視頻標(biāo)簽：光合作用的因素

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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(xué)  汪婷婷
一、使用教材
“探究影響光合作用的因素”是上海科學(xué)技術(shù)出版社《生命科學(xué)》高中第一冊第4章“生命的物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)換”中第2節(jié)“光合作用”中的探究實驗。
二、實驗器材
結(jié)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(nèi)徑21mm），計時器，內(nèi)徑為4mm的鉆孔器，鑷子，培養(yǎng)皿，記號筆，圓形標(biāo)簽紙等。
三、實驗創(chuàng)新要求/改進(jìn)要點
（一）實驗材料
課前選取校園內(nèi)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(fā)現(xiàn)結(jié)香葉圓片最易下沉。同時，結(jié)香植株葉片數(shù)量多、葉面積大，是最佳的實驗材料。
   
圖1  校園內(nèi)多種植物葉片      圖2  校園內(nèi)的結(jié)香植株
（二）NaHCO₃溶液濃度改進(jìn)
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(fā)現(xiàn)結(jié)香葉片的實驗結(jié)果如圖3所示。為了更好地反映“在一定范圍內(nèi)光合作用強度隨CO₂濃度升高而增加”，我們實驗研究后發(fā)現(xiàn)0%NaHCO₃、0.2%NaHCO₃、0.4%NaHCO₃、0.6%NaHCO₃、0.8%NaHCO₃、1.0%NaHCO₃更為適合。

圖3  結(jié)香葉片NaHCO₃濃度與葉圓片上浮時間的關(guān)系
（三）實驗裝置創(chuàng)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(fā)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(jié)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(nèi)下沉的葉圓片需要倒出后再一個個夾入燒杯，若設(shè)計多組實驗，這個步驟必然耗時較多。同時，負(fù)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(shè)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(nèi)進(jìn)行葉圓片光合作用上浮實驗。其優(yōu)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(nèi)葉圓片下沉       圖7  20mL塑料注射器內(nèi)
100mL燒杯內(nèi)葉圓片上浮                 葉圓片下沉及上浮     
（3）自制實驗架
我們設(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)計了LED燈的燈座，可根據(jù)需要更換燈源。3根支撐柱高25cm，正好能確保注射器內(nèi)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(nèi)圈、中圈和外圈）上設(shè)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(fā)出的光（圖10）。

（1）側(cè)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(jié)構(gòu)圖             圖10  實驗架小孔設(shè)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(zhì)、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(shè)計圖和實物圖
將注射器置于上圓盤的內(nèi)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(nèi)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(shè)置6個重復(fù)，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(shè)計圖和實物圖
在注射器內(nèi)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(jìn)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(shè)計雙因素實驗，可以同時探究光照強度、光質(zhì)、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(shè)置3種光照強度和3種CO₂濃度，可以按下表1設(shè)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(shè)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(shè)計表

	光照強 度1(內(nèi)圈)	光照強 度2(中圈)	光照強 度3(外圈)
濃度1的NaHCO3溶液	①	⑦	⑬
濃度2的NaHCO3溶液	②	⑧	⑭
濃度3的NaHCO3溶液	③	⑨	⑮
……	……	……	……

 

圖13  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(shè)計圖和實物圖
 
（四）實驗結(jié)果記錄表設(shè)計
通常真空滲水法的記錄表設(shè)計如表2，實驗時每隔5分鐘記錄一次葉圓片上浮數(shù)量，持續(xù)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(shù)				葉圓片平均上浮時間(min)
	溫度	光照	NaHCO3溶液	5	10	15	20
				a	b	c	d

我們設(shè)計了新的真空滲水法記錄表（表3），實驗持續(xù)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

注射器號	條件			結(jié)香葉圓片上浮時間（秒）
	室溫	光照強度	NaHCO3濃度	葉圓片1	葉圓片2	葉圓片3	平均值
				e	f	g

 
（五）利用Excel軟件記錄實驗數(shù)據(jù)和生成圖表
利用Excel軟件新建工作簿后，定義好輸入實驗數(shù)據(jù)的單元格，并利用這些單元格的數(shù)據(jù)插入折線圖，調(diào)整折線圖的大小和界面縮放級別，使各單元格的數(shù)據(jù)與折線圖處于同一界面，就可以實現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)并生成圖表的界面圖
 
（六）設(shè)計實驗探究能力評價表助力學(xué)生能力形成
針對學(xué)生實驗探究過程中涉及的知識、能力和情感等內(nèi)容，設(shè)計評價表（圖15）的各項細(xì)目，貫穿整個教學(xué)過程，有助學(xué)生形成包括探究能力在內(nèi)的學(xué)科核心素養(yǎng)。

圖15  實驗探究能力評價量表
四、實驗原理/實驗設(shè)計思路
利用真空滲水法排除葉圓片細(xì)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CO₂放出O₂，由于O₂在水中溶解度很小，主要積累在細(xì)胞間隙，結(jié)果可使原下沉的葉圓片上浮。因此，根據(jù)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(xué)浦江綠谷農(nóng)業(yè)基地，發(fā)現(xiàn)并提出問題。（課中）播放參觀視頻導(dǎo)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(shè)計實驗方案再全班展示完善，使方案更科學(xué)合理→明確實驗注意事項，分組實施實驗→獲取并處理實驗結(jié)果→匯總各組數(shù)據(jù)分析CO₂濃度與葉圓片上浮時間的關(guān)系并得出結(jié)論→反思并總結(jié)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CO₂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(jìn)一步探究新的疑問。
五、實驗教學(xué)目標(biāo)
1. 參觀農(nóng)業(yè)基地，認(rèn)識光合作用知識在提高農(nóng)作物產(chǎn)量中的作用，發(fā)現(xiàn)并提出與光合作用有關(guān)的問題。
2. 理解“真空滲水法”方案的原理，設(shè)計“探究CO₂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(fù)原則和單因子變量原則。
3. 經(jīng)歷科學(xué)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(jié)果，說明CO₂濃度對光合作用影響，提升科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。
4. 通過實證，初步理解提高農(nóng)作物產(chǎn)量的具體措施，并能用物質(zhì)與能量觀解決實際問題。
六、實驗教學(xué)內(nèi)容
本實驗主要探究“CO₂濃度對光合作用強度的影響”。本課從參觀農(nóng)業(yè)基地的視頻情境導(dǎo)入，設(shè)計實驗方案并探究CO₂濃度對光合作用的影響，通過數(shù)據(jù)分析得出實驗結(jié)論，理解CO₂濃度與光合作用強度的關(guān)系。并在此基礎(chǔ)上能設(shè)計光照強度對光合作用的影響、CO₂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(xué)生的探究能力。
七、實驗教學(xué)過程
（一）課前
1. 參觀上海交通大學(xué)浦江綠谷農(nóng)業(yè)基地，仔細(xì)觀察植物的生長狀態(tài)與大棚的相關(guān)設(shè)施，發(fā)現(xiàn)并提出與光合作用有關(guān)的問題。
（二）課中
1. 創(chuàng)設(shè)情境，引入新課
首先播放參觀視頻片段，創(chuàng)設(shè)情境，引入課題“探究影響光合作用的因素”。結(jié)合光合作用反應(yīng)式，引導(dǎo)學(xué)生分析影響光合作用的外因、內(nèi)因，并思考測量光合作用強度的指標(biāo)。
2. 巧設(shè)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(shè)計方案
結(jié)合實驗原則，分組討論完成“探究CO₂濃度對光合作用強度影響”的實驗方案設(shè)計，并通過全班的交流完善實驗方案使其更加科學(xué)合理（圖16）。

圖16  小組學(xué)生實驗方案設(shè)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(dǎo)學(xué)生分組實施實驗（圖17），仔細(xì)觀察葉圓片上浮的現(xiàn)象并及時記錄葉圓片上浮時間并求出平均值。

圖17  學(xué)生小組開展實驗
5. 匯總數(shù)據(jù)，展現(xiàn)圖表
利用Excel軟件定義好輸入實驗數(shù)據(jù)的單元格和折線圖，把實驗數(shù)據(jù)輸入電腦的同時出現(xiàn)各小組和全班的折線圖（圖14）。
6. 分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論
分析實驗數(shù)據(jù)，得出有關(guān)CO₂濃度與光合作用強度關(guān)系的實驗結(jié)論。
7. 回顧過程，總結(jié)實驗
結(jié)合實驗過程，總結(jié)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(tǒng)一放置實驗架內(nèi)圈可有效控制光照強度和溫度等（圖18）。

圖18  裝置改進(jìn)對比圖
自制實驗架內(nèi)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(guān)變量，從而減少實驗誤差。
8. 拓展研究，交流分享
基于CO₂濃度對光合作用影響的探究實驗，設(shè)計光照強度對光合作用影響、光照強度和CO₂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(xué)生交流分享拓展實驗方案設(shè)計
（三）課后
1. 對照評價表（包括知識評價和操作評價）完成學(xué)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CO₂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(jìn)一步探究新的疑問，如結(jié)合學(xué)校航天特色探究航天椒的光合作用是否優(yōu)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CO₂濃度雙因素對    d  結(jié)合學(xué)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(yōu)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(jīng)濟、安全，操作便捷
使用自制實驗裝置，實驗中無需準(zhǔn)備數(shù)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(zhǔn)備和整理的負(fù)擔(dān)。
2. 教師能更好地調(diào)控學(xué)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(jié)香葉片的選擇、Excel軟件的運用、NaHCO₃溶液濃度比例的縮小、輕松換用不同瓦數(shù)的LED燈等可為教師更好地調(diào)控學(xué)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(nèi)、中、外圈的設(shè)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(jìn)行多種探究實驗成為可能
本次實驗學(xué)生體驗了“CO₂濃度對光合作用強度影響”的完整實驗探究。
同時還設(shè)計了光照強度對光合作用影響、光照強度和CO₂濃度雙因素對光合作用綜合影響的實驗方案。
5. 課內(nèi)外資源的整合，凸顯了學(xué)科價值
課前參觀農(nóng)業(yè)基地，觀察大棚蔬菜和無土栽培植物，認(rèn)識光合作用知識在提高農(nóng)作物產(chǎn)量中的作用；課后結(jié)合學(xué)校航天特色，運用實驗裝置進(jìn)一步探究航天椒的光合作用是否優(yōu)于普通青椒的課題等，都使學(xué)生體會到生命科學(xué)的學(xué)科價值。
6. 評價促進(jìn)學(xué)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(xué)生自評、他評和師評。立足過程、立足發(fā)展的全面評價，有利學(xué)生反思過程發(fā)現(xiàn)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(xué)生，有利于針對性促進(jìn)學(xué)生能力的發(fā)展。

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