視頻簡介：
視頻標簽：光合作用的因素
所屬欄目：高中生物說課視頻
視頻課題：高中生物說課視頻_探究影響光合作用的因素_汪婷婷
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探究影響光合作用的因素
上海市閔行第三中學 汪婷婷
一、使用教材
“探究影響光合作用的因素”是上海科學技術出版社《生命科學》高中第一冊第4章“生命的物質變化和能量轉換”中第2節“光合作用”中的探究實驗。
二、實驗器材
結香葉片，自制實驗架（含LED燈），煮沸后急速冷卻的水和用其配制的0.2%NaHCO3、0.4%NaHCO3、0.6%NaHCO3、0.8%NaHCO3、1.0%NaHCO3溶液，清水，燒杯，注射器（20mL/內徑21mm），計時器，內徑為4mm的鉆孔器，鑷子，培養皿，記號筆，圓形標簽紙等。
三、實驗創新要求/改進要點
（一）實驗材料
課前選取校園內多種植物葉片，比較用“真空滲水法”使葉圓片下沉的難易程度，發現結香葉圓片最易下沉。同時，結香植株葉片數量多、葉面積大，是最佳的實驗材料。
圖1 校園內多種植物葉片 圖2 校園內的結香植株
（二）NaHCO3溶液濃度改進
通常使用0%NaHCO3、0.5%NaHCO3、1%NaHCO3、2%NaHCO3、4%NaHCO3來探究CO2濃度對光合作用的影響，但發現結香葉片的實驗結果如圖3所示。為了更好地反映“在一定范圍內光合作用強度隨CO2濃度升高而增加”，我們實驗研究后發現0%NaHCO3、0.2%NaHCO3、0.4%NaHCO3、0.6%NaHCO3、0.8%NaHCO3、1.0%NaHCO3更為適合。
圖3 結香葉片NaHCO3濃度與葉圓片上浮時間的關系
（三）實驗裝置創新
1. 實驗裝置簡介
（1）燈源——LED燈
通常用白熾燈（圖4）作為光源，易發熱而造成溫度干擾。我們使用的冷光源LED燈（圖5），能更好地控制溫度變量，使實驗結果更有說服力。
圖4 白熾燈 圖5 LED燈
（2）容器的歸并——注射器
通常10mL玻璃注射器用于“真空滲水法”方案使葉圓片下沉，100mL燒杯作為葉圓片光合作用上浮的容器（圖6）。在實際操作中，注射器內下沉的葉圓片需要倒出后再一個個夾入燒杯，若設計多組實驗，這個步驟必然耗時較多。同時，負壓抽氣時10mL玻璃注射器較易破碎，存在一定的安全隱患。
我們的實驗裝置設計使用20mL塑料注射器，兼具10mL玻璃注射器和100mL燒杯的功能（圖7）。即用20mL塑料注射器使葉圓片下沉后，無需更換容器，直接在該注射器內進行葉圓片光合作用上浮實驗。其優勢有：
①簡化操作步驟，縮短實驗時間；
②成倍減少試劑使用量：相比100mL的燒杯倒入30~40mL的NaHCO3溶液，20mL注射器只要使用15mL即可；
③輕松定量更換溶液：利用注射器的活塞即可輕松排出原溶液并快速定量吸取所需溶液；
④安全性更強：相比玻璃注射器，塑料注射器不易碎；
⑤成本更低：塑料注射器比玻璃注射器的價格低不少。
圖6 10mL玻璃注射器內葉圓片下沉 圖7 20mL塑料注射器內
100mL燒杯內葉圓片上浮 葉圓片下沉及上浮
（3）自制實驗架
我們設計的自制實驗架，既考慮注射器和光源的放置，又考慮能較好地控制溫度、光照等實驗條件，主要結構包括上圓盤、下圓盤和支撐柱三部分（圖8）。下圓盤半徑23cm，圓心處設計了LED燈的燈座，可根據需要更換燈源。3根支撐柱高25cm，正好能確保注射器內放置葉圓片的部分與光源處于同一水平面，且能清晰觀察葉圓片上浮情況（圖9）。上圓盤半徑與下圓盤等同，并在其半徑10cm、15cm、20cm的三個同心圓（分別記作內圈、中圈和外圈）上設置3圈放置注射器的小孔，每圈6個共18個。小孔孔徑2.25cm，正好插入一個20mL注射器。每圈小孔均勻分布，各圈小孔呈鑲嵌狀排列不互相遮擋從圓心發出的光（圖10）。
（1）側面圖 （2）俯視圖（示上圓盤）
圖8 實驗架實物圖
圖9 實驗架平視結構圖 圖10 實驗架小孔設計圖
2. 實驗裝置在探究光合作用影響因素實驗中的運用
（1）單因素實驗
利用本實驗裝置可探究多種單因素實驗，如光照強度（圖11）、CO2濃度（圖12）、光質、溫度等因素對光合作用的影響。
圖11 光照強度對光合作用影響的探究實驗分組設計圖和實物圖
將注射器置于上圓盤的內圈、中圈和外圈以獲得3種不同的光照強度，如圖11左圖中①⑦⑬小孔處相互對照，同時確保各注射器內放置有等量相同的葉圓片和等量相同濃度的NaHCO3溶液（或煮沸后迅速冷卻的水）。利用起整個圓盤的小孔，最多可以設置6個重復，取均值以減小誤差。
圖12 CO2濃度對光合作用影響的探究實驗分組設計圖和實物圖
在注射器內吸取等量不同濃度的NaHCO3溶液，分別置于上圓盤的同一圈層中，確保各組間光照強度和溫度一致。本裝置最多可進行6個濃度梯度的NaHCO3溶液探究。
（2）雙因素實驗
利用本實驗裝置設計雙因素實驗，可以同時探究光照強度、光質、CO2濃度、溫度以及葉齡等因素中的2種。以探究光照強度和CO2濃度對光合作用的綜合影響為例，若需要設置3種光照強度和3種CO2濃度，可以按下表1設計9個注射器，分別置于如圖13所示的上圓盤①~③、⑦~⑨、⑬~⑮小孔中。若設置6個梯度濃度的NaHCO3溶液，則需要使用起整個上圓盤的18個小孔。
表1 探究光照強度和CO2濃度對光合作用綜合影響的探究實驗分組設計表
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光照強
度1(內圈) |
光照強
度2(中圈) |
光照強
度3(外圈) |
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濃度1的NaHCO3溶液 |
① |
⑦ |
⑬ |
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濃度2的NaHCO3溶液 |
② |
⑧ |
⑭ |
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濃度3的NaHCO3溶液 |
③ |
⑨ |
⑮ |
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…… |
…… |
…… |
…… |
圖13 探究光照強度和CO
2濃度對光合作用綜合影響的探究實驗分組設計圖和實物圖
（四）實驗結果記錄表設計
通常真空滲水法的記錄表設計如表2，實驗時每隔5分鐘記錄一次葉圓片上浮數量，持續20分鐘。葉圓片平均上浮時間的計算方法是“（5a+10b+15c+20d）/（a+b+c++d）”。
表2 真空滲水法的記錄表
杯
號 |
條件 |
不同時間(min)葉圓片上浮數 |
葉圓片平均上浮時間(min) |
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溫度 |
光照 |
NaHCO3溶液 |
5 |
10 |
15 |
20 |
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a |
b |
c |
d |
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我們設計了新的真空滲水法記錄表（表3），實驗持續10分鐘，記錄每個葉圓片的上浮時間。葉圓片平均上浮時間的計算方法是“(e+f+g)/3”，計算簡便，誤差也小。
表3 新的真空滲水法記錄表
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注射器號 |
條件 |
結香葉圓片上浮時間（秒） |
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室溫 |
光照強度 |
NaHCO3濃度 |
葉圓片1 |
葉圓片2 |
葉圓片3 |
平均值 |
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e |
f |
g |
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（五）利用Excel軟件記錄實驗數據和生成圖表
利用Excel軟件新建工作簿后，定義好輸入實驗數據的單元格，并利用這些單元格的數據插入折線圖，調整折線圖的大小和界面縮放級別，使各單元格的數據與折線圖處于同一界面，就可以實現輸入數據的時候同時生成各組和匯總后的全班折線圖（圖14）。
圖14 利用Excel軟件記錄實驗數據并生成圖表的界面圖
（六）設計實驗探究能力評價表助力學生能力形成
針對學生實驗探究過程中涉及的知識、能力和情感等內容，設計評價表（圖15）的各項細目，貫穿整個教學過程，有助學生形成包括探究能力在內的學科核心素養。
圖15 實驗探究能力評價量表
四、實驗原理/實驗設計思路
利用真空滲水法排除葉圓片細胞間隙中的氣體，充以水分，使葉圓片沉于水中。在光合作用過程中，葉圓片吸收CO
2放出O
2，由于O
2在水中溶解度很小，主要積累在細胞間隙，結果可使原下沉的葉圓片上浮。因此，根據葉圓片上浮所需時間長短，能比較光合作用的強弱。
（課前）參觀上海交通大學浦江綠谷農業基地，發現并提出問題。（課中）播放參觀視頻導入光合作用影響因素→通過思考“葉圓片上浮的原因”和“獲得下沉葉圓片的方法”這兩個問題明確“真空滲水法”的實驗原理→分組討論設計實驗方案再全班展示完善，使方案更科學合理→明確實驗注意事項，分組實施實驗→獲取并處理實驗結果→匯總各組數據分析CO
2濃度與葉圓片上浮時間的關系并得出結論→反思并總結降低實驗誤差的方法→實驗拓展延伸。（課后）實驗評價→光照強度對光合作用影響、光照強度和CO
2濃度雙因素對光合作用的綜合影響方案的實施→運用實驗裝置進一步探究新的疑問。
五、實驗教學目標
1. 參觀農業基地，認識光合作用知識在提高農作物產量中的作用，發現并提出與光合作用有關的問題。
2. 理解“真空滲水法”方案的原理，設計“探究CO
2濃度對光合作用影響”的實驗方案，深入理解實驗的對照原則、平行重復原則和單因子變量原則。
3. 經歷科學探究的基本過程，運用分析、推理和綜合等思維方法分析實驗結果，說明CO
2濃度對光合作用影響，提升科學思維和科學探究能力。
4. 通過實證，初步理解提高農作物產量的具體措施，并能用物質與能量觀解決實際問題。
六、實驗教學內容
本實驗主要探究“CO
2濃度對光合作用強度的影響”。本課從參觀農業基地的視頻情境導入，設計實驗方案并探究CO
2濃度對光合作用的影響，通過數據分析得出實驗結論，理解CO
2濃度與光合作用強度的關系。并在此基礎上能設計光照強度對光合作用的影響、CO
2濃度與光照強度對光合作用的綜合影響的實驗方案，體驗實驗探究的樂趣，提升學生的探究能力。
七、實驗教學過程
（一）課前
1. 參觀上海交通大學浦江綠谷農業基地，仔細觀察植物的生長狀態與大棚的相關設施，發現并提出與光合作用有關的問題。
（二）課中
1. 創設情境，引入新課
首先播放參觀視頻片段，創設情境，引入課題“探究影響光合作用的因素”。結合光合作用反應式，引導學生分析影響光合作用的外因、內因，并思考測量光合作用強度的指標。
2. 巧設問題，明確原理
思考葉圓片上浮的原因和獲得下沉葉圓片的方法這兩個問題明確“真空滲水法”的實驗原理。
3. 交流討論，設計方案
結合實驗原則，分組討論完成“探究CO
2濃度對光合作用強度影響”的實驗方案設計，并通過全班的交流完善實驗方案使其更加科學合理（圖16）。
圖16 小組學生實驗方案設計及交流
4. 分組合作，實施實驗
教師介紹實驗注意事項后，指導學生分組實施實驗（圖17），仔細觀察葉圓片上浮的現象并及時記錄葉圓片上浮時間并求出平均值。
圖17 學生小組開展實驗
5. 匯總數據，展現圖表
利用Excel軟件定義好輸入實驗數據的單元格和折線圖，把實驗數據輸入電腦的同時出現各小組和全班的折線圖（圖14）。
6. 分析數據，得出結論
分析實驗數據，得出有關CO
2濃度與光合作用強度關系的實驗結論。
7. 回顧過程，總結實驗
結合實驗過程，總結在本次實驗實施中采取的有效降低實驗誤差的方法。如在基本相同的葉片位置打孔獲取葉圓片、注射器帶刻度可快速定量戲曲溶液、統一放置實驗架內圈可有效控制光照強度和溫度等（圖18）。
圖18 裝置改進對比圖
自制實驗架內圈的6個小孔與光源距離相同，可以有效的控制光照強度、溫度這些無關變量，從而減少實驗誤差。
8. 拓展研究，交流分享
基于CO
2濃度對光合作用影響的探究實驗，設計光照強度對光合作用影響、光照強度和CO
2濃度雙因素對光合作用的綜合影響的實驗方案，并交流分享（圖19）。
圖19 學生交流分享拓展實驗方案設計
（三）課后
1. 對照評價表（包括知識評價和操作評價）完成學生自評、他評和師評（圖20-a）。
2. 光照強度對光合作用影響、光照強度和CO
2濃度雙因素對光合作用綜合影響的方案實施（圖20-b、圖20-c）。
3. 運用實驗裝置進一步探究新的疑問，如結合學校航天特色探究航天椒的光合作用是否優于與普通青椒的課題（圖20-d）。
a 師生完成評價量表 b 光照強度對光合作用影響的方案實施
c 光照強度和CO
2濃度雙因素對 d 結合學校航天特色探究航天椒的
光合作用綜合影響的方案實施 光合作用是否優于與普通青椒
圖20
八、實驗效果評價
1. 實驗試劑和儀器等更為經濟、安全，操作便捷
使用自制實驗裝置，實驗中無需準備數量眾多的燒杯，試劑量也減少，能大大減輕實驗員在實驗前后準備和整理的負擔。
2. 教師能更好地調控學生實驗完成的時間
20mL注射器作為葉圓片光合作用上浮容器、結香葉片的選擇、Excel軟件的運用、NaHCO
3溶液濃度比例的縮小、輕松換用不同瓦數的LED燈等可為教師更好地調控學生實驗完成的時間，勻出更多寶貴的時間組織各種深入研討。
3. 能更好地控制變量，減少實驗誤差
自制實驗裝置內、中、外圈的設計能有效地控制溫度、光照強度等實驗變量。新真空滲水法記錄表的使用、葉圓片實驗注意事項的介紹等能更好地減少實驗誤差。
4. 自制實驗架的運用使課堂進行多種探究實驗成為可能
本次實驗學生體驗了“CO
2濃度對光合作用強度影響”的完整實驗探究。
同時還設計了光照強度對光合作用影響、光照強度和CO
2濃度雙因素對光合作用綜合影響的實驗方案。
5. 課內外資源的整合，凸顯了學科價值
課前參觀農業基地，觀察大棚蔬菜和無土栽培植物，認識光合作用知識在提高農作物產量中的作用；課后結合學校航天特色，運用實驗裝置進一步探究航天椒的光合作用是否優于普通青椒的課題等，都使學生體會到生命科學的學科價值。
6. 評價促進學生實驗探究能力的提升
基于《實驗探究能力評價量表》（包括知識評價和操作評價）完成學生自評、他評和師評。立足過程、立足發展的全面評價，有利學生反思過程發現不足，從而有效提高自己的探究能力，也能幫助教師更充分了解學生，有利于針對性促進學生能力的發展。
視頻來源：優質課網 www.jjlqy.cn
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