新型光合作用探究仪的开发与应用，本文主要内容关键词为：光合作用论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
我国现行课程标准明确提出“倡导学生在解决实际问题的过程中深入理解生物学的核心概念”。这就要求中学生物学教学应重视核心概念，由追求对繁杂的生物学事实性知识的记忆，转向对核心概念的深层次理解。教师应帮助学生围绕生物学核心概念构建知识、加深理解并注重知识的迁移和应用[1]。光合作用的知识对于学生理解生态系统的物质循环和能量流动起着非常重要的作用，是高中生物学的核心概念之一。 在光合作用原理的运用中，有一个“探究光照强度对光合速率的影响”经典探究实验。对于此实验，我国人教版教材的自变量是通过白炽灯控制光照强度，因变量是用叶片上浮的时间代表光合速率；美国科学发现者教材[2]的自变量也是通过白炽灯控制光照强度，因变量是用释放氧气气泡数目代表光合速率。但事实是，如果实验中用白炽灯控制光照强度，学生无法得到准确的实验结果。原因是白炽灯发热升高环境温度也会影响光合速率。此外用叶片上浮时间或释放氧气气泡数目代表光合速率，也存在结果不准确等缺点。笔者利用LED技术设计了一套新型光合作用探究仪，不仅可以解决上述难题，还可以探究不同光照强度、不同光质、不同
浓度对植物光合作用速率的影响。 一、材料制备 1.实验材料 （1）光源控制部分：12 V LED白光灯带5m（中山市威远科技照明有限公司，型号LT-5050，12 V，14.4 W），12 V LED七彩灯带5m（可以调成七色光和白光），控制开关，LED灯带专用调光旋钮，220 V/12 V变压器。 （2）温度控制部分：双层透明亚克力管，40 cm风扇。 （3）氧气收集部分：500 mL细口瓶，双孔硅胶塞，温度计，1 mL移液管，2 mL移液管。 2.制作方法 采用大亚克力管套小亚克力管的方式组成双层管。大亚克力管外表面缠绕长5m的LED白光灯带或七彩光灯带。双层管下方放置1个40 cm的风扇用于降温。将LED灯带、LED灯带专用调光旋钮、220 V/12 V变压器和电源控制开关串联。如果采用七彩灯带，还需串联一个红外控制器，另配一个遥控器。借助铁架台，将细口瓶放入小亚克力管的中央。细口瓶瓶口用双孔硅胶塞塞紧，一孔插入温度计，一孔插入1 mL（或2 mL）移液管。光合作用探究仪组装图如图1，光合作用探究仪分解图如图2。
二、实验方法 1.实验用品及材料 金鱼藻（Ceratophyllum demersum L.）若干、2%
溶液、蒸馏水。 2.实验步骤 ①向细口瓶中加入500 mL的
溶液（2%）和10 g金鱼藻，用插有玻璃棒和移液管的双孔胶塞塞紧瓶口。通过上、下移动温度计，将移液管的起始液面调至0.6 mL。 ②接通光合作用探究仪电源，借助调光旋钮和光照计设置2000 lx光照强度。 ③利用铁架台上的铁夹，将装配好的细口瓶放入小亚克力管中央，记录液面起始刻度并开始计时。 ④光合作用5 min后记录液面刻度，2次液面刻度差值即为氧气的释放量。根据下列公式将氧气释放量换算成净光合速率。
⑤将细口瓶的
溶液倒出，用清水冲洗2次。调整光照强度后，重复步骤①～④。 ⑥将采集的数据用Excel软件处理，得出直观的数据曲线。 三、实验结果 本实验3次实验数据见下表。氧气释放量的平均值表明，光照强度为0 lx，净光合速率为-10.71 μmol/（g，h）。在2000～14000 lx光照强度的范围内，氧气的释放量随光照强度增强而逐渐增加（图3）。在此次实验中，金鱼藻光补偿点大约为1000 lx，金鱼藻光饱和点可能在14000 lx附近。本仪器采集的数据与陈刚[3]的实验数据（金鱼藻光补偿点光照度为1475 lx，光饱和点光照度为11250 lx）有所不同，原因可能有3个：①金鱼藻取材部位不同，本研究采用的金鱼藻为完整植株，而陈刚取材为顶端枝叶；②金鱼藻处理方法不同，本研究采用的金鱼藻为新鲜材料，而陈刚将金鱼藻吸干水分剪碎后放入反应溶液中；③测量方法不同，本研究采用排水法，而陈刚采用氧电极法。因2种方法中建立了不同的实验体系，故出现一定差异。
四、在课堂教学中的应用 现在已有2届共15个班级学生利用本装置开展了光合作用探究实验，亲历探究过程，体验了科学研究的乐趣。实践表明，利用本套装置在课堂上开展探究性实验有以下优点。
①有利于概念的形成。如果教师把光照强度对于光合速率的影响曲线直接绘制给学生，学生会处于一种被动学习的状态，导致诸如理解不深入、知识相混淆、记忆不深刻等问题。笔者利用本套装置，尝试将5E教学法和实验教学法有机结合，帮助学生构建光补偿点、饱和点、净光合作用速率和总光合作用速率等概念。5E教学模式是美国生物学课程研究开发的一种基于建构主义教学和概念转变理论的教学模式，它强调以学生为中心，通过小组合作学习的方式促进学生学习，在科学教育领域受到了高度的重视，它的5个环节是吸引（engage）、探究（explore）、解释（explain）、迁移（elaborate）、评价（evaluate）[4]。课堂上用光合作用释放氧气的演示实验创设情境，吸引学生。全班学生分成7个小组探究不同光照强度对光合作用速率的影响。学生利用自己采集的实验数据，解释曲线变化的原因，尝试进行光补偿点、饱和点、净光合作用速率和总光合作用速率等概念的建立。课堂上学生迁移刚刚构建的概念，提出新的实验构想，教师可以指导兴趣小组课外进行探究实验，例如探究不同光质对光合作用速率的影响、不同
浓度对光合作用速率的影响。最后采用学生自评、互评和师评等多种评价方式激励学生的探究热情。此课例参加2012年广东省中学生物学课堂实验教学课例评比，荣获省一等奖。 ②有利于提升学生的探究能力。本探究性实验从实验设计、实验操作到数据分析，让全体学生全程参与，有助于锻炼并提升6项能力：确认变量的能力；设计可行的实验方案的能力；实施实验方案、收集证据的能力；利用数学方法处理、解释数据，并根据证据做出合理判断的能力；用准确的术语、图表介绍研究方法和结果，阐明观点的能力；听取他人的意见，利用证据和逻辑对自己的结论进行辩护及作必要的反思和修改的能力。本探究实验将原来的定性实验改为定量实验，学生可以更加准确地分析问题，并从中学会解决问题的方法，可以应用于以后的学习和生活。 ③有利于提升学生的创新能力。在利用光合作用探究仪开展探究性实验的过程中，学生的创新能力得到提高。本校最初的实验也是采用不同瓦数的白炽灯获得强光、中光和弱光等不同光照强度的光，但屡次遭遇白炽灯发热提高了反应体系温度，导致实验效果欠佳的问题，尝试将空烧杯、多层烧杯和装满水的烧杯等装置放置在白炽灯和植物之间，以达到隔热的目的，但效果均不理想。还尝试利用空调和风扇控制温度，但成本太高不利于推广。在一次课堂讨论中，有学生建议尝试用发热量低的荧光灯或LED灯代替白炽灯。经过文献查询和向专家请教得知荧光灯的发热量较低，但是不能通过调光控制光照强度；LED灯带不仅发热量低，且通过最新研制的LED调光旋钮可以控制光照强度。如果利用双层亚克力和风扇2个装置，就可以很好地控制温度这一无关变量。经实验检测，本装置8000 1x光照2h温度可维持在25℃。 在教师引导下，兴趣小组学生利用此光合作用探究仪开展了多项研究，例如不同
浓度对金鱼藻光合速率的影响、不同光质对金鱼藻光合速率的影响等。将实验结果整理成文并参加2013年广东省少年儿童发明大赛，荣获银奖，参加2013年广东省青少年科技创新大赛，荣获广东省二等奖。 新型光合作用探究仪有多项创新：①控制光照强度。通过特制的LED调光旋钮、专用的光照传感器和透明的亚克力管实现0～25000 lx范围内的任意光照强度的白光。②控制温度。以往实验使用白炽灯，发热量较大。本装置选用的LED灯带不仅可以较好地调节光照强度，且发热量较低，还可以通过风扇和双层亚克力管较好地控制温度，从而实现反应装置内温度与室温一致。③准确测量氧气释放量。本装置巧妙利用内径纤细的1 mL（或2 mL）移液管，准确测量氧气释放量，而且可以将反应时间缩短至5 min。教材中的许多实验都是经过多次摸索和反复修正，优点是比较简便、易操作。但是由于技术的迅速发展，很多实验可以用新装置更快捷、更直观地采集实验数据。如果教师带领学生开发更多这样的新装置，有利于学生开展探究性实验，并在解决实际问题的过程中深入理解生物学核心概念。
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