對實驗“光合作用產(chǎn)生氧氣”的探究與改進(jìn)

鮑永娟 梁 旭

（1.新疆烏魯木齊市第四十四中學(xué) 新疆烏魯木齊 830002）

（2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第二中學(xué) 新疆烏魯木齊 830002）

筆者從教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)：2012年出版的人教版《生物學(xué)·七年級·上冊》第三單元第五章第一節(jié)“光合作用吸收二氧化碳釋放氧氣”一節(jié)中的演示實驗“光合作用產(chǎn)生氧氣”在實際教學(xué)過程中存在實驗耗時長，實驗效果欠佳，實驗成功率低等方面的不足。鑒于此，將對此實驗進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，從而增強(qiáng)實驗效果，提升實驗的成功率，以期為開展此實驗的廣大初中生物學(xué)教師提供一定的借鑒與啟示。

1 教材實驗分析

“光合作用產(chǎn)生氧氣”是2012年出版的人教版生物學(xué)七年級上冊的第三單元第五章第一節(jié)“光合作用吸收二氧化碳釋放氧氣”一節(jié)中的演示實驗，本節(jié)內(nèi)容重難點在于理解植物光合作用的實質(zhì)。教材中光合作用實質(zhì)這一核心概念是通過對兩個經(jīng)典實驗的分析和驗證得出。一個實驗是“二氧化碳是光合作用的必需原料”，另一個實驗是“光合作用產(chǎn)生氧氣”。在實際教學(xué)過程中，演示實驗“植物光合作用產(chǎn)生氧氣”由于受天氣情況、日照長度、光照強(qiáng)度等客觀因素，以及實驗者進(jìn)行實驗操作的熟練程度等主觀因素的影響，要達(dá)到預(yù)期的實現(xiàn)效果事實上是存在一定程度困難的。

2 教材實驗的不足

演示實驗“光合作用產(chǎn)生氧氣”在教材中該實驗設(shè)計參考安排的實驗材料是金魚藻。實驗步驟是：先將一定量的金魚藻放入盛有清水的容器內(nèi)，讓學(xué)生觀察金魚藻在陽光下是否放出了氣泡；然后，在金魚藻的上方倒扣一個漏斗，將盛滿清水的試管伸至漏斗底部，采用排水集氣法收集金魚藻進(jìn)行光合作用時所產(chǎn)生的氣體，待氣體充滿試管容積的1/2左右時，用拇指堵住試管口緩慢取出試管，并安置在試管架上，迅速將快要熄滅的衛(wèi)生香（或竹簽）伸進(jìn)試管口內(nèi)，注意觀察衛(wèi)生香（或竹簽）的燃燒情況。整個實驗操作看似簡單可行，但是在實際教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)該實驗存在以下幾個方面的問題。

2.1 實驗耗時且實驗效率低產(chǎn)生氧氣少

依據(jù)教學(xué)進(jìn)度，開展此實驗正值深冬季節(jié)，天然采光條件有限，太陽光的照射時間縮短，照射強(qiáng)度也大大減弱，收集1/2左右試管容積的氣體所需要的時間較長。經(jīng)過反復(fù)實驗，在冬季日照條件較好的烏魯木齊地區(qū)，收集半試管的氧氣所需要的時間至少4 h。但是，即便解決了收集氣體耗時長、收集氣體的量不充足的問題，該實驗仍然有另一個實際問題需要解決。當(dāng)然，這個過程可以通過強(qiáng)光燈的照明來補(bǔ)充自然采光條件的不足可以縮短實驗時間。

2.2 實驗成功率低

氣體收集完成之后，將試管從水中取出的過程中，收集的氣體很容易從試管口逸出，由于收集氧氣的量不充足或者實驗操作者的動作不夠迅速，從而很難使得即將熄滅的衛(wèi)生香（或竹簽）復(fù)燃，學(xué)生觀察不到預(yù)期的實驗現(xiàn)象，實驗成功率低，效果也是差強(qiáng)人意。

3 實驗的探索與改進(jìn)

在不改變生物學(xué)原理和要求的前提下對該實驗進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，逐一突破該實驗存在上述兩方面的不足，經(jīng)過多次探究和嘗試，通過優(yōu)化實驗材料，使用溶解氧傳感器等方法解決，以保證該實驗在實際教學(xué)過程中能夠順利且高效地完成。

3.1 優(yōu)化實驗材料

每次開展此實驗前，不少教師都需要去市場上購買新鮮的金魚藻，實驗成本相對較高。因為金魚藻對生長環(huán)境的透光率要求較為嚴(yán)格，需要安置在在光線充足的環(huán)境下且水源要保持清澄、明澈，為避免其他藻類、微生物等的侵蝕還需要頻繁更換清水否則容易發(fā)生腐爛現(xiàn)象，需要有較高的養(yǎng)殖能力，所以在實驗室養(yǎng)殖金魚藻不太可行。相比較而言，碰碰香這種植物，葉片大而厚實，喜光，枝條極易分枝，插穗和扦插都極易成活易于養(yǎng)殖，可以實現(xiàn)在實驗室大量栽種且成本低廉。

分別用金魚藻和碰碰香作為實驗材料進(jìn)行該實驗，比較其進(jìn)行光合作用的速率。實驗時準(zhǔn)備兩個500 mL的錐形瓶，分別盛裝500 mL等質(zhì)的清水，稱取金魚藻和碰碰香各35 g，然后將金魚藻和碰碰香置于錐形瓶中。鑒于實驗室所能夠接受的自然光不是很充足，也為了加快實驗速率和增強(qiáng)實驗效果，借助了光照強(qiáng)度為1 050 Lx（約等于100 W）的強(qiáng)光燈對兩個錐形瓶進(jìn)行均勻照射。約6 min后，明顯觀察到碰碰香的葉片上放出了許多氣泡，且氣泡的體積也較大，而在金魚藻的葉片上的氣泡放出的現(xiàn)象則不明顯。因此，可以推測在同等條件下碰碰香進(jìn)行光合作用的能力明顯強(qiáng)于金魚藻，效率高于金魚藻。為了驗證這一推測，證明觀察結(jié)果的真實性，緊接著將溶解氧傳感器分別探進(jìn)裝有金魚藻和碰碰香的錐形瓶，觀察其生成的溶解氧含量變化的曲線圖。

3.2 利用溶解氧傳感器將實驗結(jié)果數(shù)據(jù)化、可視化

在上一步優(yōu)化實驗材料探究的基礎(chǔ)之上，在空氣中校準(zhǔn)溶解氧傳感器，確定初始值，繼而將溶解氧傳感器依次探進(jìn)裝有金魚藻和碰碰香的錐形瓶中。利用溶解氧傳感器能實時監(jiān)測數(shù)據(jù)變化的特點，觀察兩個錐形瓶在相同時間內(nèi)溶解氧含量的在數(shù)值上的變化以及實驗數(shù)據(jù)曲線的生成，結(jié)果如圖1、圖2所示。

從生成的實驗數(shù)據(jù)曲線上可以直觀地觀察到：裝有碰碰香的錐形瓶溶解氧含量的曲線上升的傾斜度明顯大于裝有金魚藻的錐形瓶，即可以得出在相同時間內(nèi)、同等條件下碰碰香進(jìn)行光合作用產(chǎn)生的氧氣的量明顯大于金魚藻。經(jīng)過進(jìn)一步計算得出：碰碰香在此條件下光合作用產(chǎn)生氧氣的速率為0.51 ppm/min，金魚藻產(chǎn)生氧氣的速率為0.16 ppm/min（注：在水中1 ppm=1 mg/L）。所以通過開展對照實驗，根據(jù)曲線圖和數(shù)據(jù)結(jié)果，可以得出在同等條件下碰碰香產(chǎn)生氧氣的速度明顯快于金魚藻，證實了之前根據(jù)觀察結(jié)果所進(jìn)行的結(jié)論推測是正確的。實驗的具體操作步驟和結(jié)果的短視頻如圖3所示。

改進(jìn)實驗“光合作用產(chǎn)生氧氣”簡化了實驗步驟，縮短了實驗時間，提升了實驗成功率的同時，也使得實驗效果更加明顯、直觀。但值得提出的是，該實驗的開展需具備溶解氧傳感器，并非所有學(xué)校的實驗室都具備，所以該實驗在普適性還有待商榷。