄膜的有效光子量更多，植物可利用的光能更多。

5 总结

本实验对原教材的装置进行了改进，结合信息技术软件做到了精准控制光照强度等变量。实验操作简单，效果明显。利用此装置开展拓展实验，有效激发了学生探索生物学奥秘的兴趣。