探究影响光合作用的因素的试验改进

“探究影响光合作用的因素——传感器测定法”实验改进

上海市敬业中学生命科学教研组 钟思慧

一、背景和目的

“探究影响光合作用的因素”实验是沪教版《生命科学——高中第一册（试用本）》第四章“生物的物质变化和能量转换”中的一个重要实验。该实验属探究性学生实验，是学生自行设计的实验，要求高，在《上海市中学生命科学课程标准（试行稿）》中该实验的学习水平被定级为C级，既掌握水平。

实验要求学生通过小组合作，根据控制变量原则和对照原则，讨论确定探究的题目，列出实验方案，按照方案实施实验，记录、整理、表达实验结果，最后得出实验结论。该实验的教学目标要求学生较完整的体验科学实验探究的过程，理解科学探究的一般原理。对学生的科学素养提高和实验创新能力培养具有重要的作用，充分体现了二期课改“以学生发展为本”的教学理念。为实现教学目标，教师要尽力帮助学生设计好实验。教师除了需要先引导学生从所学的光合作用过程讨论分析影响光合作用的因素，提出探究的问题，做出假设，还需要特别引导学生从科学家是如何设置对照、确定变量、控制无关变量等方面得到启发，此外，教师更需要事先做大量预实验以确定实验条件以保证学生实验的顺利进行。

教材中提供了两种实验方案，即“真空渗水法”和“溶解氧传感器测定法”。“真空渗水法”对实验设备要求较低，操作较简便，学生理解和设计也较顺利。“溶解氧传感器测定法”则需要配备数字化传感器和数据采集器、电脑等相关设备，且要求学生掌握一定的操作技能，但方法实验结果的即时连续动态反应，可以让学生不断体验实验进程和结果带给他们的收获。但是教材中介绍的“溶解氧传感器测定法”，在实际操作中发现操作要求较高，实验效果在短时间内不明显，不能满足课堂教学的有效性。因此在不断探索、总结和反复实践之后，尝试使用新的实验材料和方法以便提高实验效率和可操作性，从而更有效地达成探究性实验教学的教学目标。

本文记录了在实际实验教学准备过程中对“溶解氧传感器测定法”进行的改进，以使“传感器测定法”更适合中学生命科学课堂教学。

二、过程与方法 （一）遇到的问题

教材中“溶解氧传感器测定法”介绍的实验原理为溶解氧传感器可精确测出液体中氧的含量变化，利用溶解氧传感器测量职务叶片光合作用释放氧气的量，可以比较精确地了解植物光合作用的强度；材料选择为黑藻；仪器和试剂有溶解

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氧传感器、数据提存器计算机、40W白炽灯、250ml烧杯、铁架台、2%NaHCO3溶液（用煮沸后急速冷却的水配制）。

在预实验中根据教材提供的实验方法进行操作，发现2个主要问题： 1、实验方法中建议设置的自变量为光照强度，光照强度的改变通过黑暗、距光源5cm、距光源20cm来进行，但是实际操作中发现40w白炽灯作为光源的同时近距离会对实验材料产生热量影响实验水中溶解氧的含量和植物的呼吸作用，不利于控制无关变量温度；

2、溶解氧传感器只能测定水中溶解氧的含量，而水中溶解氧的含量本身较低，在用传感器测定时发现水中溶解氧变化量显示不明显，不利于实验现象的观察和实验数据的分析。 （二）改进的方法 1、器材改进

基于市面上已有的各类传感器，从光合作用过程出发，考虑是否能用测量空气中二氧化碳的含量变化来替代检测水中溶解氧含量变化来探究植物光合作用的强弱，于是尝试用二氧化碳传感器。二氧化碳传感器可以精确测量密闭空间内空气中二氧化碳浓度变化。通过检测绿色植物周围密闭空间内二氧化碳浓度变化能够有效反映植物光合作用强度变化，从而探究光照强度对光合作用的影响。

发光二极管是冷光源，用可调节灯光大小的发光二极管手电筒作为光源，既可以达到调节光照强度的目的，又能够更好地控制无关变量温度。

2、材料改进

在选用可以精确测量密闭空间内空气中二氧化碳浓度变化的二氧化碳传感器的基础上，精心挑选苋菜作为实验材料。苋菜是一种C4植物，与C3植物相比，一个重要区别是C4植物的CO2补偿点很低，而C3植物的补偿点很高，所以C4植物在CO2含量低的情况下存活率更高。

3、实验方法

在可调节光照强度的冷光源作用下，用二氧化碳传感器检测密闭空间内苋菜周围空气中的二氧化碳浓度变化情况，来探究光照强度对光合作用的影响。 4、实验仪器

二氧化碳传感器、数据采集器、安装有相关软件的计算机、可调节光照强度的发光二极管手电筒、与二氧化碳传感器配套的透明塑料瓶、遮光布（用于控制外界光源）等。

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左起：遮光布、可调节光照强度的发光二极管手电筒、与二氧化碳传感器配套的透明塑料瓶、二氧化碳传感器、数据采集器

5、实验步骤

1）准备

选取8-10片直径为4厘米左右的新鲜苋菜放入透明塑料瓶中。用镊子进行调整，减少叶片重叠面积，并保持叶片上表皮朝着同一方向，以便保证实验过程中叶片受光面积。将二氧化碳传感器插入塑料瓶，并按紧，确保塑料瓶内是密闭空间。然后连接二氧化碳传感器、数据采集器和电脑，并对二氧化碳传感器进行调标准值（传感器说明书中有具体操作步骤）。

2）数据采集

用遮光布遮住透明塑料瓶，在遮光布下将发光二极管手电筒对准叶片上表皮。打开数据采集，在0-200秒期间，开关调至强光档，即用强光照处理；第201秒时开始开关调至弱光档，即用弱光照处理；在第490秒时关闭手电筒，即用无光照处理。在第760秒处停止数据采集。从开始到结束连续采样，在调整光照强度时小心操作，不影响光照位置和距离，不停止采样可使结果在一条曲线上表现出来。

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实验装置图

遮上黑布后实验装置图

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（三）结果与分析 1、实验结果

数据采集后电脑显示数据及反应条件标注

2、实验分析

强光照处理下，塑料瓶中二氧化碳浓度下降明显，主要原因是此时光合作用显著，苋菜叶片通过光合作用吸收的二氧化碳远多于叶片进行呼吸作用所释放的二氧化碳。

弱光照处理下，塑料瓶中二氧化碳浓度下降幅度与强光照处理相比明显减小，主要原因是弱光照条件下苋菜叶片光合作用强度减弱，吸收的二氧化碳减少，同时叶片的呼吸作用仍旧进行着。

无光照处理下，塑料瓶中二氧化碳浓度显著上升，主要原因是此时苋菜叶片光合作用停止，无二氧化碳的吸收，只有呼吸作用释放的二氧化碳。 3、实验结论

本实验结果证明了绿色植物光合作用强度受到光照强度的影响。在本实验使用的发光二极管手电筒的光照强度范围内，绿色植物光合作用强度随光照强度的增强而提高。

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三、效果与反思 （一）教学实效

在实际实验教学过程中，二氧化碳传感器测定法（以下简称CO2测定法）与教材参考方案的溶解氧传感器测定法（以下简称溶解氧测定法）相比较，有以下几点优点：

1、操作简便耗时少

常规课堂教学时间一般为40分钟或45分钟。实际上，实验课中真正属于学生自己动手操作时间一般不会多于25分钟。“探究影响光合作用的因素”是教学目标为C级的教学内容，要求学生能够设计并实施实验，所以课堂教学上学生思考、设计实验的环节必不可少。这个环节恰恰是学生科学素养提升的关键，应该让学生有足够的时间思考、讨论、设计、交流，所以必须给与充分的时间保证。因此本节课对于实验结果出现的时间要求非常高，务必能够在短时间内有明显的实验结果。

在实际操作过程中发现溶解氧测定法实验结果出现较慢，平均实验时间为1个小时左右能够观察到水体中氧含量的变化。而CO2测定法从准备到数据采集结束，不超过二十分钟。这对于有限的课堂教学时间来说是非常有利的。

2、效果明显干扰少

《探究影响光合作用的因素》实验是高中阶段生命科学实验教学内容中为数不多的学生可以完整地体验科学探究的一般过程的实验之一，对于学生科学素养的提高有重要作用。学生通过对该实验的设计能够初步学会控制变量的实验方法，初步学会实验变量的确定、待测变量的测量和其他影响因素的控制，因此实验准备时排除学生无法控制的干扰因素对学生的学习意义重大。

其一，溶解氧测定法是利用溶解氧传感器测定水体中氧气含量的变化，但是水体中溶解氧含量很低并且很容易达到氧饱和，同时水体中溶解氧含量易受温度等环境因素的影响，所以在实际实验过程中利用溶解氧传感器测出的水体中氧含量变化并不能正确反映水体中氧含量的实际变化，因此不能有效反映植物光合作用强度的变化。二氧化碳传感器检测的是密闭空间内空气中二氧化碳浓度变化，二氧化碳在空气中的存在稳定，含量变化能充分反映植物光合作用强度的变化。

其二，溶解氧测定法中用白炽灯作为光源，这给实验加入了一个无法控制和检测的干扰因素——温度。实际实验过程中发现，在白炽灯的照射下，环境温度显著上升，植物叶片进行强烈的呼吸作用，影响了实验的正常进行。CO2测定法中利用发光二极管手电筒作为光源，就是因为二极管是冷光源，排除了温度这个干扰因素，有利于其他影响光合作用因素的控制。

其三，影响光合作用的因素除了外部的环境因素，还有内因，所以在实验中

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一般会选择正处于生长发育较旺盛阶段且光合作用强度较高的植物作为实验材料。溶解氧测定法中的实验材料黑藻不易迅速分辨出是否符合要求。CO2测定法中使用的苋菜则较易挑选其中生长旺盛的叶片，即在植株上选择不老也不嫩的叶片较绿的直径约为4厘米的叶片作为实验材料，同时还可以调整叶片上表皮向光，提高受光有效面积。又因苋菜属于C4植物，能在二氧化碳浓度较低的环境中仍然进行良好的光合作用，所以能使实验结果的呈现更加典型。 3、控制简便无关少

溶解氧测定法通过控制光源与实验材料之间的距离来设置调整实验变量不十分精确，且在调节光照强度的同时，发光源的热量影响也会改变。CO2测定法使用可调节式的手电筒作为光源，调节便利，且可保证单一变量改变。市场上可调节光照强度的发光二极管手电筒多种规格有，我们实验采用的规格是弱光档8个二极管发亮、强光档15个二极管发亮。该规格强、弱光光照强度差异明显，实验结果差异显著。我们在实践中，利用数据采集器的功能特点，通过调节手电筒的光照改变实验变量，采集到的实验结果以一条连续曲线的形式显示出来，有助于学生进行比较和分析。 4、学生体验收获多

实验数据和结果的观察是学生体验科学探究的重要步骤。学生很重视自己所做实验的结果，所以由此产生的直观感受对学生的影响较大。比较理想的实验结果很多时候是促进学生进行深入探索的推动力。因此实验教学中学生能否即时得到他们期待的实验数据和结果就显得尤为重要。

因为空气中的二氧化碳浓度较氧气低得多，植物的光合作用和呼吸作用引起的二氧化碳相对量的变化较显著。因此CO2测定法能够在光照强度变化后的几十秒内，采集到数据变化，得到明确、显著的实验结果。

在课堂实践中，学生通过分组分工，根据学案逐步开展探究性学习，通过实验设计操作、数据记录分析，结合基础知识，对于影响光合作用的因素的探究有了更直观鲜明的认识。 5、易于操作上手快

便捷的实验操作有利于学生在有限的课堂教学时间内体验更多的探究过程、掌握更多的内容，同时也有助于课堂教学的完整性。

CO2测定法所涉及到的实验器材操作简便，易于学习。传感器的安装使用、数据采集器的连接，数据和曲线的呈现等，学生经过一定的训练，都可以熟练的掌握，保证实验的顺利进行。苋菜是常见的蔬菜，容易获得且价廉。 （二）课后反思

在具体操作中发现，密闭空间内的苋菜在实验过程中会产生一定量的水汽覆

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盖在塑料瓶壁上，这将直接导致塑料瓶透光率的下降，影响实验效果。在今后的操作中将关注如何防止这一情况的产生。

二氧化碳传感器虽然操作简易上手快，但在课前仍需对分组组长进行更充分的操作培训，以提高课堂上的传感器操作效率，提高课堂实效。

2013.9.29

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