探究环境因素对光合作用强度影响的创新实验

探究环境因素对光合作用强度影响的创新实验
一、使用教材
人民教育出版社，高中《生物学》必修一第五章第四节
二、实验器材
（一）实验材料：小球藻
（二）实验药品：1%碳酸氢钠溶液、氢氧化钠固体、芒果汁
（三）实验器材
1、自制光照培养箱
2、自制检测装置
3、显微镜、血细胞计数板、滴管、三角瓶、电子秤、烧杯
三、实验背景
学生已经学习掌握了光合作用和细胞呼吸的相关知识，并已经全班性的完成教材中“探究光照强弱对光合作用强度影响”实验，能理解光照强度增强，光合作用强度随之增强。

学生学习到光合作用与呼吸作用关系部分时，学生回头分析这个实验，发现他们测得的小圆片上浮速率是反映净光合速率的，只是呼吸速率不变时，净光合作用速率的变化可反映光合作用速率的变化。

但学生产生新的疑问，小圆片上浮，意味着净光合作用速率大于0，但光照弱时，根据理论推导净光合速率可能等于0或小于0，这又如何用实验直观证明呢，教材实验无法实现。

而且，在教学中发现，仅仅是理论分析光照强度对净光合作用速率的影响曲线，学生很难理解，如果学生能通过实验直观感受，这个教学难点会更易突破。

所以，开展探究系列光照强度梯度对光合作用强度影响实验，学生通过实验构建光照强度对净光合作用速率影响曲线是非常必要的。

只是这个实验没有现成的实验方案和实验设备，于是，引导一部分感兴趣的同学率先开展了本次的探索实验，也期望通过这次探索实验，能制作出科学、实用的研究装置和成熟的实验方案，为全班、日常开设此实验打下基础。

四、实验改进要点
（一）教育理论--STEAM教育理论
本课程贯穿STEAM教育理论，该理论突破了传统的学科界限，鼓励学生在科学、技术、工程、数学和艺术五个方面协同发展，培养具有创新思维，综合能力强的学生。

（二）教学方法--探究式教学法
在探究式教学法中，教师起引导作用，学生是主体，学生主动探索问题、解决问题，建立自己的认知体系。

（三）实验材料--小球藻
小球藻是一种光能自养型的单细胞真核生物，繁殖周期短（8-12h),易培养，成本低；实验中检测的是群体代谢反应，使实验现象明显，易观察，这使光照强度梯度的梯度设置小时，相邻实验组之间的实验现象也会有显著差异，而教材小圆片作为实验材料则会发生某些相邻组间无显著差异。

（四）实验装置
1、学生自制了可以精确控制光照强度和温度的培养箱，该培养箱还可实现光照强度和温度的系列梯度实验，有利于学生构建光照强度和温度对光合作用强度影响的曲线模型。

（1）自制光源：2根6w的LED灯条串联组成12W一组，三组由一个分段控制器控制调控分别亮一组、两组或三组，实现12W、24W、36W光照强度（如图1），一共两组装备在箱体中，箱体顶端有三个LED等接口（如图2），可以继续扩大光照强度的研究范围。

且实验中两根6W的LED灯可拆开，单独连接，就可使光照强度的梯度缩小至6W，光照强度可以由最小6W开始不断升高。

（2）自制温度控制器：带温度控制器、温度探头的制冷装置1个
（如图3），加热灯1个，箱盖中温度控制器和温度探头与加热灯连接（如图4）。

此温控装置可实现对实验温度的较精确控制，以及进行系列温度梯度实验。

原理是，实验过程中，即使是6W的光照强度下，实验过程中，培养箱中的温度也会很快上升，所以当设置的实验温度低于实验光照强度能引起的最大上升温度时，需通过制冷装备制冷，机制是与制冷装置相连接的温度控制器上设定实验温度，与制冷装置连接的温度探头黏贴在反应瓶（装有小球藻的锥形瓶）上（以达到更准确的检测反应体系温度目的），当温度高于设置温度时，制冷装置开启降温功能，当温度降至实验温度时，制冷装置关闭。

由于探头敏感度限制，所以实验温度会在预设温度左右发生正负0.2℃的波动，但对学生实验结果不会造成显著影响，因学生需进行多次重复实验，且不同实验组之间的实验结果具有显著差异。

只是在实验操作中，每次更换光照强度时，需要几分钟温度稳定时间。

此过程中，箱盖上不安装加热灯，与加热装置连接的温控不设定温度，但一般会打开，用于检测箱体中的温度，所以与其连接的探头会黏贴在箱体中，此温控面板上显示的温度非反应体系实际温度，因探头在箱体中比锥形瓶更靠近灯源，所以此温控板显示温度会比反应体系实际温度稍高。

需加热时，例如实验是在48W、35℃时，此时此温控装置设定温度，加热灯和制冷装置同时打开，温度低于预设温度，制冷装置关闭，加热灯工作；高于时，制冷装置工作，加热灯关闭。

此时，与制冷装置相连接的探头和与加热装置相连接的探头均黏贴在锥形瓶上。

2.自制检测装置：瓶内压强与大气压强关系变化引起液滴移动，根据移动方向判断净光合作用情况，根据液滴移动速率反映净光合速率（如图5），此装置可实现对净光合作用速率大于0,、小于0和等于0三种状态的检测。

当控制呼吸速率不变时，净光合作用速率的变化可反映光合作用速率的变化。

五、实验原理
1.碳酸氢钠溶液是生物学实验普遍使用的CO2缓冲液，可以在一定时间内为实验持续提供浓度相对稳定的CO2。

2.当CO2浓度充足且稳定时，检测瓶内的气体压强由小球藻释放或吸收的O2量决定，当光合作用速率大于呼吸速率（即净光合作用速率大于0）时，小球藻释放O2，导致瓶内压强大于大气压强，引起液滴匀速外移，液滴移动速率可反映净光合速率；光合作用速率小于呼吸速率（即净光合作用速率小于0）时，小球藻吸收O2，导致瓶内压强小于大气压强，引起液滴匀速内移，液滴移动速率可反映净光合速率；光合作用速率等于呼吸速率（即净光合作用速率等于0）时，液滴不移动。

当控制呼吸速率不变时，净光合作用速率的变化可反映光合作用速率的变化。

3.黑暗状态下，小球藻只进行呼吸作用。

氢氧化钠吸收瓶内CO2后，小球藻呼吸作用消耗氧气，导致瓶内压强小于大气压，引起液滴向内移动，移动速率反映呼吸速率。

4.净光合作用速率可以用有机物的积累速率或消耗速率表示，小球藻为单细胞生物，积累的有机物量可用增长的小球藻数量反映。

六、实验教学目标
1.生命观念：学生自主构建光照强度、温度等对光合作用强度影响的数学模型。

2.科学思维：培养学生总结规律、构建知识模型的能力。

3.科学探究：提高学生实验探究能力；培养学生科学精神、科学思维，提高他们对科学研究的兴趣。

4.社会责任:帮助学生建立科学研究是为生产、生活服务的观念。

七、实验课题
1.探究不同光照强度对小球藻光合作用强度的影响
2.探究不同温度对小球藻光合作用强度的影响
八、实验教学过程
（一）、教师给予项目
教师给予总项目：探究环境因素对光合作用强度的影响
（二）、引导学生构建影响光合作用强度的外因、内因模型
引导学生结合化学和生物学知识来建立模型。

细胞代谢本质也是一系列化学反应，影响化学反应速率因素是反应物浓度、反应条件，细胞代谢需要酶催化，光合作用还需要光及转化光的物质。

在此基础上，有学生讨论列出所有内因和外因，并构建影响细胞代谢的因素模型。

（三）、学生提出研究课题
在明确了影响光合作用的外因和内因后，学生讨论确定自己要研究的课题：
1、探究光照强度对小球藻光合作用强度的影响。

2、探究温度对小球藻光合作用强度的影响。

（四）、课题一的实施
1、引导学生再次分析必修一104页“探究光照强弱对光合作用强度影响”的教材实验：①分析该实验中的自变量是如何设定的，讨论自己的实验目的和如何改进；②控制的无关变量有哪些，如何控制的。

③分析实验原理；④分析观测指标；⑤学生根据自己的课题设定用教材实验材料和实验方法进行一次完整操作。

2、学生操作后，总结分析：
①教材实验只设置了三个光照强度，且都是净光合作用速率大于0的光照强度，无法构建光照强度对光合作用强度影响的完整曲线，学生提出设置从光照强度为0开始，逐渐增强的系列梯度实验，实验组增多，光照强度梯度设置更小，以便构建光照强度对光合作用速率影响曲线；
②当学生设置较小的光照强度梯度时，某些相邻组的实验现象无显著差异，无法满足学生想构建光照强度对光合作用速率影响曲线的要求。

③实验组光照强度较小时，小圆片不上升，分析原因是，此时的净光合作用速率小于0。

所以教材实验是无法实现对净光合作速率小于0或等于0时的现象观察的。

于是，学生提出改换实验材料和检测方法。

④温度会影响光合作用速率，在使用台灯进行实验过程中温度会上升，应该控制温度恒定。

3、学生结合教材和生活，寻找实验材料，教师提示：符合实验要求、易获得、易操作、实验现象明显。

4、学生动手开始按自己的需要设计实现梯度光照强度的设备和温度监控设备，购买器材、组装设备。

5、筛选检测指标，讨论检测方法，制作检测装置。

6、预实验：检测检测装置的气密性、有效性；摸索具体的操作细节,熟练装置操作；发现问题：未实现CO2浓度控制，查阅资料、摸索实验，确定加入1％碳酸氢钠。

7、正式实验:按设定的光照强度梯度进行实验，每个光照强度下重复三次，记录结果（液滴移动2cm所需时间），并根据实验结果来适当调整梯度和光照强度的实验范围。

8、分析测定呼吸速率的意义；查阅资料，探索、确定并实施呼吸作用速率的测定。

9、数据处理：①数据处理，求每个光照强度下液滴移动速率平均值，并将液滴移动速率换算为净光合速率，并建立数据表格；②运用Excel中的曲线功能构建光照强度对净光合作用速率影响的曲线模型，学生运用数学方程修正曲线获得拟合曲线。

10、分析实验数据，突破光照强度对光合作用强度的影响的知识难点。

并发现新的内容：光合作用强度超过一定值，小球藻净光合作用速率下降，引导学生分析原因，并提出对生产实践中小球藻培养条件的建议。

（五）、课题二的实施
1、引导学生查阅文献，再结合实际生产、生活设定实验的温度梯度，即15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃。

2、学生预实验：延用液滴移动装置，实验中发现温度越高，液滴移动速度跨越式提高，引导学生分析这是否为正常现象，如何测试。

学生测试方法为将温度上升到60℃，根据文献此温度下小球藻代谢极低，甚至死亡，但液滴却更快移动，引导学生分析原因，经讨论确定液滴移动是高温改变了气体压强。

引导学生寻找新的检测指标，并设计检测方法。

3、学生根据检测指标，查阅资料确定连续培养16h（小球藻8-12h繁殖一代），引导学生分析CO2的供应方式是否还使用碳酸氢钠，若不使用又如何提供，制作通气装置，实施实验。

4、记录数据，建立数据表格，运用Excel中的曲线功能构建温度对净光合作用速率影响的曲线模型，学生运用数学方程修正曲线获得拟合曲线。

5、学生对实验结果分析，并为生产提出建议。

九、实验效果评价
1、此研究过程很好的实现了STEAM教育理念，学生在生物材料的选择、光照强度梯度设置（或温度梯度设置）、温度（光照强度）和CO2浓度的控制、实验结果检测和分析中很好的运用生物学知识并构建了很好的光合作用影响因素关系的科学体系，实验过程培养学生的生物学科学素养和实验能力；同时在实验检测指标的实施过程即检测装置的设计过程中结合运用了化学、物理和生物学知识，在结果分析中运用了数学方法进行统计和处理数据、构建曲线模型，并能根据曲线分析归纳出光照强度、温度对光合作用速率的影
响，对实际生产实践提出自己的一些建议，建立了科学为生活服务的理念；此外，在光照培养箱的设计和制作过程中培养学生工程设计和实施能力；并在实验过程中感受到了科学研究的美，生命科学的美，生命的美；在实验设计和实施过程中极大的发展了创新思维，他们用创新思维解决问题、突破困境。

所以，通过怎个实验研究过程极大地提高了学生的综合素养。

2、探索式的实验教学过程中，学生愉快高效的学习了知识、突破教学难点、提升了能力。

3、学生自制的光照培养箱价格实惠、科学性高、实用性强，可以拓展性的用来研究更多的课题，例如：研究光照时间、光质对光合作用强度的影响，研究光照强度对不同生物材料的光合作用强度的影响等。

4、学生自制的检测装置简单，加上用小球藻作为实验材料，缩短实验时间、现象明显、直观，为实现全班、日常开课打下基础。

后期，可进一步完善、定制装置，在日常授课中可以进行演示课、限定课题（例探究光照强度对小球藻光合作用强度的影响）全班上课、或兴趣小组拓展实验课题，再课堂分享等。