人教版高中《分子與細(xì)胞》必修一第五章第四節(jié)能量之源 光和光合作用探究環(huán)境因素對(duì)光合作用的影響

/探究環(huán)境因素對(duì)光合作用的影響使用教材人教版高中?分子與細(xì)胞?必修一,第五章第四節(jié)能量之源——光和光合作用中安排的一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)器材細(xì)葉蜈蚣草、光合呼吸實(shí)驗(yàn)裝置、光照強(qiáng)度傳感器、溫度傳感器、酵母菌培養(yǎng)液,錐形瓶、打孔軟管、數(shù)據(jù)采集器以及數(shù)據(jù)分析軟件等。實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新要點(diǎn)學(xué)生們認(rèn)為課本上探究環(huán)境因素對(duì)光合作用的影響的實(shí)驗(yàn)過程有一定的缺乏之處,比方他們認(rèn)為在制備實(shí)驗(yàn)材料時(shí),打孔器制取的葉圓片多會(huì)卷邊或破損,從而破壞了小圓形葉片的生理狀態(tài),打孔的過程很難保證所有葉片的生理狀態(tài)的一致性。在用注射器抽取小圓形葉片內(nèi)的氣體時(shí),注射器抽除葉圓片內(nèi)的氣體的過程很困難。用植物葉片距離光源的遠(yuǎn)近來代表光照強(qiáng)度,無法定量自變量光照強(qiáng)度的變化,只能定性的描述光照強(qiáng)度對(duì)其有影響,并且到底有著什么樣的影響并不能很完整的描述。有些同學(xué)還認(rèn)為在檢測(cè)指標(biāo)的選擇上,用小圓形葉片上浮速率代表光合作用的速率也存在著缺乏,小圓形葉片上浮所需的時(shí)間較長(zhǎng),其次葉片的上浮和植物的光合作用一定存在著必然的聯(lián)系嗎？如何更加直觀的顯示出氧氣的產(chǎn)生呢？針對(duì)上述問題,我們給出了如下的解決方法：材料用具的選擇〔1〕材料的選擇：本實(shí)驗(yàn)選擇了一種容易取材的水生植物細(xì)葉蜈蚣草作為實(shí)驗(yàn)材料。它的生長(zhǎng)對(duì)光照和溫度均有一定的需求,便于分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果,而且生長(zhǎng)迅速便于實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的檢測(cè)?！?〕檢測(cè)指標(biāo)的選擇：運(yùn)用溶解氧傳感器直接定量檢測(cè)一定時(shí)間內(nèi)光合作用釋放出氧氣的含量,以代表植物光合作用強(qiáng)度。2.自制實(shí)驗(yàn)器材〔1〕利用自制光合作用恒溫盒以及溫度傳感器代替水浴鍋進(jìn)行溫度的控制?！?〕利用可以無極調(diào)光的LED燈以及光照強(qiáng)度傳感器定量的控制光照強(qiáng)度?！?〕運(yùn)用可變顏色的彩色光帶在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中改變光質(zhì)。3.其他方面運(yùn)用酵母菌的呼吸作用制備富含二氧化碳的清水。三、實(shí)驗(yàn)原理利用光學(xué)溶解氧傳感器檢測(cè)植物光合作用產(chǎn)生氧氣的速率。氧氣的產(chǎn)生速率代表植物光合作用強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)〔1〕理性思維目標(biāo)學(xué)生在不斷地解決問題的過程中,解釋光合作用的現(xiàn)象,探究光合作用的規(guī)律,并且能夠說出影響光合作用的因素?！?〕科學(xué)探究目標(biāo)設(shè)計(jì)實(shí)施恰當(dāng)可行的方案,創(chuàng)造性地運(yùn)用數(shù)學(xué)方法分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。能夠基于事實(shí)和證據(jù),采用推理、建模等方法在遇到問題時(shí),做出正確決策并解決問題?！?〕社會(huì)責(zé)任目標(biāo)學(xué)生能夠形成熱愛生命的觀念,養(yǎng)成保護(hù)環(huán)境的習(xí)慣,并可以提出保護(hù)水環(huán)境的一些建議。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容本節(jié)課選取光照強(qiáng)度,溫度以及光質(zhì)三個(gè)環(huán)境因素進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下回憶光合作用的原理和應(yīng)用,然后在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。教師通過引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析,表達(dá)與交流等過程,完本錢節(jié)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程〔一〕實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備教師提出相關(guān)問題：①進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的根本原那么是什么呢？學(xué)生答復(fù)：實(shí)驗(yàn)的根本原那么是科學(xué)性原那么,單一變量原那么,重復(fù)性原那么,等量原那么,以及對(duì)照原那么。根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的根本原那么,我們需要做哪些實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備呢？教師提出如下引導(dǎo)性的問題：①適合本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)材料應(yīng)該具有哪些特點(diǎn)呢？②可以用什么作為實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)指標(biāo)來反響光合作用速率呢？③在整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程中可以選擇環(huán)境中的哪些因素來探究其對(duì)植物光合作用的影響呢？你將用什么樣的方法來控制實(shí)驗(yàn)的自變量呢？學(xué)生經(jīng)過討論后,給出答復(fù)：①選擇的植物應(yīng)該具備生長(zhǎng)迅速,易于取材,生命力旺盛等特點(diǎn)。②可以用單位時(shí)間內(nèi)反響物的消耗量或者產(chǎn)物的生成量來代表一個(gè)反響的反響速率。可以選擇用一定時(shí)間內(nèi)二氧化碳的吸收量,有機(jī)物的積累量或者氧氣的釋放量來反響植物進(jìn)行光合作用的強(qiáng)弱。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,可以選擇光學(xué)溶解氧傳感器檢測(cè)植物釋放氧氣的情況。③在影響光合作用的因素中我們選擇光照強(qiáng)度,溫度和光質(zhì)三種因素來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在對(duì)光照強(qiáng)度的控制上,選擇不同瓦數(shù)的LED燈以及光照強(qiáng)度傳感器控制光照強(qiáng)度；在對(duì)光質(zhì)的控制上,用可以遙控改變光質(zhì)的光帶進(jìn)行控制；在對(duì)溫度的控制上,選擇自制的光合作用恒溫盒以及溫度傳感器進(jìn)行溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。結(jié)合課前的探究,學(xué)生們制作出了一個(gè)光合呼吸實(shí)驗(yàn)裝置〔圖1〕,在這個(gè)裝置中可以探究光合作用和呼吸作用,以及探究改變?nèi)N環(huán)境因素對(duì)細(xì)葉蜈蚣草光合作用的影響?！矆D1光合呼吸實(shí)驗(yàn)裝置〕〔二〕進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)生自發(fā)形成三個(gè)小組,每組探究一種環(huán)境因素對(duì)光合作用的影響。第一小組：探究溫度對(duì)光合作用的影響學(xué)生選擇如下實(shí)驗(yàn)材料：自制的光合作用恒溫盒〔圖2〕、細(xì)葉蜈蚣草、熱水、保溫杯、冷水、溫度傳感器、溶解氧傳感器、LED燈、酵母菌培養(yǎng)液等,并按照以下實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：用冷水和熱水分別調(diào)成,15℃、20℃、25℃、30℃、35℃等五個(gè)溫度梯度?！?〕在光合作用恒溫盒內(nèi)加400ML不同溫度的水并參加50g細(xì)葉蜈蚣草?！?〕把溫度傳感器和溶解氧傳感器放入方形盒中,連接溫度傳感器進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)過程中的溫度變化,連接溶解氧傳感器檢測(cè)光合作用釋放的氧氣。〔4〕翻開光源,記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果?！矆D2內(nèi)層材質(zhì)為塑料,中層為隔熱透明軟塑膠假設(shè)干層,外層為透明膠帶密封〕第二組：探究光照強(qiáng)度對(duì)光合作用的影響學(xué)生選擇如下實(shí)驗(yàn)材料：光合作用恒溫盒、細(xì)葉蜈蚣草、溶解氧傳感器、LED燈、酵母菌培養(yǎng)液等,按如下實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：〔1〕在光合作用恒溫盒內(nèi)加400ML不同溫度的水并參加50g細(xì)葉蜈蚣草?！?〕把溶解氧傳感器放入恒溫盒中,連接溶解氧傳感器檢測(cè)光合作用釋放的氧氣,并且同時(shí)連接光合日照傳感器到數(shù)據(jù)采集器?！?〕0到200秒作為對(duì)照不補(bǔ)充光源,200秒后翻開一個(gè)固定光源,,400秒后再增加光照強(qiáng)度至480μmolm-2s-1,600秒后再增加光照強(qiáng)度至620μmolm-2s-1〔如圖3〕。觀察整個(gè)過程中溶解氧的變化曲線有什么異同?！?〕將光照強(qiáng)度調(diào)控在1000μmolm-2s-1,觀察細(xì)葉蜈蚣草草在強(qiáng)光下的溶解氧的產(chǎn)生情況?！?〕記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果?！矆D3光照強(qiáng)度對(duì)光合作用的影響〕第三組：探究光質(zhì)對(duì)光合作用的影響學(xué)生選擇如下實(shí)驗(yàn)材料：光合作用恒溫盒、細(xì)葉蜈蚣草、彩色濾光片、溶解氧傳感器、LED燈、酵母菌培養(yǎng)液等,按照以下實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：〔1〕在光合作用恒溫盒內(nèi)加400ML不同溫度的水并參加50g細(xì)葉蜈蚣草?！?〕把溶解氧傳感器放入恒溫盒中,連接溶解氧傳感器檢測(cè)光合作用釋放的氧氣?！?〕翻開光帶的開關(guān),用控制器把光照調(diào)成綠色,觀察一段時(shí)間后,把綠色換成紅色光源照射。觀察整個(gè)過程中溶解氧的變化曲線有什么異同?！?〕記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果?！矆D4不同光質(zhì)對(duì)光合作用的影響〕〔三〕表達(dá)與交流表達(dá)與交流分為兩個(gè)環(huán)節(jié),教師提問學(xué)生討論答復(fù)以及學(xué)生分享各自的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。第一環(huán)節(jié)根據(jù)每組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo),教師提出如下問題：①曲線的什么可以代表氧氣的產(chǎn)生快慢？②根據(jù)課前測(cè)量的各個(gè)溫度下的植物的呼吸作用強(qiáng)度,你能知道植物實(shí)際光合作用速率是多少嗎？③如何利用呼吸作用和光合作用原理提高農(nóng)作物產(chǎn)量？④在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中如何合理地控制光照強(qiáng)度？為什么光照強(qiáng)度過高會(huì)出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象？⑤光合色素吸收最多的光是藍(lán)紫光,植物利用最有效的光為什么是紅光？人為的補(bǔ)充光源,應(yīng)補(bǔ)充什么顏色的光源最有效？結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果,學(xué)生經(jīng)過思考討論后給出如下答復(fù)：①曲線的斜率可以代表光合作用速率。②在黑暗條件下測(cè)出植物呼吸作用消耗氧氣的速率,進(jìn)而求出植物的實(shí)際光合作用速率。③在實(shí)際的生產(chǎn)中,我們可以在白天適當(dāng)?shù)奶岣邷囟鹊囊栽黾庸夂献饔脧?qiáng)度,夜晚適當(dāng)降低溫度來降低呼吸作用強(qiáng)度,從而提高有機(jī)物的積累量。④不同植物對(duì)光照強(qiáng)度的要求不同,根據(jù)不同植物對(duì)光照強(qiáng)度的需要適當(dāng)?shù)目刂乒庹諒?qiáng)度。光照過強(qiáng)會(huì)抑制細(xì)葉蜈蚣草的光合作用,也就是會(huì)出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象〔圖5〕。⑤光合色素吸收的藍(lán)光所產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)分子,先失去局部能量進(jìn)入第一單線態(tài)后,才能將能量傳出用于光合作用,即光合作用的有效光是紅光。植物主要吸收紅光和藍(lán)紫光,幾乎不吸收綠光,但是不是不吸收綠光?！矆D5光照強(qiáng)度為1000μmolm-2s-1溶解氧的產(chǎn)生情況〕2.第二環(huán)節(jié)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果的交流與分享各小組經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：〔1〕溫度影響細(xì)葉蜈蚣草的光合作用強(qiáng)度,在該實(shí)驗(yàn)條件下,溫度在25℃最有利于植物的光合作用〔圖6〕,在黑暗條件下,溫度在30℃最有利于其進(jìn)行呼吸作用〔圖7〕?！?〕光照強(qiáng)度影響細(xì)葉蜈蚣草的光合作用強(qiáng)度,在該實(shí)驗(yàn)條件下,補(bǔ)充一定強(qiáng)度的光照強(qiáng)度可以提高細(xì)葉蜈蚣草的光合作用速率,但當(dāng)光照強(qiáng)度到達(dá)一定從強(qiáng)度以后,光合作用速率不在隨著光照強(qiáng)度的增加而增加〔圖8〕?！?〕光質(zhì)的改變影響細(xì)葉蜈蚣草的光合作用速率,在其他條件相同的條件下,植物光合作用最有效的光是紅光〔圖9〕?！矆D6溫度為25℃,溶解氧的產(chǎn)生速率〕〔圖7溫度為30℃、,溶解氧的消耗速率〕〔圖8光照強(qiáng)度對(duì)光合作用的影響〕〔圖9光質(zhì)對(duì)光合作用的影響〕通過學(xué)生的表達(dá)和交流,有的學(xué)生自發(fā)組成的興趣小組,對(duì)自然環(huán)境中的溶解氧含量或者其他指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè),例如他們利用溶解氧傳感器,電導(dǎo)率傳感器以及PH傳感器和溫度傳感器,對(duì)蚌埠龍子湖的水進(jìn)行了檢測(cè),進(jìn)一步提高了學(xué)生對(duì)自然科學(xué)的興趣。實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)1.創(chuàng)新之處〔1〕在選材方面本實(shí)驗(yàn)選擇了一種生長(zhǎng)迅速,容易取材的水生植物?！?〕溶解氧傳感器檢定量測(cè)