_探究環(huán)境因素對(duì)光合作用的影響_實(shí)驗(yàn)探討_夏天

1、學(xué)研究中心。他們的研究成果為全世界遺傳學(xué)界所矚目,產(chǎn)出的論文和著作是全世界遺傳學(xué)家的必讀書和重要參考文獻(xiàn)。這個(gè)“蠅室”還培養(yǎng)了許多著名遺傳學(xué)家。我國遺傳學(xué)先驅(qū)李汝祺和談家楨,都曾在摩爾根實(shí)驗(yàn)室工作過。李汝祺1923年在摩爾根的指導(dǎo)下進(jìn)行染色體畸變對(duì)果蠅發(fā)育影響的研究,經(jīng)過3年的艱辛工作,通過了博士論文,并在1927年以題為染色體畸變?cè)诤诟构壈l(fā)育的效應(yīng)的論文發(fā)表在第1期Genetics 雜志上。談家楨1934年進(jìn)入摩爾根實(shí)驗(yàn)室,1936年獲得哲學(xué)博士學(xué)位7。以蘇聯(lián)的李森科為代表的部分學(xué)者,曾認(rèn)為摩爾根學(xué)派以果蠅為主要研究對(duì)象毫無實(shí)際意義,是不關(guān)心國計(jì)民生。事實(shí)已經(jīng)證明他們的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的,而摩爾

2、根的遺傳學(xué)理論是建立在科學(xué)基礎(chǔ)上的。從果蠅身上發(fā)現(xiàn)的遺傳規(guī)律,對(duì)其他動(dòng)植物、對(duì)人類也同樣適用。理論上有了重要發(fā)展,在實(shí)踐上也必有重要意義。主要參考文獻(xiàn)1王轉(zhuǎn)斌.果蠅復(fù)壯初探與保種技巧.濟(jì)寧學(xué)院學(xué)報(bào),2009,30(6:52.2崔北超.果蠅的采集和飼養(yǎng)管理.生物學(xué)通報(bào).2004,39(7:32.3周伯春,楊桂芳,汪珍春.果蠅的飼養(yǎng)方法.生物學(xué)教學(xué),2009,34(7:47.4龔慧明.果蠅飼養(yǎng)管理的幾個(gè)問題.生物學(xué)通報(bào),2005,40(4:5.5賈永紅.實(shí)驗(yàn)果蠅的一些飼養(yǎng)技巧和注意事項(xiàng).生物學(xué)通報(bào),2007,42(7:55.6王金發(fā),何炎明,劉兵.細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教程.2版.北京:科學(xué)出版社,201

3、1.7隋淑光.摩爾根培養(yǎng)的中國遺傳學(xué)家.生物學(xué)教學(xué),2014,39(4:64.(E -mail :1004769836 !0引言“探究環(huán)境因素對(duì)光合作用的影響”是高中生物學(xué)必修1(浙江科學(xué)技術(shù)出版社第3章第5節(jié)“光合作用”中的活動(dòng)1。該實(shí)驗(yàn)是高中生物學(xué)中第1個(gè)開放性實(shí)驗(yàn)。教材中僅提供了若干可選材料和用具:黑藻或金魚藻、水、冰塊、NaHCO 3、精密pH 試紙,100W 聚光燈、溫度計(jì)、大燒杯和不同顏色的玻璃紙。除此之外,實(shí)驗(yàn)的探究因素由學(xué)生選擇,實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)表格由學(xué)生設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)結(jié)果由學(xué)生分析。教材的編寫者將該活動(dòng)安排于光合作用過程和環(huán)境因素影響光合速率之間,意在鍛煉學(xué)生自主探究的能力,培養(yǎng)學(xué)

4、生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。1實(shí)驗(yàn)思路和實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)之前,教師可以問學(xué)生:“利用教材中給出的材料用具,你可以探究哪些環(huán)境因素對(duì)光合作用的影響?”學(xué)生會(huì)給出以下回答:溫度(水、冰塊、CO 2濃度(水、NaHCO 3、光強(qiáng)度(100W 聚光燈和不同顏色的光(不同顏色的玻璃紙。此時(shí),可以讓學(xué)生自由發(fā)揮,回顧已有知識(shí),思考還有哪些其他因素會(huì)影響光合作用,例如水、無機(jī)鹽和酶活性等。當(dāng)確定探究因素(光強(qiáng)度、溫度或CO 2濃度等后,首先考慮的問題是如何量化這些因素對(duì)光合作用的影響?？梢酝ㄟ^一定時(shí)間內(nèi)光合作用原料的消耗量或產(chǎn)物的生成量來衡量,例如,用精密pH 試紙測(cè)定在密閉系統(tǒng)中黑藻經(jīng)光合作用后溶液pH 的改變,

5、推算出CO 2濃度的變化,或用排水法收集一定時(shí)間內(nèi)黑藻經(jīng)光合作用所產(chǎn)生的O 22。明確了探究因素和量化光合作用的方法,就要開始實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)。此時(shí),幫助學(xué)生回憶初中“探究環(huán)境因素對(duì)光合作用的影響”實(shí)驗(yàn)探討夏天1魏昌瑛2(1浙江省余姚市第四中學(xué)浙江余姚3154002浙江省杭州市第二中學(xué)浙江杭州310053摘要從實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的呈現(xiàn)等方面探討“探究環(huán)境因素對(duì)光合作用的影響”實(shí)驗(yàn),并以葉圓片進(jìn)行“CO 2濃度對(duì)光合作用的影響"實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行詳細(xì)描述。關(guān)鍵詞環(huán)境因素光合作用開放性實(shí)驗(yàn)中國圖書分類號(hào):G633.91文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B科學(xué)中“綠葉在光照下制造淀粉”“光合作用產(chǎn)生氧氣”“光

6、合作用吸收二氧化碳”和“沉入水底的葉圓片為什么會(huì)浮上水面”等實(shí)驗(yàn)3,以此為基礎(chǔ),可以設(shè)計(jì)出多種實(shí)驗(yàn)裝置(圖1。圖1實(shí)驗(yàn)裝置示意圖3圖1A所示裝置通過檢測(cè)淀粉衡量光合強(qiáng)度。例如,探究光強(qiáng)度對(duì)光合作用的影響,首先將若干株植物放在暗室過夜,以便消耗葉片中已有的淀粉,然后等分成若干組,用不同強(qiáng)度的光照射,一段時(shí)間后,摘下葉片,放入如圖1A所示的裝置。小燒杯中為95%乙醇,大燒杯中為蒸餾水,熱水浴,葉綠素溶解到乙醇中,使葉片脫色。取出葉片,蒸餾水漂洗后滴加碘-碘化鉀溶液,根據(jù)染色的程度判斷光合強(qiáng)度。用這種方法同樣可以探究溫度、CO2濃度等對(duì)光合作用的影響。圖1B所示裝置通過收集O2衡量光合強(qiáng)度。例如,同

7、樣探究光強(qiáng)度對(duì)光合作用的影響,首先在燒杯中盛蒸餾水,放入金魚藻,將漏斗倒置蓋住金魚藻,將帶塞的玻璃管扣在漏斗口。同樣的裝置準(zhǔn)備若干個(gè),分別用不同強(qiáng)度的光照射,一段時(shí)間后,打開塞子,迅速將帶火星的衛(wèi)生香伸入玻璃管,根據(jù)復(fù)燃的快慢和燃燒的劇烈程度判斷O2量,從而反映光合強(qiáng)度。圖1C所示裝置根據(jù)葉圓片上浮的數(shù)量來判斷光合強(qiáng)度。依然以探究光強(qiáng)度對(duì)光合作用的影響為例,用打孔器制備若干葉圓片,置于蒸餾水中,然后手指蓋住注射器口,將葉圓片連同水倒入注射器,排出注射器內(nèi)殘留空氣,再用橡膠塞封住注射器口,向外拉活塞,使葉圓片內(nèi)的氣體逸出,重復(fù)幾次后,葉圓片全部沉入水中。接著,將葉圓片平均分成若干份,置于裝有蒸餾

8、水的燒杯中,葉圓片全部沉入燒杯底部,將燒杯分別置于不同強(qiáng)度的光下,由于光合作用會(huì)產(chǎn)生O2,而O2在水中的溶解度很低,當(dāng)光合速率大于呼吸速率時(shí),葉圓片表面會(huì)產(chǎn)生越來越多的小氣泡。當(dāng)葉圓片及其表面氣泡的浮力大于葉圓片重力時(shí),葉圓片就會(huì)上浮。單位時(shí)間內(nèi)葉圓片上浮的數(shù)量或上浮一定數(shù)量葉圓片所需時(shí)間,即反映光合強(qiáng)度。以上3種實(shí)驗(yàn)裝置學(xué)生根據(jù)已有的初中知識(shí)即可提出。這些裝置是否合適?以探究光強(qiáng)度對(duì)光合作用的影響為例,圖1A和圖1B所示裝置如果只進(jìn)行對(duì)照(遮光處理和光照處理,實(shí)驗(yàn)結(jié)果是明顯的。但若要進(jìn)行不同強(qiáng)度光照處理,可能精確度還不夠,光強(qiáng)度鄰近的幾組結(jié)果會(huì)較難區(qū)分,所以前2個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置更適合定性研究。也可

9、以對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行適當(dāng)改造,例如圖1B所示裝置,舍去玻璃管,直接在漏斗口接一根橡膠管,密封燒杯,然后橡膠管的另一端接注射器,產(chǎn)生的O2會(huì)推動(dòng)注射器的活塞,注射器的刻度變化即可反映光合強(qiáng)度。此外,也不一定要用燒杯和漏斗,可以簡(jiǎn)化成錐形瓶、廣口瓶或大試管等,在其中裝水或NaHCO3溶液(在一定時(shí)間內(nèi)可較穩(wěn)定地提供CO2,放入金魚藻,塞上帶導(dǎo)管的塞子;除了可用注射器測(cè)量產(chǎn)生的O2量,還可在導(dǎo)管中加一滴有色液滴,再配合刻度尺,也可以測(cè)量O2量,或用含有色液體的U形毛細(xì)玻璃管,配合刻度尺;再者,還可用排水法測(cè)量O2的產(chǎn)量?？梢詥l(fā)學(xué)生設(shè)計(jì)各種實(shí)驗(yàn)裝置,達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康募纯?。在本?shí)驗(yàn)中,選擇圖1C所示裝置進(jìn)行實(shí)

10、驗(yàn),因?yàn)閷W(xué)生在初中時(shí)對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)過程已有了解。此外,人教版教材中也使用該方法探究環(huán)境因素對(duì)光合作用的影響4。經(jīng)過預(yù)實(shí)驗(yàn),圖1C實(shí)驗(yàn)裝置現(xiàn)象明顯且區(qū)分度高,適合進(jìn)行定量研究。3實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)圖1C所示裝置除了可探究光強(qiáng)度對(duì)光合作用的影響,也可探究其他因素對(duì)光合作用的影響。教材要求學(xué)生設(shè)計(jì)單因子對(duì)照實(shí)驗(yàn),因此,在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中,學(xué)生需注意若干細(xì)節(jié):實(shí)驗(yàn)僅需研究一種環(huán)境因素(自變量,其他環(huán)境因素(無關(guān)變量保持不變,需設(shè)置對(duì)照組,且要重復(fù)實(shí)驗(yàn)。因變量(光合強(qiáng)度由單位時(shí)間內(nèi)葉圓片上浮的數(shù)量衡量。若探究光強(qiáng)度對(duì)光合作用的影響,首先遇到的問題是如何調(diào)節(jié)光強(qiáng)度,2種策略:一種方法是使用光強(qiáng)度可調(diào)的光源或不同功

11、率的光源;另一種方法是使用教材中的可選材料100W聚光燈,通過調(diào)節(jié)光源與實(shí)驗(yàn)裝置的距離調(diào)節(jié)光強(qiáng)度。在初中科學(xué)中學(xué)生已學(xué)過光強(qiáng)度與距離之間的關(guān)系:被上浮的葉圓片數(shù)量(片蒸餾水0.5%NaHCO 31%NaHCO 3 1.5%NaHCO 32%NaHCO 32min 07111044min1516137時(shí)間照面單位面積上的光輻射量隨離開點(diǎn)光源的距離增大而迅速減小。只要改變實(shí)驗(yàn)裝置與聚光燈之間的距離,即可改變光強(qiáng)度。以第2種方法為例,方案如下:設(shè)置1組對(duì)照組(光強(qiáng)度為0,即遮光處理,再設(shè)若干實(shí)驗(yàn)組,相鄰2組間的光強(qiáng)度差值相等,其他條件一致,每組3次重復(fù)即可。若要探究溫度對(duì)光合作用的影響,方案也是相似

12、的,可將不同比例的冰水混合來達(dá)到不同溫度,還可加入熱水,使溫度范圍更大。如有恒溫水浴鍋則更便于實(shí)驗(yàn)。若探究CO 2濃度對(duì)光合作用的影響,則用蒸餾水為對(duì)照組,再設(shè)置若干實(shí)驗(yàn)組,加入不同比例的NaHCO 3即可(HCO 3-水解產(chǎn)生H 2CO 3,H 2CO 3不穩(wěn)定,分解產(chǎn)生CO 2。此外,教材中提供的材料還可以用于不同顏色的光對(duì)光合作用的影響,只要將不同顏色的玻璃紙隔在實(shí)驗(yàn)裝置和聚光燈之間即可。在這些環(huán)境因素中,選擇CO 2濃度作為研究對(duì)象,以此為例進(jìn)一步介紹。值得注意的一點(diǎn)是,進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)時(shí)使用黑藻或金魚藻是不合適的,選用菠菜效果較好(也可選擇其他合適材料,因?yàn)椴げ巳~肉肥厚、疏松,容易抽出葉片

13、中的氣體,且葉片較大,方便制備葉圓片。4預(yù)實(shí)驗(yàn)在正式實(shí)驗(yàn)之前,應(yīng)確定設(shè)置的NaHCO 3實(shí)驗(yàn)組濃度在什么范圍。首先應(yīng)明確NaHCO 3的溶解度,若在20條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),此時(shí)100g 水中可溶解9.6g NaHCO 3,則NaHCO 3的質(zhì)量濃度為8.76%,這意味著20時(shí)實(shí)驗(yàn)組NaHCO 3溶液的濃度上限為8.76%,實(shí)驗(yàn)時(shí)可在此范圍內(nèi)設(shè)置濃度梯度。此外,王鋼等5的實(shí)驗(yàn)表明,以菠菜作為實(shí)驗(yàn)材料時(shí),NaHCO 3濃度以2%為佳(15。因此在預(yù)實(shí)驗(yàn)中將濃度梯度設(shè)置為0、1%、2%、3%和4%,每組20片葉圓片,實(shí)驗(yàn)溫度為20,相同光照下(上午,日光,2min 后,1%NaHCO 3組上浮葉圓片20

14、片,2%NaHCO 3組上浮17片,3%NaHCO 3組上浮12片,蒸餾水組和4%NaHCO 3組未見上浮;4min 后,除蒸餾水組葉圓片未見上浮,其他組所有葉圓片上浮。由于NaHCO 3溶液在常溫下能產(chǎn)生CO 2,葉圓片的上浮是否會(huì)由CO 2氣泡附著引起?設(shè)置了一個(gè)對(duì)照組,將含有20片葉圓片的4%NaHCO 3溶液遮光處理,相同時(shí)間后未見葉圓片上浮。這就說明NaHCO 3溶液產(chǎn)生的CO 2不足以引起葉圓片上浮。由此可以大致確定此條件下最佳NaHCO 3濃度在1%或1%附近。因此,在正式實(shí)驗(yàn)中,確定了0、0.5%、1.0%、1.5%和2%的濃度梯度。5實(shí)驗(yàn)步驟和結(jié)果“CO 2濃度對(duì)光合作用的影

15、響”實(shí)驗(yàn)步驟如下:1取新鮮的菠菜葉,用直徑為0.5cm 的打孔器打出若干葉圓片(避開大葉脈;2使用注射器抽出葉圓片中的氣體,將葉圓片放入盛有蒸餾水的燒杯(葉圓片沉入水底,遮光;3設(shè)置5組,向各組燒杯中分別加入蒸餾水、質(zhì)量濃度為0.5%的NaHCO 3、質(zhì)量濃度為1%的NaHCO 3、質(zhì)量濃度為1.5%的NaHCO 3和質(zhì)量濃度為2%的NaHCO 3,再向各組燒杯中放入20片葉圓片,置于20和相同光強(qiáng)度條件下(下午,日光,在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行2min 和4min 時(shí)記錄上浮葉圓片的數(shù)量,每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,記錄數(shù)據(jù),求平均值(取整數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示,可以看出,20時(shí),在實(shí)驗(yàn)的幾種NaHCO 3濃度下,1

16、%NaHCO 3最有利于光合作用。在本實(shí)驗(yàn)中,應(yīng)注意實(shí)際上衡量的因變量是表觀光合速率,在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中可以認(rèn)為呼吸速率是不變的。表1不同NaHCO 3濃度下菠菜葉圓片上浮的數(shù)量浙江省普通高中學(xué)科教學(xué)指導(dǎo)意見生物(2014版中寫道:本活動(dòng)最后要用具體的數(shù)據(jù)來說明結(jié)果,因此活動(dòng)過程中數(shù)據(jù)的獲得、記錄和分析,以及繪制折線圖是本活動(dòng)的重點(diǎn)6。在初中階段,學(xué)生已掌握條形圖、折線圖和扇形圖等統(tǒng)計(jì)圖,并會(huì)用Excel 繪制這些統(tǒng)計(jì)圖,而且,在高中的信息技術(shù)課中進(jìn)一步鞏固了相關(guān)知識(shí)。使用Excel 將表1的數(shù)據(jù)繪成折線圖,如圖2所示。學(xué)生由此圖可以得出光合強(qiáng)度隨CO 2濃度變化的規(guī)律在一定范圍內(nèi),光合強(qiáng)度隨C

17、O 2濃度的增高而增高。在實(shí)驗(yàn)時(shí),可以設(shè)置更多的實(shí)驗(yàn)組,這樣得到的折線會(huì)更接近于光滑曲線,變化趨勢(shì)也越明顯。此外,當(dāng)NaHCO 3濃度較高時(shí),反而減弱光合強(qiáng)度,此時(shí)可以引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已有知識(shí)解釋這一現(xiàn)象,例如,CO 2濃度過高會(huì)抑制細(xì)胞呼吸,進(jìn)而影響光合作用。圖2不同NaHCO3濃度對(duì)菠菜葉圓片上浮的影響在實(shí)驗(yàn)過程中,學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)盡管制備葉圓片時(shí)用同一株菠菜,且葉圓片直徑相等,還是會(huì)有一些“與眾不同”的葉圓片。以一組實(shí)驗(yàn)為例,實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到7min時(shí),蒸餾水組未見葉圓片上浮,0.5% NaHCO3組、1%NaHCO3組和1.5%NaHCO3組均上浮19片葉圓片,2%NaHCO3組上浮13片葉圓片;直到

18、10min時(shí),0.5%NaHCO3組的最后一片葉圓片才上浮,直到19.5min時(shí),1%NaHCO3組和1.5%NaHCO3組的最后一片葉圓片才同時(shí)上浮。學(xué)生能直觀地看出最后的葉圓片應(yīng)當(dāng)算作實(shí)驗(yàn)的“誤差”。通過這個(gè)例子,還能理解為何每組實(shí)驗(yàn)放入20片葉圓片樣本量較大時(shí),個(gè)體差異對(duì)結(jié)果的影響越小。6教學(xué)探討本實(shí)驗(yàn)是一個(gè)開放性實(shí)驗(yàn),可以安排4人一組進(jìn)行探究。在實(shí)驗(yàn)之初,學(xué)生要根據(jù)已掌握的光反應(yīng)、碳反應(yīng)和影響酶作用的因素等知識(shí),結(jié)合生活常識(shí),充分討論,提出值得探究的問題,建立假設(shè)。當(dāng)確定研究目標(biāo)后,學(xué)生需要下操作性定義,將抽象的概念轉(zhuǎn)換成可觀測(cè)、可檢驗(yàn)的項(xiàng)目,例如,本實(shí)驗(yàn)中用O2的產(chǎn)量來衡量光合強(qiáng)度,

19、而O2的產(chǎn)量則又用單位時(shí)間內(nèi)上浮的葉圓片數(shù)量衡量。接著,學(xué)生需要設(shè)計(jì)詳細(xì)的單因子對(duì)照實(shí)驗(yàn)方案,在此過程中,需要運(yùn)用許多已掌握的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)知識(shí),例如控制變量、對(duì)照實(shí)驗(yàn)、重復(fù)實(shí)驗(yàn)等,通過小組內(nèi)的討論和組間的匯報(bào)交流,完善實(shí)驗(yàn)方案。之后,便是實(shí)驗(yàn)表格的設(shè)計(jì),以呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)。最后,學(xué)生還需要解釋這些數(shù)據(jù),以折線圖的形式直觀地呈現(xiàn)數(shù)據(jù)及其所代表的意義。此活動(dòng)充分鍛煉了學(xué)生的科學(xué)思維能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手操作能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中獲得、記錄并分析數(shù)據(jù),繪制折線圖,得出正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論,不僅獲得了新知、加深了對(duì)光合作用的理解,更提高了實(shí)驗(yàn)技能和解決問題的能力。除此之外,實(shí)驗(yàn)還是檢驗(yàn)學(xué)生已掌握

20、的知識(shí)情況、鍛煉學(xué)生縝密思維的好方法。例如,若要探究“光強(qiáng)度對(duì)光合作用的影響”,需要注意“光強(qiáng)度與距離的平方成反比”7,設(shè)置光源與實(shí)驗(yàn)裝置距離時(shí)不能想當(dāng)然地認(rèn)為相鄰2個(gè)實(shí)驗(yàn)組距離的差值相等即可。再如本實(shí)驗(yàn),要注意作為對(duì)照組的蒸餾水,也是含有CO2的。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,20時(shí)1體積水可溶解0.878體積CO2。如果實(shí)驗(yàn)時(shí)氣溫較低,則酶活性也會(huì)較低,若想加快實(shí)驗(yàn)該如何處理?可以將實(shí)驗(yàn)裝置放置在恒溫水浴鍋中,設(shè)定溫度即可;或用熱水調(diào)配水溫。作為開放性實(shí)驗(yàn),應(yīng)當(dāng)盡可能地幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)想。除前文所述的實(shí)驗(yàn)方案外,還有很多實(shí)驗(yàn)方案。例如,以黑藻作為材料,制成臨時(shí)裝片,可探究環(huán)境因素對(duì)光合作用的影響,光合強(qiáng)度可在顯微鏡下計(jì)數(shù)單位時(shí)間釋放的氣泡(O2數(shù)衡量8。此方案還有一個(gè)