环境因素对光合速率的影响探究

“探究环境因素对光合作用强度的影响”是国家教材委员会专家委员审核通过的2019普通高中教科书生物学（人教版）必修一第五章第四节探究实践的学生实验。学生通过课本提供的实验材料进行预实验后发现了不少问题，针对这些问题作出实验改良方案并完成进一步的探究实验。一、预实验反馈的问题课本提供的实验方案分为两部分，一是利用真空渗水法排除叶肉细胞间隙中的空气，使相同面积的叶圆片沉于水中。在光合作用过程中，植物释放出O2，由于O2在水中的溶解度较低，积累在细胞间隙，从而降低了叶圆片的密度，使原来下沉的叶片重新上浮。因此，根据单位叶圆片上浮所需时间的长短，能比较光合作用速率的强弱。二是利用5瓦LED灯泡提供光源，利用光源与烧杯的距离控制不同的光照强度，实现单一变量的控制。在预实验过程中，学生发现的问题有：（1）灯源强度不足，实验时间过长。（2）控制烧杯距离后导致前后烧杯相互遮挡，影响实验单一变量。（3）无法排除其他光源（太阳光）的干扰。（4）无法探究其他环境因素（不同波长的光、温度或CO2浓度）对光合速率的影响。（5）无法定量分析光合速率的快慢。二、实验的改进（1）学生利用4个牛奶箱制作出实验操作箱，在牛奶箱的顶部安上24瓦LED光源，形成3个相对独立的探究室，解决烧杯相互遮挡及排除其他光源干扰的问题。（2）利用硬纸板做隔板，调整隔板与灯源的距离，实现光强的控制。（改进实验）（3）利用彩色滤光片改变光质，实现不同光质对光合速率的影响探究。（实验拓展）（4）利用恒温杯垫控制不同环境温度，实现温度对光合速率的影响探究。（实验拓展）（5）利用排水法定量探究不同光照强度下黑藻的光合速率。（实验拓展）（6）利用透明塑料瓶制作的密闭空间探究上海青在光合作用过程中CO2的变化情况。（CO2传感器的配合使用）三、学生实验设计思路和创新点（一）学生实验设计思路通过查阅文献和市场调查，自主筛选合适的光源和加热设备，以提高实验效率，减少实验误差。最终选择24瓦LED灯盘作为光源，选择圆形恒温杯垫控制温度，自主改进实验装置，利用随处可得的牛奶箱搭建新型实验操作箱。（二）学生实验创新点1.高效性在进行预实验时，一个5瓦的LED灯泡在“探究光照强度对光合作用强度的影响”实验中，耗时较长，用24瓦LED灯泡替换5瓦的LED灯泡后，能在10分钟内完成实验。提升光强后，明显缩短实验时间，各组结果差异明显，实验效率显著提高。2.可控性在预实验中，学生通过调节距离来控制光强，设置了多个梯度，当烧杯之间距离远时，后面烧杯光强弱，无法完成实验；烧杯间过近时，相互会有明显的遮挡，实验效果不好。在新的实验操作箱中，通过调节各操作箱内隔板的高度，就能实现单一变量的控制。在“探究光质对光合作用强度的影响”的拓展实验中，彩色滤光片就可以调节操作箱内的光质。在“探究温度对光合作用强度对影响”拓展实验时，恒温杯垫的温控区间在30℃～55℃，可以实现多级温控调节，学生利用冰水和多级调节温控杯，实现低温、适温、高温三个区间的对照。3.安全性LED灯功率低，属于冷光源且在箱体内，不需要频繁置换。恒温杯垫温度低于60℃，学生实验操作的安全性大幅提高了。4.多变性高中生物课程该部分的参考案例是探究光照强度对光合作用的影响，经过学生改良的实验装置实现了对温度、CO2浓度、光质等环境因素的探究，实现了同一装置多元探究的目的。5.便捷性利用废旧牛奶箱制作的实验装置轻便，易于携带，该实验结束后还可以回收，实现了变废为宝的过程。该装置结合教师的建议改良后，改进的装置可以作为教具使用，便于推广。四、实验教学内容本实验分为2课时。第一课时：预实验，课后设计并改进实验方案；第二课时：实施实验方案。在第二课时中，各小组的主要实验内容如下所示。实验一：探究光照强度对光合作用强度的影响（改进装置后再实验）。实验二：探究不同波长的光对光合作用强度的影响。实验三：利用黑藻探究温度对光合作用强度的影响（排水法）。实验四：利用黑藻探究CO2浓度对光合作用强度的影响（排水法）。实验五：利用上海青幼苗探究密闭空间内CO2浓度的变化情况（CO2传感器实现电脑数字化分析实验数据）。五、实验过程（一）设计方案，制作探究装置教师利用第一课时复习光合作用的过程，并引导学生思考影响光合速率的环境因素，带领学生完成书本提供的参考案例，课后让学生针对初次实验的不足对实验做改进，并设计拓展实验方案。学生利用周末时间完成实验装置的设计制作。（二）实施实验，获取数据（1）第1、2组学生用真空注水法制备叶圆片，使叶圆片沉于水底，遮光备用。随后取100mL烧杯若干，各倒入80mL25℃1.5%NaHCO3的溶液。在每个烧杯中放入叶圆片10片，将各组烧杯放入实验操作箱开始实验，观察并记录7片叶圆片的上浮时间。在实验过程中，将实验数据记录在准备好的表格中便于进行数据分析。（2）第3组学生利用天平称量等量的黑藻，放入事先准备好的透明矿泉水瓶内，向瓶内注入等量的25℃1.5%的NaHCO3溶液，盖上处理后的瓶盖（瓶盖上插入一根长软管，软管没入瓶内的NaHCO3溶液中），形成密闭空间。将黑藻瓶置于不同的温度水域中，记录光照相同时间内软管排出的水量。在实验过程中，将实验数据记录在准备好的表格中便于之后进行数据分析。（3）第4组学生配置不同浓度的NaHCO3溶液，再利用黑藻瓶排水法测量不同浓度CO2（用NaHCO3溶液替代）条件下光合速率的差异。记录25分钟软管排出的水量。在实验过程中，将实验数据记录在准备好的表格中便于之后进行数据分析。（4）第5组学生利用密闭空间的上海青幼苗探究单位时间内的实际光合速率，实现数学模型建构。（三）分析数据，得出结论（1）学生取7片叶圆片上浮时间的倒数作为光合速率的衡量指标，制成折线图或柱状图。实验一结果表明：随光强上升，光合速率显著上升。（2）实验二结果表明：①红光照射组的叶圆片上浮速度最快，蓝光次之，绿光最低。②黄光照射组圆叶片上浮速率最快，红、蓝光次之。实验结论：①不同滤光片过滤白光后，光强都有所减低，但黄滤光片透光率最高，滤过后光强仍较高，所以黄光组叶片上浮速度快。②在相同光照强度条件下，红光组光合效率最高。（3）实验三结果表明：①相同光强下，50℃条件下叶片上浮最快，20℃次之，5℃最低。调整实验方案：利用黑藻排水法重复温度对光合速率的影响。得出结论：在一定温度范围内，随着温度的上升，植物光合速率增快。（4）实验四结果表明：相同光照强度下，1.5%NaHCO3小圆叶片上浮