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视频标签：光合作用的因素
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视频课题：高中生物说课视频_探究影响光合作用的因素_汪婷婷
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探究影响光合作用的因素
上海市闵行第三中学 汪婷婷
一、使用教材
“探究影响光合作用的因素”是上海科学技术出版社《生命科学》高中第一册第4章“生命的物质变化和能量转换”中第2节“光合作用”中的探究实验。
二、实验器材
结香叶片，自制实验架（含LED灯），煮沸后急速冷却的水和用其配制的0.2%NaHCO3、0.4%NaHCO3、0.6%NaHCO3、0.8%NaHCO3、1.0%NaHCO3溶液，清水，烧杯，注射器（20mL/内径21mm），计时器，内径为4mm的钻孔器，镊子，培养皿，记号笔，圆形标签纸等。
三、实验创新要求/改进要点
（一）实验材料
课前选取校园内多种植物叶片，比较用“真空渗水法”使叶圆片下沉的难易程度，发现结香叶圆片最易下沉。同时，结香植株叶片数量多、叶面积大，是最佳的实验材料。
图1 校园内多种植物叶片 图2 校园内的结香植株
（二）NaHCO3溶液浓度改进
通常使用0%NaHCO3、0.5%NaHCO3、1%NaHCO3、2%NaHCO3、4%NaHCO3来探究CO2浓度对光合作用的影响，但发现结香叶片的实验结果如图3所示。为了更好地反映“在一定范围内光合作用强度随CO2浓度升高而增加”，我们实验研究后发现0%NaHCO3、0.2%NaHCO3、0.4%NaHCO3、0.6%NaHCO3、0.8%NaHCO3、1.0%NaHCO3更为适合。
图3 结香叶片NaHCO3浓度与叶圆片上浮时间的关系
（三）实验装置创新
1. 实验装置简介
（1）灯源——LED灯
通常用白炽灯（图4）作为光源，易发热而造成温度干扰。我们使用的冷光源LED灯（图5），能更好地控制温度变量，使实验结果更有说服力。
图4 白炽灯 图5 LED灯
（2）容器的归并——注射器
通常10mL玻璃注射器用于“真空渗水法”方案使叶圆片下沉，100mL烧杯作为叶圆片光合作用上浮的容器（图6）。在实际操作中，注射器内下沉的叶圆片需要倒出后再一个个夹入烧杯，若设计多组实验，这个步骤必然耗时较多。同时，负压抽气时10mL玻璃注射器较易破碎，存在一定的安全隐患。
我们的实验装置设计使用20mL塑料注射器，兼具10mL玻璃注射器和100mL烧杯的功能（图7）。即用20mL塑料注射器使叶圆片下沉后，无需更换容器，直接在该注射器内进行叶圆片光合作用上浮实验。其优势有：
①简化操作步骤，缩短实验时间；
②成倍减少试剂使用量：相比100mL的烧杯倒入30~40mL的NaHCO3溶液，20mL注射器只要使用15mL即可；
③轻松定量更换溶液：利用注射器的活塞即可轻松排出原溶液并快速定量吸取所需溶液；
④安全性更强：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价格低不少。
图6 10mL玻璃注射器内叶圆片下沉 图7 20mL塑料注射器内
100mL烧杯内叶圆片上浮 叶圆片下沉及上浮
（3）自制实验架
我们设计的自制实验架，既考虑注射器和光源的放置，又考虑能较好地控制温度、光照等实验条件，主要结构包括上圆盘、下圆盘和支撑柱三部分（图8）。下圆盘半径23cm，圆心处设计了LED灯的灯座，可根据需要更换灯源。3根支撑柱高25cm，正好能确保注射器内放置叶圆片的部分与光源处于同一水平面，且能清晰观察叶圆片上浮情况（图9）。上圆盘半径与下圆盘等同，并在其半径10cm、15cm、20cm的三个同心圆（分别记作内圈、中圈和外圈）上设置3圈放置注射器的小孔，每圈6个共18个。小孔孔径2.25cm，正好插入一个20mL注射器。每圈小孔均匀分布，各圈小孔呈镶嵌状排列不互相遮挡从圆心发出的光（图10）。
（1）侧面图 （2）俯视图（示上圆盘）
图8 实验架实物图
图9 实验架平视结构图 图10 实验架小孔设计图
2. 实验装置在探究光合作用影响因素实验中的运用
（1）单因素实验
利用本实验装置可探究多种单因素实验，如光照强度（图11）、CO2浓度（图12）、光质、温度等因素对光合作用的影响。
图11 光照强度对光合作用影响的探究实验分组设计图和实物图
将注射器置于上圆盘的内圈、中圈和外圈以获得3种不同的光照强度，如图11左图中①⑦⑬小孔处相互对照，同时确保各注射器内放置有等量相同的叶圆片和等量相同浓度的NaHCO3溶液（或煮沸后迅速冷却的水）。利用起整个圆盘的小孔，最多可以设置6个重复，取均值以减小误差。
图12 CO2浓度对光合作用影响的探究实验分组设计图和实物图
在注射器内吸取等量不同浓度的NaHCO3溶液，分别置于上圆盘的同一圈层中，确保各组间光照强度和温度一致。本装置最多可进行6个浓度梯度的NaHCO3溶液探究。
（2）双因素实验
利用本实验装置设计双因素实验，可以同时探究光照强度、光质、CO2浓度、温度以及叶龄等因素中的2种。以探究光照强度和CO2浓度对光合作用的综合影响为例，若需要设置3种光照强度和3种CO2浓度，可以按下表1设计9个注射器，分别置于如图13所示的上圆盘①~③、⑦~⑨、⑬~⑮小孔中。若设置6个梯度浓度的NaHCO3溶液，则需要使用起整个上圆盘的18个小孔。
表1 探究光照强度和CO2浓度对光合作用综合影响的探究实验分组设计表
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光照强
度1(内圈) |
光照强
度2(中圈) |
光照强
度3(外圈) |
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浓度1的NaHCO3溶液 |
① |
⑦ |
⑬ |
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浓度2的NaHCO3溶液 |
② |
⑧ |
⑭ |
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浓度3的NaHCO3溶液 |
③ |
⑨ |
⑮ |
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…… |
…… |
…… |
…… |
图13 探究光照强度和CO
2浓度对光合作用综合影响的探究实验分组设计图和实物图
（四）实验结果记录表设计
通常真空渗水法的记录表设计如表2，实验时每隔5分钟记录一次叶圆片上浮数量，持续20分钟。叶圆片平均上浮时间的计算方法是“（5a+10b+15c+20d）/（a+b+c++d）”。
表2 真空渗水法的记录表
杯
号 |
条件 |
不同时间(min)叶圆片上浮数 |
叶圆片平均上浮时间(min) |
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温度 |
光照 |
NaHCO3溶液 |
5 |
10 |
15 |
20 |
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a |
b |
c |
d |
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我们设计了新的真空渗水法记录表（表3），实验持续10分钟，记录每个叶圆片的上浮时间。叶圆片平均上浮时间的计算方法是“(e+f+g)/3”，计算简便，误差也小。
表3 新的真空渗水法记录表
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注射器号 |
条件 |
结香叶圆片上浮时间（秒） |
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室温 |
光照强度 |
NaHCO3浓度 |
叶圆片1 |
叶圆片2 |
叶圆片3 |
平均值 |
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e |
f |
g |
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（五）利用Excel软件记录实验数据和生成图表
利用Excel软件新建工作簿后，定义好输入实验数据的单元格，并利用这些单元格的数据插入折线图，调整折线图的大小和界面缩放级别，使各单元格的数据与折线图处于同一界面，就可以实现输入数据的时候同时生成各组和汇总后的全班折线图（图14）。
图14 利用Excel软件记录实验数据并生成图表的界面图
（六）设计实验探究能力评价表助力学生能力形成
针对学生实验探究过程中涉及的知识、能力和情感等内容，设计评价表（图15）的各项细目，贯穿整个教学过程，有助学生形成包括探究能力在内的学科核心素养。
图15 实验探究能力评价量表
四、实验原理/实验设计思路
利用真空渗水法排除叶圆片细胞间隙中的气体，充以水分，使叶圆片沉于水中。在光合作用过程中，叶圆片吸收CO
2放出O
2，由于O
2在水中溶解度很小，主要积累在细胞间隙，结果可使原下沉的叶圆片上浮。因此，根据叶圆片上浮所需时间长短，能比较光合作用的强弱。
（课前）参观上海交通大学浦江绿谷农业基地，发现并提出问题。（课中）播放参观视频导入光合作用影响因素→通过思考“叶圆片上浮的原因”和“获得下沉叶圆片的方法”这两个问题明确“真空渗水法”的实验原理→分组讨论设计实验方案再全班展示完善，使方案更科学合理→明确实验注意事项，分组实施实验→获取并处理实验结果→汇总各组数据分析CO
2浓度与叶圆片上浮时间的关系并得出结论→反思并总结降低实验误差的方法→实验拓展延伸。（课后）实验评价→光照强度对光合作用影响、光照强度和CO
2浓度双因素对光合作用的综合影响方案的实施→运用实验装置进一步探究新的疑问。
五、实验教学目标
1. 参观农业基地，认识光合作用知识在提高农作物产量中的作用，发现并提出与光合作用有关的问题。
2. 理解“真空渗水法”方案的原理，设计“探究CO
2浓度对光合作用影响”的实验方案，深入理解实验的对照原则、平行重复原则和单因子变量原则。
3. 经历科学探究的基本过程，运用分析、推理和综合等思维方法分析实验结果，说明CO
2浓度对光合作用影响，提升科学思维和科学探究能力。
4. 通过实证，初步理解提高农作物产量的具体措施，并能用物质与能量观解决实际问题。
六、实验教学内容
本实验主要探究“CO
2浓度对光合作用强度的影响”。本课从参观农业基地的视频情境导入，设计实验方案并探究CO
2浓度对光合作用的影响，通过数据分析得出实验结论，理解CO
2浓度与光合作用强度的关系。并在此基础上能设计光照强度对光合作用的影响、CO
2浓度与光照强度对光合作用的综合影响的实验方案，体验实验探究的乐趣，提升学生的探究能力。
七、实验教学过程
（一）课前
1. 参观上海交通大学浦江绿谷农业基地，仔细观察植物的生长状态与大棚的相关设施，发现并提出与光合作用有关的问题。
（二）课中
1. 创设情境，引入新课
首先播放参观视频片段，创设情境，引入课题“探究影响光合作用的因素”。结合光合作用反应式，引导学生分析影响光合作用的外因、内因，并思考测量光合作用强度的指标。
2. 巧设问题，明确原理
思考叶圆片上浮的原因和获得下沉叶圆片的方法这两个问题明确“真空渗水法”的实验原理。
3. 交流讨论，设计方案
结合实验原则，分组讨论完成“探究CO
2浓度对光合作用强度影响”的实验方案设计，并通过全班的交流完善实验方案使其更加科学合理（图16）。
图16 小组学生实验方案设计及交流
4. 分组合作，实施实验
教师介绍实验注意事项后，指导学生分组实施实验（图17），仔细观察叶圆片上浮的现象并及时记录叶圆片上浮时间并求出平均值。
图17 学生小组开展实验
5. 汇总数据，展现图表
利用Excel软件定义好输入实验数据的单元格和折线图，把实验数据输入电脑的同时出现各小组和全班的折线图（图14）。
6. 分析数据，得出结论
分析实验数据，得出有关CO
2浓度与光合作用强度关系的实验结论。
7. 回顾过程，总结实验
结合实验过程，总结在本次实验实施中采取的有效降低实验误差的方法。如在基本相同的叶片位置打孔获取叶圆片、注射器带刻度可快速定量戏曲溶液、统一放置实验架内圈可有效控制光照强度和温度等（图18）。
图18 装置改进对比图
自制实验架内圈的6个小孔与光源距离相同，可以有效的控制光照强度、温度这些无关变量，从而减少实验误差。
8. 拓展研究，交流分享
基于CO
2浓度对光合作用影响的探究实验，设计光照强度对光合作用影响、光照强度和CO
2浓度双因素对光合作用的综合影响的实验方案，并交流分享（图19）。
图19 学生交流分享拓展实验方案设计
（三）课后
1. 对照评价表（包括知识评价和操作评价）完成学生自评、他评和师评（图20-a）。
2. 光照强度对光合作用影响、光照强度和CO
2浓度双因素对光合作用综合影响的方案实施（图20-b、图20-c）。
3. 运用实验装置进一步探究新的疑问，如结合学校航天特色探究航天椒的光合作用是否优于与普通青椒的课题（图20-d）。
a 师生完成评价量表 b 光照强度对光合作用影响的方案实施
c 光照强度和CO
2浓度双因素对 d 结合学校航天特色探究航天椒的
光合作用综合影响的方案实施 光合作用是否优于与普通青椒
图20
八、实验效果评价
1. 实验试剂和仪器等更为经济、安全，操作便捷
使用自制实验装置，实验中无需准备数量众多的烧杯，试剂量也减少，能大大减轻实验员在实验前后准备和整理的负担。
2. 教师能更好地调控学生实验完成的时间
20mL注射器作为叶圆片光合作用上浮容器、结香叶片的选择、Excel软件的运用、NaHCO
3溶液浓度比例的缩小、轻松换用不同瓦数的LED灯等可为教师更好地调控学生实验完成的时间，匀出更多宝贵的时间组织各种深入研讨。
3. 能更好地控制变量，减少实验误差
自制实验装置内、中、外圈的设计能有效地控制温度、光照强度等实验变量。新真空渗水法记录表的使用、叶圆片实验注意事项的介绍等能更好地减少实验误差。
4. 自制实验架的运用使课堂进行多种探究实验成为可能
本次实验学生体验了“CO
2浓度对光合作用强度影响”的完整实验探究。
同时还设计了光照强度对光合作用影响、光照强度和CO
2浓度双因素对光合作用综合影响的实验方案。
5. 课内外资源的整合，凸显了学科价值
课前参观农业基地，观察大棚蔬菜和无土栽培植物，认识光合作用知识在提高农作物产量中的作用；课后结合学校航天特色，运用实验装置进一步探究航天椒的光合作用是否优于普通青椒的课题等，都使学生体会到生命科学的学科价值。
6. 评价促进学生实验探究能力的提升
基于《实验探究能力评价量表》（包括知识评价和操作评价）完成学生自评、他评和师评。立足过程、立足发展的全面评价，有利学生反思过程发现不足，从而有效提高自己的探究能力，也能帮助教师更充分了解学生，有利于针对性促进学生能力的发展。
视频来源：优质课网 www.youzhik.com
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