环境因素对光合作用强度影响的实验装置设计
时间：2020-12-23 22:14:30 来源：达达文档网 本文已影响 人 
张玄可
摘要：通过对人教版高中生物学教科书中“探究环境因素对光合作用强度的影响”的实验装置进行改进，可便于学生探究单因素和多因素对光合作用的影响，从而更好地提高学生科学探究和实践能力。
关键词：环境因素，光合作用强度，实验装置设计
中图分类号Q-337文献标志码：B
“探究环境因素对光合作用强度的影响”是人教版《必修1·分子与细胞》第五章第四节中的探究性实验活动，有助于学生理解光合作用中物质和能量变化。但利用教材中的真空渗水法在开展时，会面临探究环境因素单一、实验仪器、试剂消耗量大、难以同时开展多组实验和设计多因素变量等问题。为了使实验操作更简便、探究活动的因素更多样、实验结果可靠性和可重复性更强，本实验在装置设计、光照强度控制、排除无关变量干扰进行改进，便于学生开展方案设计和探究活动的实施。
1 实验材料的选取与处理
选取菠菜为材料，进行圆叶上浮定量实验。通过对比常见植物叶片鸢尾叶、玉兰叶、女贞叶、绿萝叶、小白菜叶、上海青叶及菠菜叶进行预实验，发现菠菜叶抽气后易下沉于注射器底部且受光照后上浮现象明显。以学生常用卷子整理工具为打孔器，便于学生广泛参与实验，快速获得直径6mm小圆叶。
2实验装置设计
2.1 光源的设置
教材中通过烧杯与光源的位置控制光照强度，受周围光照干扰较大，本实验装置取自废旧快递纸盒，来源广泛，且打孔和切割简便，装置可使实验密闭进行，排除了环境中光照的干扰。光源采用冷光源的5个LED灯带，每个条带有12个灯珠（每个灯珠功率5w），可方便调控光质为黄色、白色、暖白色，能更好地控制无关变量、光照强度、光质。
2.2 反应器的改进
本实验装置采用20mL注射器可兼具教材中注射器的抽气和烧杯的功能，避免教材中将抽气后的叶片放入盛有清水烧杯的实验步骤，减少叶片转移过程中无关变量的干扰和对叶片的损伤。将10个叶片放入注射器后，将活塞推至5mL处吸入10mL清水，排尽空气后用手指堵住注射器前端开始抽气操作，在拉动活塞后观察到叶片表面有气泡冒出，停留5。然后，晃动注射器使气泡与叶片脱离，便于叶片下沉。
2.3 “三维立体”光合作用箱的设计
目前光合作用装置的设计多使光线从侧面照射叶片，考虑到叶圆片的受光面积及实验探究活动开展的需要，本实验的光合作用箱采用光线从注射器底部射入的设计。
（1）将5条长30cm的LED灯带串联于长32cm、宽22.5cm、高47cm的纸箱底部，光源驱动及开关置于纸箱外部。
（2）用输液用软管头部在距离纸箱底部19cm、29cm、39cm处箱子的两侧钻小孔，每对小孔圆心相距2cm，正好能确保钓鱼线穿过后注射器悬挂，注射器悬挂后底部距离光源10cm、20cm、30cm。为避免不同高度的注射器遮挡从LED灯带发出的光，垂直方向上每对小孔间距5cm。
（3）用钓鱼线穿入每对小孔，绷紧系于箱体外侧，并用输液软管为垫子，防止細线割伤箱体（图”。
3 本实验装置的应用
本实验装置便于探究单一因素，如光照强度、光质、CO2浓度、pH、温度、叶龄、树冠与树底层叶、阳生与阴生植物叶等对植物光合作用强度的影响.同时，本实验装置也可由学生简单改进，探究光照强度和CO2浓度、光照强度和pH等多因素对光合作用强度的综合影响。下面以探究光照强度、CO2浓度对光合作用的影响为例，介绍本实验装置的应用。
3.1 探究光照强度对光合作用的影响
本实验装置探究光照强度对菠菜叶光合作用的影响时，可以通过调节注射器和LED灯带的距离，在距离纸箱底部19cm、29cm、39cm处钻孔，每对孔在垂直方向上间隔5cm，注射器悬挂后底部距离光源10cm、20cm、30cm。每对鱼线上放置3个注射器受到的光照强度相同，不同对鱼线上注射器受到的光照强度不同。如图2所示，不同高度的注射器相互对照，共设计9个注射器。结合预实验结果，所有注射器内NaHCO3溶液的质量浓度均为2%。暖白光条件下，10min叶圆片上浮实验结果见表1。
在不同光照强度条件下照射10min后，叶圆片光合作用强度随光照强度增加而增加。本装置可在同一高度设置多个重复取平均值，排除偶然误差。若要探究更多种光照强度可以增加注射器的高度差，满足探究实验中对不同光照强度的需要。
3.2 探究CO2浓度或pH对光合作用的影响
本装置中在距离箱体底部19cm处开孔三对小孔，以确保各组注射器底部受到的光照强度相同。每对小孔间距为5cm，每对鱼线上放置的注射器中NaHCO3溶液的浓度或pH相同，不同对鱼线上NaHCO3浓度或pH不同（图3）。注射器悬挂后底部距离光源均10cm，确保所有注射器底部受到的光照强度相同。
图3所示改进后的实验装置也可用于探究CO2浓度或pH对光合作用强度的影响，若要探究更多浓度的NaHCO3溶液或不同pH，可多设置小孔的对数。也可探究不同光质条件下CO2浓度或pH对光合作用的影响，增加实验设计的灵活性，便于学生设计探究方案。
3.3 探究多因素对光合作用强度的影响
本实验装置适当改进后，还可以同时探究光照强度、光质、CO2浓度、pH、温度、叶龄等因素对类型植物光合作用强度的影响。以光照强度和CO2浓度对光合作用强度的综合影响为例，需要在3个高度同时钻孔和穿鱼线，不同高度在垂直方向上间隔5cm。每对鱼线上悬挂装有3个浓度梯度NaHCO3溶液的注射器，每个NaHCO3浓度设置3个注射器，共设计27个注射器。
学生还可以自己选定环境因素，在本实验装置基础上选择控制自变量，但要注意控制无关变量一致。
4 总结
改进后的“三维立体”的实验装置改善了教材中实验步骤多、试剂需求量大、叶片受光面小、变量单一等问题，所需纸箱、塑料注射器易于从生活中获得，教师可引导学生利用生活中的材料动手组建。经过改进的实验装置，拉动注射器活塞，停留5s并晃动，反复三次即可使直径6mm的菠菜圆叶下沉，约10min即可观察到叶片上浮;可设置重复确保实验结果可靠，便于在课堂上开展，提高对实验现象记录和分析的科学探究能力。
学生以小组合作方式直观体验环境因素对光合作用的影响，自主设计装置探究某一变量对光合作用的影响，也可改进装置探究不同变量对光合作用的综合影响;便于认识自然界复杂条件下的光合作用，以及应用生物学理论解决社会生活中的实际问题。
