人教版高中《分子与细胞》必修一第五章第四节能量之源光和光合作用探究环境因素对光合作用的影响

探究环境因素对光合作用的影响一、 使用教材人教版高中分子与细胞必修一，第五章第四节能量之源 光和光合作用中安排的一个探究实验。二、 实验器材细叶蜈蚣草、光合呼吸实验装置、光照强度传感器、温度传感器、酵母菌培养液，锥形瓶、打孔软管、数据采集器以及数据分析软件等。三、 实验创新要点学生们认为课本上探究环境因素对光合作用的影响的实验过程有一定的不足之处，比如他们认为在制备实验材料时，打孔器制取的叶圆片多会卷边或破损，从而破坏了小圆形叶片的生理状态，打孔的过程很难保证所有叶片的生理状态的一致性。 在用注射器抽取小圆形叶片内的气体时，注射器抽除叶圆片内的气体的过程很困难。用植物叶片距离光源的远近来代表光照强度，无法定量自变量光照强度的变化，只能定性的描述光照强度对其有影响，并且到底有着什么样的影响并不能很完整的描述。有些同学还认为在检测指标的选择上，用小圆形叶片上浮速率代表光合作用的速率也存在着不足，小圆形叶片上浮所需的时间较长，其次叶片的上浮和植物的光合作用一定存在着必然的联系吗？ 如何更加直观的显示出氧气的产生呢？针对上述问题，我们给出了如下的解决办法：1. 材料用具的选择（1）材料的选择：本实验选择了一种容易取材的水生植物细叶蜈蚣草作为实验材料。它的生长对光照和温度均有一定的需求，便于分析实验结果，而且生长迅速便于实验指标的检测。（2）检测指标的选择：运用溶解氧传感器直接定量检测一定时间内光合作用释放出氧气的含量，以代表植物光合作用强度。2. 自制实验器材（1）利用自制光合作用恒温盒以及温度传感器代替水浴锅进行温度的控制。（2）利用可以无极调光的LED 灯以及光照强度传感器定量的控制光照强度。（3）运用可变颜色的彩色光带在同一个实验装置中改变光质。 3. 其他方面运用酵母菌的呼吸作用制备富含二氧化碳的清水。三、实验原理利用光学溶解氧传感器检测植物光合作用产生氧气的速率。氧气的产生速率代表植物光合作用强度。四、 实验教学目标（1）理性思维目标 学生在不断地解决问题的过程中，解释光合作用的现象，探究光合作用的规律，并且能够说出影响光合作用的因素。（2）科学探究目标 设计实施恰当可行的方案，创造性地运用数学方法分析实验结果。 能够基于事实和证据，采用推理、建模等方法在遇到问题时，做出正确决策并解决问题。 （3）社会责任目标 学生能够形成热爱生命的观念，养成保护环境的习惯，并可以提出保护水环境的一些建议。 五、 实验教学内容 本节课选取光照强度，温度以及光质三个环境因素进行探究实验。学生在教师的指导下回顾光合作用的原理和应用，然后在教师的指导下进行实验。教师通过引导学生对实验结果的分析，表达与交流等过程，完成本节课的实验教学。六、 实验教学过程（一）实验准备教师提出相关问题： 进行实验前需要进行实验设计，实验设计的基本原则是什么呢？学生回答：实验的基本原则是科学性原则，单一变量原则，重复性原则，等量原则，以及对照原则。根据实验设计的基本原则，我们需要做哪些实验准备呢？教师提出如下引导性的问题：适合本实验的实验材料应该具有哪些特点呢？可以用什么作为实验的检测指标来反应光合作用速率呢？在整个实验的过程中可以选择环境中的哪些因素来探究其对植物光合作用的影响呢？你将用什么样的方法来控制实验的自变量呢？学生经过讨论后，给出回答：选择的植物应该具备生长迅速，易于取材，生命力旺盛等特点。可以用单位时间内反应物的消耗量或者产物的生成量来代表一个反应的反应速率。可以选择用一定时间内二氧化碳的吸收量，有机物的积累量或者氧气的释放量来反应植物进行光合作用的强弱。在这个实验中，可以选择光学溶解氧传感器检测植物释放氧气的情况。在影响光合作用的因素中我们选择光照强度，温度和光质三种因素来进行实验。在对光照强度的控制上，选择不同瓦数的LED灯以及光照强度传感器控制光照强度；在对光质的控制上，用可以遥控改变光质的光带进行控制；在对温度的控制上，选择自制的光合作用恒温盒以及温度传感器进行温度的实时监控。结合课前的探究，学生们制作出了一个光合呼吸实验装置（图1），在这个装置中可以探究光合作用和呼吸作用，以及探究改变三种环境因素对细叶蜈蚣草光合作用的影响。（图1 光合呼吸实验装置）（二）进行实验学生自发形成三个小组，每组探究一种环境因素对光合作用的影响。1. 第一小组：探究温度对光合作用的影响学生选择如下实验材料：自制的光合作用恒温盒（图2）、细叶蜈蚣草、热水、保温杯、冷水、温度传感器、溶解氧传感器、LED灯、酵母菌培养液等，并按照以下实验步骤进行实验：（1） 用冷水和热水分别调成，15、20、25、30、35等五个温度梯度。（2）在光合作用恒温盒内加400ML不同温度的水并加入50g细叶蜈蚣草。（3）把温度传感器和溶解氧传感器放入方形盒中，连接温度传感器进行检测实验过程中的温度变化，连接溶解氧传感器检测光合作用释放的氧气。（4）打开光源，记录实验结果。（图2 内层材质为塑料，中层为隔热透明软塑胶若干层，外层为透明胶带密封）2. 第二组：探究光照强度对光合作用的影响学生选择如下实验材料：光合作用恒温盒、细叶蜈蚣草、溶解氧传感器、LED灯、酵母菌培养液等，按如下实验步骤进行实验：（1）在光合作用恒温盒内加400ML不同温度的水并加入50g细叶蜈蚣草。（2）把溶解氧传感器放入恒温盒中，连接溶解氧传感器检测光合作用释放的氧气，并且同时连接光合日照传感器到数据采集器。（3）0到200秒作为对照不补充光源，200秒后打开一个固定光源，,400秒后再增加光照强度至480molm-2s-1 ，600秒后再增加光照强度至620molm-2s-1（如图3）。观察整个过程中溶解氧的变化曲线有什么异同。（4）将光照强度调控在1000molm-2s-1，观察细叶蜈蚣草草在强光下的溶解氧的产生情况。（5）记录实验结果。（图3 光照强度对光合作用的影响）3. 第三组：探究光质对光合作用的影响学生选择如下实验材料：光合作用恒温盒、细叶蜈蚣草、彩色滤光片、溶解氧传感器、LED灯、酵母菌培养液等，按照以下实验步骤进行实验：（1）在光合作用恒温盒内加400ML不同温度的水并加入50g细叶蜈蚣草。（2）把溶解氧传感器放入恒温盒中，连接溶解氧传感器检测光合作用释放的氧气。（3）打开光带的开关，用控制器把光照调成绿色，观察一段时间后，把绿色换成红色光源照射。观察整个过程中溶解氧的变化曲线有什么异同。（4）记录实验结果。 （图4 不同光质对光合作用的影响）（三）表达与交流表达与交流分为两个环节，教师提问学生讨论回答以及学生分享各自的实验结果。1. 第一环节根据每组的实验结果，结合实验教学目标，教师提出如下问题：曲线的什么可以代表氧气的产生快慢？ 根据课前测量的各个温度下的植物的呼吸作用强度，你能知道植物实际光合作用速率是多少吗？ 如何利用呼吸作用和光合作用原理提高农作物产量？在农业生产中如何合理地控制光照强度？为什么光照强度过高会出现光抑制现象？光合色素吸收最多的光是蓝紫光，植物利用最有效的光为什么是红光？人为的补充光源，应补充什么颜色的光源最有效？ 结合实验结果，学生经过思考讨论后给出如下回答：曲线的斜率可以代表光合作用速率。在黑暗条件下测出植物呼吸作用消耗氧气的速率，进而求出植物的实际光合作用速率。在实际的生产中，我们可以在白天适当的提高温度的以增加光合作用强度，夜晚适当降低温度来降低呼吸作用强度，从而提高有机物的积累量。不同植物对光照强度的要求不同，根据不同植物对光照强度的需要适当的控制光照强度。光照过强会抑制细叶蜈蚣草的光合作用，也就是会出现光抑制现象（图5）。光合色素吸收的蓝光所产生的激发态分子，先失去部分能量进入第一单线态后，才能将能量传出用于光合作用，即光合作用的有效光是红光。植物主要吸收红光和蓝紫光，几乎不吸收绿光，但是不是不吸收绿光。（图5 光照强度为1000molm-2s-1溶解氧的产生情况）2. 第二环节：实验结果的交流与分享各小组经过实验得出以下结论：（1）温度影响细叶蜈蚣草的光合作用强度，在该实验条件下，温度在25最有利于植物的光合作用（图6），在黑暗条件下，温度在30最有利于其进行呼吸作用（图7）。（2）光照强度影响细叶蜈蚣草的光合作用强度，在该实验条件下，补充一定强度的光照强度可以提高细叶蜈蚣草的光合作用速率，但当光照强度达到一定从强度以后，光合作用速率不在随着光照强度的增加而增加（图8）。（3）光质的改变影响细叶蜈蚣草的光合作用速率，在其他条件相同的条件下，植物光合作用最有效的光是红光（图9）。（图6 温度为25，溶解氧的产生速率） （图7 温度为30、，溶解氧的消耗速率）（图8 光照强度对光合作用的影响） （图9 光质对光合作用的影响）通过学生的表达和交流，有的学生自发组成的兴趣小组，对自然环境中的溶解氧含量或者其他指标进行检测，例如他们利用溶解氧传感器，电导率传感器以及PH传感器和温度传感器，对蚌埠龙子湖的水进行了检测，进一步提高了学生对自然科学的兴趣。七、 实验效果评价1. 创新之处（1）在选材方面本实验选择了一种生长迅速，容易取材的水生植物。（2）溶解氧传感器检定量测释放氧气的速率，替代了利用小圆形叶片上浮速率作为检测光合作用强度的指标。单靠“死”记还不行,还得“活”用,姑且称之为“先死后活”吧。让学生把一周看到或听到的新鲜事记下来,摒弃那些假话套话空话,写出自己的真情实感,篇幅可长可短,并要求运用积累的成语、名言警句等,定期检查点评,选择优秀篇目在班里朗读或展出。这样,即巩固了所学的材料,又锻炼了学生的写作能力,同时还培养了学生的观察能力、思维能力等等,达到“一石多鸟”的效果。（3）自制实验器材，使实验更加具有科学性。语文课本中的文章都是精选的比较优秀的文章,还有不少名家名篇。如果有选择循序渐进地让学生背诵一些优秀篇目、精彩段落,对提高学生的水平会大有裨益。现在,不少语文教师在分析课文时,把文章解体的支离破碎,总在文章的技巧方面下功夫。结果教师费劲,学生头疼。分析完之后,学生收效甚微,没过几天便忘的一干二净。造成这种事倍功半的尴尬局面的关键就是对文章读的不熟。常言道“书读百遍,其义自见”,如果有目的、有计划地引导学生反复阅读课文,或细读、默读、跳读,或听读、范读、轮读、分角色朗读,学生便可以在读中自然领悟文章的思想内容和写作技巧,可以在读中自然加强语感,增强语言的感受力。久而久之,这种思想内容、写作技巧和语感就会自然渗透到学生的语言意识之中,就会在写作中自觉不自觉地加以运用、创造和发展。2. 教学成果“师”之概念，大体是从先秦时期的“师长、师傅、先生”而来。其中“师傅”更早则意指春秋时国君的老师。说文解字中有注曰：“师教人以道者之称也”。“师”之含义，现在泛指从事教育工作或是传授知识技术也或是某方面有特长值得学习者。“老师”的原意并非由“老”而形容“师”。“老”在旧语义中也是一种尊称，隐喻年长且学识渊博者。“老”“师”连用最初见于史记，有“荀卿最为老师”之说法。慢慢“老师”之说也不再有年龄的限制，老少皆可适用。只是司马迁笔下的“老师”当然不是今