叶圆片上浮法实验的若干问题探讨与分析

摘要

在采用叶圆片上浮法探究不同环境因素对光合作用的影响实验时，受制于实验条件、教学时长和学生基础等多种因素的影响，存在较多的弊端和问题。基于文献资料和实验探索，从实验材料、用具、试剂、条件和观测方法的选择和优化5个方面进行分析探讨，从中得出规律性的方法，以期为该实验的有效开展提供参考。

Graphical abstract

关键词

叶圆片上浮法 / 光合作用 / 影响因素

“探究环境因素对光合作用强度的影响”是人教版“分子与细胞”中的经典探究实践活动，是培养学生科学思维和科学探究能力的良好载体。教材实验采用叶圆片上浮法来展开探究，该实验看似简单，实则操作难度大、耗时长，结果的可靠性和重复性较低^［1］。笔者基于文献资料和实验探索，对实验材料的选择、器具的使用、试剂的配制、条件的优化等若干问题进行探讨与分析，从中找出较好的方法，以期为提升实验开出率和有效性提供参考。

1 实验材料的选择与处理

1.1 实验材料的选择

教材建议选择菠菜（Spinacia oleracea L.）叶作为实验材料。但菠菜叶片较薄，用打孔器制取叶圆片时易卷边或破损，且难以保证叶片大小一致，材料制备时间大幅延长。改用青菜（Brassica chinensis L.）叶片，不仅颜色深绿、大和厚，而且叶圆片制备效率显著提升。青菜受地域和季节的限制小，便于取材。根据实验创新需要，也可选取学生感兴趣或具有代表性和对比性的植物：如阴生和阳生植物；单子叶和双子叶植物；水生和陆生植物；C₃和C₄植物；等等^［2］。选材时，要尽量选用叶龄一致、厚薄适中的成熟纸质叶片，原因是：叶片过薄，密度较小，影响下沉；叶片过厚，影响上浮，不利于得出实验结果。当然，为提升实验成功率，材料选择须考虑叶圆片是否适于抽气。

有条件的实验室可采用黑藻［Hydrilla verticillata （Linn. f.） Royle］、单细胞藻类经固定化后形成的凝胶珠，也能得到类似的实验效果。例如：按比例称取海藻酸钠、黄原胶和明胶制备成凝胶，将小球藻（Chlorella vulgaris）置于凝胶中制备成小球藻凝胶珠，最后将小球藻凝胶珠置于CaCl₂溶液中固定即可。相比游离态，固定化的小球藻凝胶珠的生长周期更长，可实现重复利用。

1.2 叶圆片的制备

叶圆片的制备一般包括打孔、逐气、沉底和保存4个步骤。取生长旺盛的5～6片叶子重叠，用直径为0.6～1.0 cm的打孔器在主叶脉两侧对称、垂直地打孔，避开颜色不均匀的地方，以快速获得大量边缘整齐的叶圆片；逐气是依据真空渗水法原理——将叶圆片置于逐气装置（一般为注射器）内，用手指堵住注射器前端小孔，往注射器内注入适量蒸馏水，将活塞推进注射筒，注射器小孔朝上倒置，即可推动活塞排除注射器内的空气，此时可观察到叶圆片全部浮于水面上；再用一个手指堵住注射器小孔，另一只手用力往后拉动活塞，造成负压，就能使隐匿于叶圆片中的气泡变大而溢出。重复多次以上操作，就能使叶圆片细胞间隙充满水，直至全部沉到水底。

为提高效率，可在抽气时向后拉动活塞，且松开手指后再用手指敲弹注射筒，使附着在叶圆片表面的气泡逃离，从而加速叶片下沉。逐气完成后，将叶圆片倒入黑暗处盛有蒸馏水的烧杯中保存待用，避免其因干枯萎蔫或提前进行光合作用而影响实验效果。

2 实验用具的选择与使用

2.1 逐气装置的改进

在该实验中，最为常用且学生容易操作的逐气装置为注射器，其材质和大小的差异对实验的有效性、准确性和安全性影响较大。注射器的材质一般有玻璃和塑料两种。玻璃注射器密封性不够，抽气时会有大量小气泡从抽拉端产生；活塞易松动，需要往推杆上涂抹适量凡士林增加气密性^［3］。塑料注射器价格实惠，易获取，密封性与抽拉性较好，能有效排出叶片间隙中的空气，且不易破碎，即使破损也不会造成安全问题。

若注射器针筒直径太小（如10 mL以下），则叶圆片易重叠而导致单次逐气数量过少；若注射器太大，则负压抽气需要较大力气。就中学生而言，20 mL的注射器较为合适，小巧、易操作、抽气较彻底。然而，实际操作还是出现学生习惯用食指堵紧注射器前端，并未全手握紧注射器，导致另一只手很难同时拉动活塞，特别是力气较小的女生。针对这一情况，可取医用头皮针一端连接于注射器前端，剪去另一端的针头，将软管打结以达到封闭注射器的目的（图1），这样便于学生全手紧握注射器，拉动活塞更方便。另外，如果改变握管手势，用大拇指堵紧注射器前端，也能在一定程度上提高逐气效率。

研究影响实验的多种环境因素时，可选用100 mL甚至更大容量的注射器统一逐气，可一次性获得足够数量的叶圆片，以满足多组重复实验所需的材料，有效控制无关变量和节省实验时间。

有条件实验室可采用真空泵抽气法对叶圆片进行逐气。将装有叶圆片水溶液的三角烧瓶置于真空干燥器中，接上真空泵抽气5～10 min，放气后叶圆片沉于蒸馏水底部。该方法一次性抽气的叶圆片数量多，沉底效果好。

2.2 上浮容器的归并

30 mL溶液盛放在50 mL烧杯中，液面只有2.5 cm高；而在50 mL试管中，液面高于10.0 cm，则叶圆片可从试管底部缓慢上浮6～7 s。因此，用试管代替烧杯的实验现象更为明显。若将逐气装置和上浮容器合二为一，即选用20 mL塑料注射器来完成实验，则能显著提高实验效率^［3］。容器归并优势在于：①缩短实验操作时间。若设计多组实验，倒出叶圆片后再一个个夹入烧杯，则会消耗较多时间；②20 mL注射器能大幅度减少NaHCO₃溶液的使用量；③利用注射器的活塞可轻松排出原溶液并定量吸取所需溶液，更换溶液变得轻而易举。

3 实验试剂的选择与控制

3.1 NaHCO₃溶液的配制

溶液的配制应明确NaHCO₃的溶解度。例如，在20 ℃条件下，100 g水能溶解9.6 g NaHCO₃，此时NaHCO₃溶液的最大质量分数为8.76%。在探究“CO₂浓度”这一环境因素时，NaHCO₃溶液的梯度设置尤为重要。文献资料显示：不同的植物对CO₂浓度的需求存在差异，NaHCO₃溶液以0.5%～3.0%为宜^［4］。溶液浓度过低，不能长时间稳定提供CO₂；溶液浓度过高，碱性增强，既会对植物细胞造成伤害，也会使植物细胞渗透压发生较大改变。另需考虑的是，抽气后的小圆片能否在特定浓度的NaHCO₃溶液中沉底，避免因NaHCO₃溶液密度与小圆片密度相近而使小圆片一直浮于水面。

3.2 CO₂供源的选择

HCO₃^-水解产生的H₂CO₃易分解释放CO₂，因此，可选择NaHCO₃或KHCO₃作为CO₂供源。而K⁺能促进气孔打开，提高气体交换速率，进一步提高实验速率^［5］。CO₂泡腾片的主要成分为有机酸和碳酸氢盐，遇水能迅速释放大量CO₂，且加入CO₂泡腾片后水溶液pH变化不大，溶液呈中性，不会对实验造成其他干扰，因此也能作为CO₂的供源，但精度相对较低。

也有师生选择用吹气法提供CO₂，但由于用口吹气的强度难以控制，且CO₂浓度无法精确设定，对实验结果影响较大^［6］。此外，出于卫生情况考虑，建议采用配制好的试剂作为CO₂的供源。

4 实验条件的选择和优化

4.1 温度

温度的有效控制对该实验至关重要。首先，利用不同比例的冰水、常温水、热水混合，以调节溶液达到实验的设定温度。然而，受对流、辐射、传导等物理因素影响，溶液温度会逐渐接近室温，这时可以利用恒温水浴锅保持温度相对稳定。其次，白炽灯易发热，造成温度干扰，故可在光源和装置之间加风扇辅助控温，形成一道流动的气墙，不断吹走热空气；或选择冷光源的LED灯替代白炽灯，能更好地控制温度变量。第三，若开展该探究实验时环境温度较低，造成生物酶活性下降，实验人员则可提前将NaHCO₃溶液置于恒温水浴锅中保温，实验时再取出。

4.2 光照强度

在探究光照强度对光合作用的影响实验时，可通过调节光源与实验装置的距离改变自变量。但利用点光源设置光源距离时，不能简单认为相邻两个实验组距离差值相等即可，因为光照强度与距离的平方成反比。有条件的学校，可引进光强传感器精确定位光源与装置的距离。此外，还可直接凭借光照强度可调或不同功率的光源来设置高、中、低强度或者特定大小的光照强度^［2］。

4.3 光质

用不同颜色的玻璃纸包裹光源，或在光源和装置间适当位置放置不同颜色的玻璃纸能改变光质，可探究不同光质对光合作用的影响。用功率相同、颜色不同的灯泡或者用光学仪器设备设定不同光质的光，其生理辐射比较接近，实验结果更准确。可购买专门用于植物光合作用的LED灯，这些灯泡光谱窄、单色性好，无须过滤，即可直接产生单色可见光^［2］。当然，在光质实验过程中，需全程拉上窗帘，避免自然光干扰，且须用隔板将各实验组隔开或加大各实验组间距，避免不同光质间的相互影响。

5 观测方法的选择与改进

在光合作用过程中，沉底的叶圆片会产生O₂，而O₂在水中的溶解度很低。当叶圆片及其表面气泡浮力大于叶圆片重力时，叶圆片上浮。故而，可以将“叶圆片上浮速率”作为实验的因变量，依据单位时间内叶圆片上浮数量或上浮相等数量叶圆片所需时间来表征。采用线光源（图2）将烧杯与光源平行等距放置，通过摄像设备可实时观测叶圆片动态上浮情况。由图2可看出：在1.5%和2.0%的NaHCO₃溶液中，5 min时上浮的叶圆片数量较多；其次是1.0%的溶液，而0.5%的溶液中只有1片叶片刚要上浮；5.0%的NaHCO₃溶液因浓度太高，没有叶片下沉。

若个别小组实验失败或记录数据太少，可将所有小组数据整合，以增加样本数量，一定程度上也能得出实验

结果。在条件允许的情况下，每组实验应重复3次，并取平均值，以提升实验的科学性和准确度。个别小组会存在最后1片叶圆片很久才上浮的现象，则可视作实验误差^［7］，原因是当样本量较大时，个体差异对结果影响较小。

6 结语

学生通过实验发现：将实验材料由菠菜替换为青菜后，叶圆片的制备效率显著提升；20 mL的注射器小巧、易操作、抽气较彻底，能在短时间内制备足量的沉底叶圆片；就青菜而言，设置0.5%～2.0%的NaHCO₃溶液梯度进行实验，无论是线光源还是点光源，均能得到：在1.5%和2.0%的NaHCO₃溶液中，实验时上浮的叶圆片数量较多，且实验观测较为简便和直观，5～10 min即可得到实验结果。可见，实验材料、用具、试剂、条件以及观测方法的改进和优化，确实能降低操作难度，减少实验时间，同时学生能更好地观测实验现象，得出实验结论，最终显著提高该实验的开出率。

参考文献

[1] 李俐.“探究环境因素对光合作用强度的影响”实验改进与教学设计［J］.生物学通报，2014，49（10）：34-37，63.

[2] 江月玲，刘顺枝，胡位荣，等.“环境因素影响光合作用的叶圆片上浮法”实验的改进［J］.植物生理学通讯，2009，45（05）：495-496.

[3] 戴赟，汪婷婷，黄建书.真空渗水法“探究影响光合作用的因素”的实验装置设计［J］.生物学教学，2019，44（05）：47-49.

[4] 谭洁敏，袁敏，黄胜琴，等.对“叶圆片上浮法”实验的三点优化［J］.中学生物教学，2016（07）：49-50.

[5] 彭飞.“探究光照强弱对光合作用强度的影响”实验改进［J］.中学生物教学，2019（11）：40-41.

[6] 徐守跃.“环境因素对光合作用速率的影响”的实验改进［J］.生物学通报，2011，46（06）：54-55.

[7] 夏天，魏昌瑛.“探究环境因素对光合作用的影响”实验探讨［J］.生物学通报，2017，52（02）：54-57.

基金资助

浙江省教育科学规划2021年度一般规划课题“现象教学模式下高中生科学探究能力培育策略研究”(2021SC062)

2021年度浙江省教育信息化研究课题“智慧教育背景下高中“绿色”教学的实践与研究”(2021ETC182)