探究環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度影響的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

探究環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度影響的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)一、使用教材

人民教育出版社，高中《生物學(xué)》必修一第五章第四節(jié)二、實(shí)驗(yàn)器材（一）實(shí)驗(yàn)材料：小球藻（二）實(shí)驗(yàn)藥品：1%碳酸氫鈉溶液、氫氧化鈉固體、芒果汁（三）實(shí)驗(yàn)器材1、自制光照培養(yǎng)箱2、自制檢測(cè)裝置3、顯微鏡、血細(xì)胞計(jì)數(shù)板、滴管、三角瓶、電子秤、燒杯三、實(shí)驗(yàn)背景學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)掌握了光合作用和細(xì)胞呼吸的相關(guān)知識(shí)，并已經(jīng)全班性的完成教材中“探究光照強(qiáng)弱對(duì)光合作用強(qiáng)度影響”實(shí)驗(yàn)，能理解光照強(qiáng)度增強(qiáng)，光合作用強(qiáng)度隨之增強(qiáng)。學(xué)生學(xué)習(xí)到光合作用與呼吸作用關(guān)系部分時(shí)，學(xué)生回頭分析這個(gè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)他們測(cè)得的小圓片上浮速率是反映凈光合速率的，只是呼吸速率不變時(shí)，凈光合作用速率的變化可反映光合作用速率的變化。但學(xué)生產(chǎn)生新的疑問，小圓片上浮，意味著凈光合作用速率大于0，但光照弱時(shí)，根據(jù)理論推導(dǎo)凈光合速率可能等于0或小于0，這又如何用實(shí)驗(yàn)直觀證明呢，教材實(shí)驗(yàn)無法實(shí)現(xiàn)。而且，在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，僅僅是理論分析光照強(qiáng)度對(duì)凈光合作用速率的影響曲線，學(xué)生很難理解，如果學(xué)生能通過實(shí)驗(yàn)直觀感受，這個(gè)教學(xué)難點(diǎn)會(huì)更易突破。所以，開展探究系列光照強(qiáng)度梯度對(duì)光合作用強(qiáng)度影響實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)構(gòu)建光照強(qiáng)度對(duì)凈光合作用速率影響曲線是非常必要的。只是這個(gè)實(shí)驗(yàn)沒有現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，于是，引導(dǎo)一部分感興趣的同學(xué)率先開展了本次的探索實(shí)驗(yàn)，也期望通過這次探索實(shí)驗(yàn)，能制作出科學(xué)、實(shí)用的研究裝置和成熟的實(shí)驗(yàn)方案，為全班、日常開設(shè)此實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ)。四、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)要點(diǎn)（一）教育理論--STEAM教育理論本課程貫穿STEAM教育理論，該理論突破了傳統(tǒng)的學(xué)科界限，鼓勵(lì)學(xué)生在科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)和藝術(shù)五個(gè)方面協(xié)同發(fā)展，培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維，綜合能力強(qiáng)的學(xué)生。（二）教學(xué)方法--探究式教學(xué)法在探究式教學(xué)法中，教師起引導(dǎo)作用，學(xué)生是主體，學(xué)生主動(dòng)探索問題、解決問題，建立自己的認(rèn)知體系。（三）實(shí)驗(yàn)材料--小球藻小球藻是一種光能自養(yǎng)型的單細(xì)胞真核生物，繁殖周期短（8-12h),易培養(yǎng)，成本低；實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)的是群體代謝反應(yīng)，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，易觀察，這使光照強(qiáng)度梯度的梯度設(shè)置小時(shí)，相鄰實(shí)驗(yàn)組之間的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也會(huì)有顯著差異，而教材小圓片作為實(shí)驗(yàn)材料則會(huì)發(fā)生某些相鄰組間無顯著差異。

（四）實(shí)驗(yàn)裝置1、學(xué)生自制了可以精確控制光照強(qiáng)度和溫度的培養(yǎng)箱，該培養(yǎng)箱還可實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度和溫度的系列梯度實(shí)驗(yàn)，有利于學(xué)生構(gòu)建光照強(qiáng)度和溫度對(duì)光合作用強(qiáng)度影響的曲線模型。（1）自制光源：2根6w的LED燈條串聯(lián)組成12W一組，三組由一個(gè)分段控制器控制調(diào)控分別亮一組、兩組或三組，實(shí)現(xiàn)12W、24W、36W光照強(qiáng)度（如圖1），一共兩組裝備在箱體中，箱體頂端有三個(gè)LED等接口（如圖2），可以繼續(xù)擴(kuò)大光照強(qiáng)度的研究范圍。且實(shí)驗(yàn)中兩根6W的LED燈可拆開，單獨(dú)連接，就可使光照強(qiáng)度的梯度縮小至6W，光照強(qiáng)度可以由最小6W開始不斷升高。（2）自制溫度控制器：帶溫度控制器、溫度探頭的制冷裝置1個(gè)（如圖3），加熱燈1個(gè)，箱蓋中溫度控制器和溫度探頭與加熱燈連接（如圖4）。此溫控裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)溫度的較精確控制，以及進(jìn)行系列溫度梯度實(shí)驗(yàn)。原理是，實(shí)驗(yàn)過程中，即使是6W的光照強(qiáng)度下，實(shí)驗(yàn)過程中，培養(yǎng)箱中的溫度也會(huì)很快上升，所以當(dāng)設(shè)置的實(shí)驗(yàn)溫度低于實(shí)驗(yàn)光照強(qiáng)度能引起的最大上升溫度時(shí)，需通過制冷裝備制冷，機(jī)制是與制冷裝置相連接的溫度控制器上設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度，與制冷裝置連接的溫度探頭黏貼在反應(yīng)瓶（裝有小球藻的錐形瓶）上（以達(dá)到更準(zhǔn)確的檢測(cè)反應(yīng)體系溫度目的），當(dāng)溫度高于設(shè)置溫度時(shí)，制冷裝置開啟降溫功能，當(dāng)溫度降至實(shí)驗(yàn)溫度時(shí)，制冷裝置關(guān)閉。由于探頭敏感度限制，所以實(shí)驗(yàn)溫度會(huì)在預(yù)設(shè)溫度左右發(fā)生正負(fù)0.2℃的波動(dòng)，但對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果不會(huì)造成顯著影響，因?qū)W生需進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，且不同實(shí)驗(yàn)組之間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有顯著差異。只是在實(shí)驗(yàn)操作中，每次更換光照強(qiáng)度時(shí)，需要幾分鐘溫度穩(wěn)定時(shí)間。此過程中，箱蓋上不安裝加熱燈，與加熱裝置連接的溫控不設(shè)定溫度，但一般會(huì)打開，用于檢測(cè)箱體中的溫度，所以與其連接的探頭會(huì)黏貼在箱體中，此溫控面板上顯示的溫度非反應(yīng)體系實(shí)際溫度，因探頭在箱體中比錐形瓶更靠近燈源，所以此溫控板顯示溫度會(huì)比反應(yīng)體系實(shí)際溫度稍高。需加熱時(shí)，例如實(shí)驗(yàn)是在48W、35℃時(shí)，此時(shí)此溫控裝置設(shè)定溫度，加熱燈和制冷裝置同時(shí)打開，溫度低于預(yù)設(shè)溫度，制冷裝置關(guān)閉，加熱燈工作；高于時(shí)，制冷裝置工作，加熱燈關(guān)閉。此時(shí)，與制冷裝置相連接的探頭和與加熱裝置相連接的探頭均黏貼在錐形瓶上。2.自制檢測(cè)裝置：瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)與大氣壓強(qiáng)關(guān)系變化引起液滴移動(dòng)，根據(jù)移動(dòng)方向判斷凈光合作用情況，根據(jù)液滴移動(dòng)速率反映凈光合速率（如圖5），此裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)凈光合作用速率大于0,、小于0和等于0三種狀態(tài)的檢測(cè)。當(dāng)控制呼吸速率不變時(shí)，凈光合作用速率的變化可反映光合作用速率的變化。五、實(shí)驗(yàn)原理1.碳酸氫鈉溶液是生物學(xué)實(shí)驗(yàn)普遍使用的CO2緩沖液，可以在一定時(shí)間內(nèi)為實(shí)驗(yàn)持續(xù)提供濃度相對(duì)穩(wěn)定的CO2。2.當(dāng)CO2濃度充足且穩(wěn)定時(shí)，檢測(cè)瓶?jī)?nèi)的氣體壓強(qiáng)由小球藻釋放或吸收的O2量決定，當(dāng)光合作用速率大于呼吸速率（即凈光合作用速率大于0）時(shí)，小球藻釋放O2，導(dǎo)致瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)大于大氣壓強(qiáng)，引起液滴勻速外移，液滴移動(dòng)速率可反映凈光合速率；光合作用速率小于呼吸速率（即凈光合作用速率小于0）時(shí)，小球藻吸收O2，導(dǎo)致瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)小于大氣壓強(qiáng)，引起液滴勻速內(nèi)移，液滴移動(dòng)速率可反映凈光合速率；光合作用速率等于呼吸速率（即凈光合作用速率等于0）時(shí)，液滴不移動(dòng)。當(dāng)控制呼吸速率不變時(shí)，凈光合作用速率的變化可反映光合作用速率的變化。3.黑暗狀態(tài)下，小球藻只進(jìn)行呼吸作用。氫氧化鈉吸收瓶?jī)?nèi)CO2后，小球藻呼吸作用消耗氧氣，導(dǎo)致瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)小于大氣壓，引起液滴向內(nèi)移動(dòng)，移動(dòng)速率反映呼吸速率。4.凈光合作用速率可以用有機(jī)物的積累速率或消耗速率表示，小球藻為單細(xì)胞生物，積累的有機(jī)物量可用增長(zhǎng)的小球藻數(shù)量反映。

六、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

1.生命觀念：學(xué)生自主構(gòu)建光照強(qiáng)度、溫度等對(duì)光合作用強(qiáng)度影響的數(shù)學(xué)模型。2.科學(xué)思維：培養(yǎng)學(xué)生總結(jié)規(guī)律、構(gòu)建知識(shí)模型的能力。3.科學(xué)探究：提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力；培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神、科學(xué)思維，提高他們對(duì)科學(xué)研究的興趣。4.社會(huì)責(zé)任:幫助學(xué)生建立科學(xué)研究是為生產(chǎn)、生活服務(wù)的觀念。七、實(shí)驗(yàn)課題1.探究不同光照強(qiáng)度對(duì)小球藻光合作用強(qiáng)度的影響2.探究不同溫度對(duì)小球藻光合作用強(qiáng)度的影響八、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程（一）、教師給予項(xiàng)目

教師給予總項(xiàng)目：探究環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響（二）、引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建影響光合作用強(qiáng)度的外因、內(nèi)因模型

引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合化學(xué)和生物學(xué)知識(shí)來建立模型。細(xì)胞代謝本質(zhì)也是一系列化學(xué)反應(yīng)，影響化學(xué)反應(yīng)速率因素是反應(yīng)物濃度、反應(yīng)條件，細(xì)胞代謝需要酶催化，光合作用還需要光及轉(zhuǎn)化光的物質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，有學(xué)生討論列出所有內(nèi)因和外因，并構(gòu)建影響細(xì)胞代謝的因素模型。（三）、學(xué)生提出研究課題在明確了影響光合作用的外因和內(nèi)因后，學(xué)生討論確定自己要研究的課題：1、探究光照強(qiáng)度對(duì)小球藻光合作用強(qiáng)度的影響。2、探究溫度對(duì)小球藻光合作用強(qiáng)度的影響。（四）、課題一的實(shí)施1、引導(dǎo)學(xué)生再次分析必修一104頁“探究光照強(qiáng)弱對(duì)光合作用強(qiáng)度影響”的教材實(shí)驗(yàn)：①分析該實(shí)驗(yàn)中的自變量是如何設(shè)定的，討論自己的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮腿绾胃倪M(jìn)；②控制的無關(guān)變量有哪些，如何控制的。③分析實(shí)驗(yàn)原理；④分析觀測(cè)指標(biāo)；⑤學(xué)生根據(jù)自己的課題設(shè)定用教材實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行一次完整操作。2、學(xué)生操作后，總結(jié)分析：①教材實(shí)驗(yàn)只設(shè)置了三個(gè)光照強(qiáng)度，且都是凈光合作用速率大于0的光照強(qiáng)度，無法構(gòu)建光照強(qiáng)度對(duì)光合作用強(qiáng)度影響的完整曲線，學(xué)生提出設(shè)置從光照強(qiáng)度為0開始，逐漸增強(qiáng)的系列梯度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)組增多，光照強(qiáng)度梯度設(shè)置更小，以便構(gòu)建光照強(qiáng)度對(duì)光合作用速率影響曲線；②當(dāng)學(xué)生設(shè)置較小的光照強(qiáng)度梯度時(shí)，某些相鄰組的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象無顯著差異，無法滿足學(xué)生想構(gòu)建光照強(qiáng)度對(duì)光合作用速率影響曲線的要求。③實(shí)驗(yàn)組光照強(qiáng)度較小時(shí)，小圓片不上升，分析原因是，此時(shí)的凈光合作用速率小于0。所以教材實(shí)驗(yàn)是無法實(shí)現(xiàn)對(duì)凈光合作速率小于0或等于0時(shí)的現(xiàn)象觀察的。于是，學(xué)生提出改換實(shí)驗(yàn)材料和檢測(cè)方法。④溫度會(huì)影響光合作用速率，在使用臺(tái)燈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程中溫度會(huì)上升，應(yīng)該控制溫度恒定。3、學(xué)生結(jié)合教材和生活，尋找實(shí)驗(yàn)材料，教師提示：符合實(shí)驗(yàn)要求、易獲得、易操作、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。4、學(xué)生動(dòng)手開始按自己的需要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)梯度光照強(qiáng)度的設(shè)備和溫度監(jiān)控設(shè)備，購買器材、組裝設(shè)備。5、篩選檢測(cè)指標(biāo)，討論檢測(cè)方法，制作檢測(cè)裝置。6、預(yù)實(shí)驗(yàn)：檢測(cè)檢測(cè)裝置的氣密性、有效性；摸索具體的操作細(xì)節(jié),熟練裝置操作；發(fā)現(xiàn)問題：未實(shí)現(xiàn)CO2濃度控制，查閱資料、摸索實(shí)驗(yàn)，確定加入1％碳酸氫鈉。7、正式實(shí)驗(yàn):按設(shè)定的光照強(qiáng)度梯度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每個(gè)光照強(qiáng)度下重復(fù)三次，記錄結(jié)果（液滴移動(dòng)2cm所需時(shí)間），并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來適當(dāng)調(diào)整梯度和光照強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)范圍。8、分析測(cè)定呼吸速率的意義；查閱資料，探索、確定并實(shí)施呼吸作用速率的測(cè)定。9、數(shù)據(jù)處理：①數(shù)據(jù)處理，求每個(gè)光照強(qiáng)度下液滴移動(dòng)速率平均值，并將液滴移動(dòng)速率換算為凈光合速率，并建立數(shù)據(jù)表格；②運(yùn)用Excel中的曲線功能構(gòu)建光照強(qiáng)度對(duì)凈光合作用速率影響的曲線模型，學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)方程修正曲線獲得擬合曲線。10、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，突破光照強(qiáng)度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響的知識(shí)難點(diǎn)。并發(fā)現(xiàn)新的內(nèi)容：光合作用強(qiáng)度超過一定值，小球藻凈光合作用速率下降，引導(dǎo)學(xué)生分析原因，并提出對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐中小球藻培養(yǎng)條件的建議。（五）、課題二的實(shí)施1、引導(dǎo)學(xué)生查閱文獻(xiàn)，再結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)、生活設(shè)定實(shí)驗(yàn)的溫度梯度，即15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃。2、學(xué)生預(yù)實(shí)驗(yàn)：延用液滴移動(dòng)裝置，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)溫度越高，液滴移動(dòng)速度跨越式提高，引導(dǎo)學(xué)生分析這是否為正?，F(xiàn)象，如何測(cè)試。學(xué)生測(cè)試方法為將溫度上升到60℃，根據(jù)文獻(xiàn)此溫度下小球藻代謝極低，甚至死亡，但液滴卻更快移動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生分析原因，經(jīng)討論確定液滴移動(dòng)是高溫改變了氣體壓強(qiáng)。引導(dǎo)學(xué)生尋找新的檢測(cè)指標(biāo)，并設(shè)計(jì)檢測(cè)方法。3、學(xué)生根據(jù)檢測(cè)指標(biāo)，查閱資料確定連續(xù)培養(yǎng)16h（小球藻8-12h繁殖一代），引導(dǎo)學(xué)生分析CO2的供應(yīng)方式是否還使用碳酸氫鈉，若不使用又如何提供，制作通氣裝置，實(shí)施實(shí)驗(yàn)。4、記錄數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)表格，運(yùn)用Excel中的曲線功能構(gòu)建溫度對(duì)凈光合作用速率影響的曲線模型，學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)方程修正曲線獲得擬合曲線。5、學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，并為生產(chǎn)提出建議。九、實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)1、此研究過程很好的實(shí)現(xiàn)了STEAM教育理念，學(xué)生在生物材料的選擇、光照強(qiáng)度梯度設(shè)置（或溫度梯度設(shè)置）、溫度（光照強(qiáng)度）和CO2濃度的控制、實(shí)驗(yàn)結(jié)果檢測(cè)和分析中很好的運(yùn)用生物學(xué)知識(shí)并構(gòu)建了很好的光合作用影響因素關(guān)系的科學(xué)體系，實(shí)驗(yàn)過程培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?；同時(shí)在實(shí)驗(yàn)檢測(cè)指標(biāo)的實(shí)施過程即檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)過程中結(jié)合運(yùn)用了化學(xué)、物理和生物學(xué)知識(shí)，在結(jié)果分析中運(yùn)用了數(shù)學(xué)方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和處理數(shù)據(jù)、構(gòu)建曲線模型，并能根據(jù)曲線分析歸納出光照強(qiáng)度、溫度對(duì)光合作用速率的影響，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐提出自己的一些建議，建立了科學(xué)為生活服務(wù)的理念；此外，在光照培養(yǎng)箱的設(shè)計(jì)和制作過程中培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)和實(shí)施能力；并在實(shí)驗(yàn)過程中感受到了科學(xué)研究的美，生命科學(xué)的美，生命的美；在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施過程中極大的發(fā)展了創(chuàng)新思維，他們用創(chuàng)新思維解決問題、突破困境。所以，通過怎個(gè)實(shí)驗(yàn)研究過程極大地提高了學(xué)生的綜合素養(yǎng)。2、探索式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，學(xué)生愉快高效