王玉龙 罗郅杰 谢紫琳 张继丹

（广东实验中学 广东广州 510055）

高中生虽然学习了光合作用的原理和过程，但对光合作用的理解大多还停留在原料和产物上，并不能从速率上深刻理解光合作用，也不能深刻理解影响光合作用的因素。 实验探究中，学生在区分定性与定量实验、设计科学的实验记录表，保障单一变量原则、得出结论等方面，还存在一些知识或技能短板。“探究环境因素对光合作用强度的影响”这一实验为解决此问题提供了契机。 该实验是必修1中的重要实验，但教材中所提供的是大的方向和原理，对实验中具体的操作和细节并未涉及，而这些操作对实验结果的稳定性及可重复性有较大影响。为使实验结果和重复性更稳定，并提高学生的探究能力，本实验在实验材料、抽气装置、抽气方法、光照强度的控制及测量、CO2浓度的控制与测量、数据处理等方面进行了改进，并进行了定性和定量探究，且效果显著。

1 实验材料及装置的改进

选用“不结球小白菜”为实验材料，可快速抽气且上浮效果显著；采用100 mL 注射器和橡皮泥对叶片进行抽气；采用摄影棚排除外界光线对光强的影响，并对光强进行定量控制；采用可调节亮度的LED 灯，保证光源的稳定，并利用光照强度传感器测定光强； 以5 min 内小圆叶片上浮数量作为因变量，光强作为自变量，进行作图。 定量测定时， 选取5 片菠菜叶片而非整株植物； 采用CO2传感器对瓶内的CO2含量进行定量测定；每次测量前，为保证密闭瓶内初始CO2浓度尽可能一致，采用气泵对瓶内气体进行换气处理；对所测定的瓶内CO2含量进行分析处理，转换成单位时间内CO2变化量； 实验中每2～3 人一组合作完成，成果共享，误差共同分析。 在定性和定量测量的基础上作出光照强度对光合作用强度影响的曲线。

1.1 对定性实验——小圆形叶片上浮实验的改进

1）选取“不结球小白菜”为材料，进行小圆形叶片上浮的定性实验。 笔者对多种生物材料，如叶片较厚的菠菜，以及油麦菜、番薯叶、辣椒叶、不结球小白菜等材料进行探究，发现“不结球小白菜”抽气时所需时间较短，较易下沉，且上浮效果显著。

2）对小圆形叶片抽气时选用100 mL 注射器和橡皮泥。抽气时选用容积较大的100 mL 注射器，可一次对较多叶片进行抽气，排除了多次抽气操作的误差。由于容积较大，抽气时气压降低较大，需施加的作用力也较大， 故不能用手指堵住注射器前端，而用橡皮泥塞住，可更有效地施力和抽气。

3）在摄影棚内观察叶片上浮情况。本次定性实验的关键性操作是排除外界不稳定性光照的影响，若通过调节台灯距离控制光强，实验室内的光线会有较大误差，用摄影棚可解决该问题。 本实验所用的摄影棚是由黑色不透光材料围成的40 cm×40 cm×40 cm 的箱子， 侧面有一个可调节大小的窗口，可通过侧窗观察箱内情况。 将箱子封闭后，内部光强为0 lx。 该箱子的顶部架设有LED 灯，可以通过调节灯的亮度，控制箱内的光强。为实现单一变量原则提供了良好保障，增强了可重复性。

4）选用可调节亮度的LED 灯，并利用光照强度传感器测定每组的光强。在小圆形叶片的定性实验中，选用可调节亮度的LED 灯作为光源，同时利用光照强度传感器测定叶片所处光强。各小组通过调节控制LED 灯亮度， 测得了光强在0～3 025 lx范围内小圆形叶片的上浮情况， 实验装置中LED灯发热较少，减少了温度对光合作用强度的影响。

5）选用单位时间（5 min）内小圆形叶片上浮数据代表光合作用速率，并作图。 在数据处理上，若对每片小圆形叶片的上浮时间作图， 则此图并不能反映光合速率， 只有对单位时间内小圆形叶片的上浮情况作图，才能代表光合速率。实验中若选用10 min 内的上浮数据，不同光强下的上浮数量区别不够显著，5 min 内的上浮数据有一定差异， 故以5 min 内小圆形叶片的上浮数量表示光合速率。

1.2 定量测量光照强度对光合速率的影响

1）定量测定时，选取菠菜叶片而非整株植物。菠菜叶片较厚、较浓绿，光合速率较明显，定量实验中，以菠菜作为实验材料。 摘取5 片叶片，置于密闭、无色透明的塑料瓶中，其中4 片贴壁放置，1 片放于中央。 实验中不采用整株植物，是因为叶片之间彼此遮挡，不同放置方式会有较大误差，且较难保证是单位面积的叶片进行光合作用， 导致各组别之间存在较大差异。

2）采用CO2传感器对密闭瓶内的CO2含量进行定量测定。 光合速率即为单位时间内CO2的吸收量或O2的产生量。若要定量探究光强对光合速率的影响，必须要对气体数据进行定量测定。 CO2传感器比O2传感器灵敏度更高，能较为准确地测定，故选用CO2传感器而非O2传感器。

3）采用气泵对密闭瓶内的气体进行换气。 定量测量中，须尽可能保证瓶内CO2浓度的稳定，而连续测量时密闭瓶内CO2浓度是不断下降的，故需对瓶内的气体进行换气处理。 若每次测量后将密闭瓶从摄影棚中取出， 打开瓶盖与大气连通而自行换气，待换气完成后再放回，此操作中换气所需时间较长，同时会造成较大的误差（例如叶片萎蔫状态的变化、密闭瓶所处位置的改变、叶片位置的改变等）。 为减少上述误差，将此装置连接通气泵和出气管，通过控制通气泵和出气管，在不改变密闭瓶的位置和叶片状态的情况下， 对瓶内气体进行换气。

4）对数据进行分析处理，转化为单位时间内的变化量。 CO2传感器所测得的数据是每个时刻下瓶内CO2的浓度（mg/L），此数据并不能代表光合速率，只有将其换算成单位时间内的变化量，才可代表光合速率。所以在数据处理上，选取相同时间间隔下的数据，对其求平均值，并除以对应间隔时间，得到单位时间内CO2吸收量，用于表示光合速率。

2 实验操作细节的改进

2.1 以小圆形叶片为材料的定性实验中的操作改进

1）打孔。打孔时，选用直径为1 cm 的打孔器，将大小接近的叶片重叠在一起，置于泡沫垫上，用打孔器快速用力按压，避开主叶脉，即可一次获得较多的小圆形叶片。

2） 抽气。 100 mL 注射器吸力较大，2 位学生合作进行抽气， 在抽气时可观察到叶片表面有气泡冒出，通过拍打或摇晃注射器使叶片较快抽气，并沉底。

3）观察与记录小圆形叶片的上浮数据。 通过摄影棚的侧窗观察摄影棚内叶片的上浮情况，并将小圆形叶片“动身”的那一刻记为上浮时间，精确到秒。

4）统计全班上浮数据，计算平均值并作图。全部小组观察结束后， 每组将本小组5 min 内的上浮数据记录，汇总全班数据后，计算平均值，并描点、连线，绘制曲线。

2.2 以菠菜为材料的定量测定实验

1）菠菜叶片的选取与放置。 摘取5 片颜色深浅、叶片大小等生长状态相近的菠菜叶片，置于密闭无色透明塑料瓶中。 其中4 片贴瓶壁放置，1 片放于中央。

2）CO2传感器和光照强度传感器的连接。 CO2传感器为黑色长方体外观， 对摄影棚内的光照吸收较多。若置于密闭瓶四周，则对瓶内光照影响较大，故将其置于密闭瓶顶部，降低对光强的影响，提高实验的稳定性和可重复性。

3）测量时初始CO2浓度的控制。 为使每次测量时瓶内的初始CO2浓度一致， 在瓶盖上设置进气管与出气管，并将进气管与气泵相连。每次测量前，先调节光强，并立即打开气泵与出气管，对瓶内的气体进行换气，待换气完毕后，关闭出气管。

4）数据的读取。 本实验所采用的CO2传感器在测量时有一定的缓冲时间， 并不能即时显示当时瓶内的CO2数据。每次改变光强及换气后，要待CO2传感器示数变化相对稳定后才能读数， 并将此时电脑显示的数据次数记为初始读数次数。 为减少实验误差，本实验中读取间隔10 次的2 组数据，即以10 次后的数据为该光强下的终止读数次数，并记录初始与终止读数时CO2浓度的数值。每次数据的间隔是10 s， 故本实验中以100 s 内的CO2变化量衡量光合速率。

5）数据的处理。 将不同光照强度下初始读数时的CO2浓度与终止读数时的CO2浓度做差，其差值除以间隔时间100 s，即为菠菜叶片的光合速率，并对相应数据作图。

3 实验材料及装置

图1 连接LED 灯的摄影棚

3.1 实验材料 本实验所选用的植物材料为不结球小白菜和菠菜。

3.2 实验装置 本实验的有关设备有 “朗威-DISLab”，包含光照强度传感器、CO2传感器、数据采集器、 密闭瓶及电脑软件读取系统，100 mL 注射器、橡皮泥、打孔器、40 cm×40 cm×40 cm 的摄影棚、LED 灯、气泵。 实验设备、装置的连接、数据的读取见图1～图3。

图2 密闭瓶、气泵、CO2 与光照传感器的连接

图3 某时刻电脑所显示的CO2 数据

4 实验结果

改进实验后，学生所得的实验结果较为理想，实验数据及结果如表1～表3、图4～图5。

1）以小圆形叶片为材料的定性实验结果及图像。

表1 第1 小组内10 个小圆形叶片上浮对应时间（光强为956 lx）

表2 全班各小组5 min 内小圆形叶片上浮数量（组别0 为对照组黑暗下的数值）

2）以菠菜叶片为材料的定量测定实验结果及图像。

图4 圆形小叶片上浮数量随光强的变化曲线

图5 光照强度对菠菜光合速率的影响

表3 光照强度对菠菜光合速率的影响结果记录

5 总结

本实验为教材中为数不多的探究实验， 但受实验条件和实验操作细节的影响， 一些学校并未开展此实验，或即便开展实验效果也不太理想，不能较好地印证光照强度对光合作用强度的影响，进而影响了学生科学素养的养成。 本研究对实验改进后，材料、装置易获取，实验效果稳定，可重复性高，且有定性和定量2 种测定方法，可供不同学校依据自身条件进行选择。 学生经历此探究过程后，能阐明单一变量的实验原则，以及控制单一变量的方法；锻炼实验操作技能，掌握“真空渗水法”， 能应对一些复杂的、 有技术含量的操作；增强小组合作学习的能力， 能协调配合完成相应操作，例如抽气、观察记录实验结果等；提高数据处理和作图的能力，认识光合速率的变化；理解结构与功能相适应的生命观念； 培养实事求是的科学态度和科学精神； 掌握科学探究的一般步骤及相应的思维范式；有助于树立环境保护的意识，倡导低碳出行的健康生活方式。