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)境因素對光合作用的影響

探究環(huán)境因素對光合作用的影響一、 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探究實驗。二、 實驗器材細(xì)葉蜈蚣草、光合呼吸實驗裝置、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。三、 實驗創(chuàng)新要點學(xué)生們認(rèn)為課本上探究環(huán)境因素對光合作用的影響的實驗過程有一定的不足之處，比如他們認(rèn)為在制備實驗材料時，打孔器制取的葉圓片多會卷邊或破損，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，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不足，小圓形葉片上浮所需的時間較長，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？針對上述問題，我們給出了如下的解決辦法：1. 材料用具的選擇（1）材料的選擇：本實驗選擇了一種容易取材的水生植物細(xì)葉蜈蚣草作為實驗材料。它的生長對光照和溫度均有一定的需求，便于分析實驗結(jié)果，而且生長迅速便于實驗指標(biāo)的檢測。（2）檢測指標(biāo)的選擇：運用溶解氧傳感器直接定量檢測一定時間內(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. 自制實驗器材（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。（2）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。（3）運用可變顏色的彩色光帶在同一個實驗裝置中改變光質(zhì)。 3. 其他方面運用酵母菌的呼吸作用制備富含二氧化碳的清水。三、實驗原理利用光學(xué)溶解氧傳感器檢測植物光合作用產(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。四、 實驗教學(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。（2）科學(xué)探究目標(biāo) 設(shè)計實施恰當(dāng)可行的方案，創(chuàng)造性地運用數(shù)學(xué)方法分析實驗結(jié)果。 能夠基于事實和證據(jù)，采用推理、建模等方法在遇到問題時，做出正確決策并解決問題。 （3）社會責(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。 五、 實驗教學(xué)內(nèi)容 本節(jié)課選取光照強(qiáng)度，溫度以及光質(zhì)三個環(huán)境因素進(jìn)行探究實驗。學(xué)生在教師的指導(dǎo)下回顧光合作用的原理和應(yīng)用，然后在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行實驗。教師通過引導(dǎo)學(xué)生對實驗結(jié)果的分析，表達(dá)與交流等過程，完成本節(jié)課的實驗教學(xué)。六、 實驗教學(xué)過程（一）實驗準(zhǔn)備教師提出相關(guān)問題： 進(jìn)行實驗前需要進(jìn)行實驗設(shè)計，實驗設(shè)計的基本原則是什么呢？學(xué)生回答：實驗的基本原則是科學(xué)性原則，單一變量原則，重復(fù)性原則，等量原則，以及對照原則。根據(jù)實驗設(shè)計的基本原則，我們需要做哪些實驗準(zhǔn)備呢？教師提出如下引導(dǎo)性的問題：適合本實驗的實驗材料應(yīng)該具有哪些特點呢？可以用什么作為實驗的檢測指標(biāo)來反應(yīng)光合作用速率呢？在整個實驗的過程中可以選擇環(huán)境中的哪些因素來探究其對植物光合作用的影響呢？你將用什么樣的方法來控制實驗的自變量呢？學(xué)生經(jīng)過討論后，給出回答：選擇的植物應(yīng)該具備生長迅速，易于取材，生命力旺盛等特點?？梢杂脝挝粫r間內(nèi)反應(yīng)物的消耗量或者產(chǎn)物的生成量來代表一個反應(yīng)的反應(yīng)速率?？梢赃x擇用一定時間內(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應(yīng)植物進(jìn)行光合作用的強(qiáng)弱。在這個實驗中，可以選擇光學(xué)溶解氧傳感器檢測植物釋放氧氣的情況。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)行實驗。在對光照強(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)行溫度的實時監(jiān)控。結(jié)合課前的探究，學(xué)生們制作出了一個光合呼吸實驗裝置（圖1），在這個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)境因素對細(xì)葉蜈蚣草光合作用的影響。（圖1 光合呼吸實驗裝置）（二）進(jìn)行實驗學(xué)生自發(fā)形成三個小組，每組探究一種環(huán)境因素對光合作用的影響。1. 第一小組：探究溫度對光合作用的影響學(xué)生選擇如下實驗材料：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，并按照以下實驗步驟進(jìn)行實驗：（1） 用冷水和熱水分別調(diào)成，15、20、25、30、35等五個溫度梯度。（2）在光合作用恒溫盒內(nèi)加400ML不同溫度的水并加入50g細(xì)葉蜈蚣草。（3）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)行檢測實驗過程中的溫度變化，連接溶解氧傳感器檢測光合作用釋放的氧氣。（4）打開光源，記錄實驗結(jié)果。（圖2 內(nèi)層材質(zhì)為塑料，中層為隔熱透明軟塑膠若干層，外層為透明膠帶密封）2. 第二組：探究光照強(qiáng)度對光合作用的影響學(xué)生選擇如下實驗材料：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，按如下實驗步驟進(jìn)行實驗：（1）在光合作用恒溫盒內(nèi)加400ML不同溫度的水并加入50g細(xì)葉蜈蚣草。（2）把溶解氧傳感器放入恒溫盒中，連接溶解氧傳感器檢測光合作用釋放的氧氣，并且同時連接光合日照傳感器到數(shù)據(jù)采集器。（3）0到200秒作為對照不補(bǔ)充光源，200秒后打開一個固定光源，,400秒后再增加光照強(qiáng)度至480molm-2s-1 ，600秒后再增加光照強(qiáng)度至620molm-2s-1（如圖3）。觀察整個過程中溶解氧的變化曲線有什么異同。（4）將光照強(qiáng)度調(diào)控在1000molm-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。（5）記錄實驗結(jié)果。（圖3 光照強(qiáng)度對光合作用的影響）3. 第三組：探究光質(zhì)對光合作用的影響學(xué)生選擇如下實驗材料：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，按照以下實驗步驟進(jìn)行實驗：（1）在光合作用恒溫盒內(nèi)加400ML不同溫度的水并加入50g細(xì)葉蜈蚣草。（2）把溶解氧傳感器放入恒溫盒中，連接溶解氧傳感器檢測光合作用釋放的氧氣。（3）打開光帶的開關(guān)，用控制器把光照調(diào)成綠色，觀察一段時間后，把綠色換成紅色光源照射。觀察整個過程中溶解氧的變化曲線有什么異同。（4）記錄實驗結(jié)果。 （圖4 不同光質(zhì)對光合作用的影響）（三）表達(dá)與交流表達(dá)與交流分為兩個環(huán)節(jié)，教師提問學(xué)生討論回答以及學(xué)生分享各自的實驗結(jié)果。1. 第一環(huán)節(jié)根據(jù)每組的實驗結(jié)果，結(jié)合實驗教學(xué)目標(biāo)，教師提出如下問題：曲線的什么可以代表氧氣的產(chǎn)生快慢？ 根據(jù)課前測量的各個溫度下的植物的呼吸作用強(qiáng)度，你能知道植物實際光合作用速率是多少嗎？ 如何利用呼吸作用和光合作用原理提高農(nóng)作物產(chǎn)量？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)度過高會出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象？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)合實驗結(jié)果，學(xué)生經(jīng)過思考討論后給出如下回答：曲線的斜率可以代表光合作用速率。在黑暗條件下測出植物呼吸作用消耗氧氣的速率，進(jìn)而求出植物的實際光合作用速率。在實際的生產(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。不同植物對光照強(qiáng)度的要求不同，根據(jù)不同植物對光照強(qiáng)度的需要適當(dāng)?shù)目刂乒庹諒?qiáng)度。光照過強(qiáng)會抑制細(xì)葉蜈蚣草的光合作用，也就是會出現(xiàn)光抑制現(xiàn)象（圖5）。光合色素吸收的藍(lán)光所產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)分子，先失去部分能量進(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。（圖5 光照強(qiáng)度為1000molm-2s-1溶解氧的產(chǎn)生情況）2. 第二環(huán)節(jié)：實驗結(jié)果的交流與分享各小組經(jīng)過實驗得出以下結(jié)論：（1）溫度影響細(xì)葉蜈蚣草的光合作用強(qiáng)度，在該實驗條件下，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）。（2）光照強(qiáng)度影響細(xì)葉蜈蚣草的光合作用強(qiáng)度，在該實驗條件下，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)度達(dá)到一定從強(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）。（3）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）。（圖6 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)度對光合作用的影響） （圖9 光質(zhì)對光合作用的影響）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，對自然環(huán)境中的溶解氧含量或者其他指標(biāo)進(jìn)行檢測，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，對蚌埠龍子湖的水進(jìn)行了檢測，進(jìn)一步提高了學(xué)生對自然科學(xué)的興趣。七、 實驗效果評價1. 創(chuàng)新之處（1）在選材方面本實驗選擇了一種生長迅速，容易取材的水生植物。（2）溶解氧傳感器檢定量測釋放氧氣的速率，替代了利用小圓形葉片上浮速率作為檢測光合作用強(qiáng)度的指標(biāo)。單靠“死”記還不行,還得“活”用,姑且稱之為“先死后活”吧。讓學(xué)生把一周看到或聽到的新鮮事記下來,摒棄那些假話套話空話,寫出自己的真情實感,篇幅可長可短,并要求運用積累的成語、名言警句等,定期檢查點評,選擇優(yōu)秀篇目在班里朗讀或展出。這樣,即鞏固了所學(xué)的材料,又鍛煉了學(xué)生的寫作能力,同時還培養(yǎng)了學(xué)生的觀察能力、思維能力等等,達(dá)到“一石多鳥”的效果。（3）自制實驗器材，使實驗更加具有科學(xué)性。語文課本中的文章都是精選的比較優(yōu)秀的文章,還有不少名家名篇。如果有選擇循序漸進(jìn)地讓學(xué)生背誦一些優(yōu)秀篇目、精彩段落,對提高學(xué)生的水平會大有裨益?，F(xiàn)在,不少語文教師在分析課文時,把文章解體的支離破碎,總在文章的技巧方面下功夫。結(jié)果教師費勁,學(xué)生頭疼。分析完之后,學(xué)生收效甚微,沒過幾天便忘的一干二凈。造成這種事倍功半的尷尬局面的關(guān)鍵就是對文章讀的不熟。常言道“書讀百遍,其義自見”,如果有目的、有計劃地引導(dǎo)學(xué)生反復(fù)閱讀課文,或細(xì)讀、默讀、跳讀,或聽讀、范讀、輪讀、分角色朗讀,學(xué)生便可以在讀中自然領(lǐng)悟文章的思想內(nèi)容和寫作技巧,可以在讀中自然加強(qiáng)語感,增強(qiáng)語言的感受力。久而久之,這種思想內(nèi)容、寫作技巧和語感就會自然滲透到學(xué)生的語言意識之中,就會在寫作中自覺不自覺地加以運用、創(chuàng)造和發(fā)展。2. 教學(xué)成果“師”之概念，大體是從先秦時期的“師長、師傅、先生”而來。其中“師傅”更早則意指春秋時國君的老師。說文解字中有注曰：“師教人以道者之稱也”。“師”之含義，現(xiàn)在泛指從事教育工作或是傳授知識技術(shù)也或是某方面有特長值得學(xué)習(xí)者?！袄蠋煛钡脑獠⒎怯伞袄稀倍稳荨皫煛?。“老”在舊語義中也是一種尊稱，隱喻年長且學(xué)識淵博者。“老”“師”連用最初見于史記，有“荀卿最為老師”之說法。慢慢“老師”之說也不再有年齡的限制，老少皆可適用。只是司馬遷筆下的“老師”當(dāng)然不是今