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探究环境因素对光合作用强度影响的创新实验

一、使用教材
人民教育出版社，高中《生物学》必修一第五章第四节
二、实验器材
（一）实验材料：小球藻
（二）实验药品：1%碳酸氢钠溶液、氢氧化钠固体、芒果汁
（三）实验器材
1、自制光照培养箱
2、自制检测装置
3、显微镜、血细胞计数板、滴管、三角瓶、电子秤、烧杯
三、实验背景
学生已经学习掌握了光合作用和细胞呼吸的相关知识，并已经全班性的完成教材中“探究光照强弱对
光合作用强度影响”实验，能理解光照强度增强，光合作用强度随之增强。学生学习到光合作用与呼吸作
用关系部分时，学生回头分析这个实验，发现他们测得的小圆片上浮速率是反映净光合速率的，只是呼吸
速率不变时，净光合作用速率的变化可反映光合作用速率的变化。但学生产生新的疑问，小圆片上浮，意
味着净光合作用速率大于0，但光照弱时，根据理论推导净光合速率可能等于0或小于0，这又如何用实验
直观证明呢，教材实验无法实现。而且，在教学中发现，仅仅是理论分析光照强度对净光合作用速率的影
响曲线，学生很难理解，如果学生能通过实验直观感受，这个教学难点会更易突破。所以，开展探究系列
光照强度梯度对光合作用强度影响实验，学生通过实验构建光照强度对净光合作用速率影响曲线是非常必
要的。只是这个实验没有现成的实验方案和实验设备，于是，引导一部分感兴趣的同学率先开展了本次的
探索实验，也期望通过这次探索实验，能制作出科学、实用的研究装置和成熟的实验方案，为全班、日常
开设此实验打下基础。
四、实验改进要点
（一）教育理论--STEAM教育理论
本课程贯穿STEAM教育理论，该理论突破了传统的学科界限，鼓励学生在科学、技术、工程、数学和艺术
五个方面协同发展，培养具有创新思维，综合能力强的学生。
（二）教学方法--探究式教学法
在探究式教学法中，教师起引导作用，学生是主体，学生主动探索问题、解决问题，建立自己的认知体系。
（三）实验材料--小球藻
小球藻是一种光能自养型的单细胞真核生物，繁殖周期短（8-12h),易培养，成本低；实验中检测的是群体
代谢反应，使实验现象明显，易观察，这使光照强度梯度的梯度设置小时，相邻实验组之间的实验现象也
会有显著差异，而教材小圆片作为实验材料则会发生某些相邻组间无显著差异。
（四）实验装置

1、学生自制了可以精确控制光照强度和温度的培养箱，该培养箱还可实现光照强度和温度的系列梯度实验，
有利于学生构建光照强度和温度对光合作用强度影响的曲线模型。
（1）自制光源：2根6w的LED灯条串联组成12W一组，三组由一个分段控制器控制调控分别亮一组、两
组或三组，实现12W、24W、36W光照强度（如图1），一共两组装备在箱体中，箱体顶端有三个LED等接
口（如图2），可以继续扩大光照强度的研究范围。且实验中两根6W的LED灯可拆开，单独连接，就可使
光照强度的梯度缩小至6W，光照强度可以由最小6W开始不断升高。

（2）自制温度控制器：带温度控制器、温度探头的制冷装置1个
（如图3），加热灯1个，箱盖中温度控制器和温度探头与加热灯连接（如图4）。

此温控装置可实现对实验温度的较精确控制，以及进行系列温度梯度实验。原理是，实验过程中，即使是
6W的光照强度下，实验过程中，培养箱中的温度也会很快上升，所以当设置的实验温度低于实验光照强度
能引起的最大上升温度时，需通过制冷装备制冷，机制是与制冷装置相连接的温度控制器上设定实验温度，
与制冷装置连接的温度探头黏贴在反应瓶（装有小球藻的锥形瓶）上（以达到更准确的检测反应体系温度
目的），当温度高于设置温度时，制冷装置开启降温功能，当温度降至实验温度时，制冷装置关闭。由于
探头敏感度限制，所以实验温度会在预设温度左右发生正负0.2℃的波动，但对学生实验结果不会造成显
著影响，因学生需进行多次重复实验，且不同实验组之间的实验结果具有显著差异。只是在实验操作中，
每次更换光照强度时，需要几分钟温度稳定时间。此过程中，箱盖上不安装加热灯，与加热装置连接的温
控不设定温度，但一般会打开，用于检测箱体中的温度，所以与其连接的探头会黏贴在箱体中，此温控面
板上显示的温度非反应体系实际温度，因探头在箱体中比锥形瓶更靠近灯源，所以此温控板显示温度会比
反应体系实际温度稍高。需加热时，例如实验是在48W、35℃时，此时此温控装置设定温度，加热灯和制
冷装置同时打开，温度低于预设温度，制冷装置关闭，加热灯工作；高于时，制冷装置工作，加热灯关闭。
此时，与制冷装置相连接的探头和与加热装置相连接的探头均黏贴在锥形瓶上。
2.自制检测装置：瓶内压强与大气压强关系变化引起液滴移动，根据移动方向判断净光合作用情况，根据
液滴移动速率反映净光合速率（如图5），此装置可实现对净光合作用速率大于