光合作用实验的多元改进与创新

摘要

以自制的“多功能光照培养箱”为工具，以分组实验探究为主线，对“探究环境因素对光合作用强度的影响”这一实验进行改进和创新。以探究“光照强度对光合作用强度的影响”为例，采取优化实验材料、改进实验装置、创新实验检测方法等举措，通过分组实验、任务驱动、成果分享等活动展示实验流程，证明多元改进与创新的必要性与可行性。

Graphical abstract

关键词

多功能光照培养箱 / 光合作用强度 / 高中生物学实验 / 多元改进与创新

《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》建议学校积极推动教师开展研究型、创新性的实践教学，便于学生探索、优化生物学实践拓展项目。为此，笔者以“环境因素对光合作用强度的影响”作为核心探究课题，依托自制的“多功能光照培养箱”开展相关实验研究，其研究重点在于精确操控变量、观察记录现象，并最终对实验数据进行量化分析，以揭示其内在规律^［1］。

1 实验分析

“探究环境因素对光合作用强度的影响”是人教版高中生物学《必修一·分子与细胞》中的经典实验，有助于学生掌握科学探究的思路和方法，并建构生物学重要概念。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》指出：教师应鼓励学生参与设计实验，实验设计应该多样化，在重视定性实验的同时，也应重视定量实验，让学生在量的变化中了解事物的本质^［1］。因此，教师应引导学生在实验过程中边质疑边思考，逐步完成实验改进和创新。

2 实验改进方案

2.1 实验改进一：实验材料的优化

发现问题：教材采用“圆形叶片上浮法”探究光照强度对光合作用强度的影响。但学生在实际操作中经常遇到以下问题：①打孔器容易破坏叶绿体，叶圆片易贴杯壁；②打孔及抽气的过程较为烦琐，实验耗时长；③叶圆片上浮速度慢，延误课时进度。

改进策略：选用绿菊、苹果草、黑藻、铁皇冠、蜈蚣草、水竹等6种常见的水生植物进行材料探究，即对其叶片面积的大小、叶绿体的数目、光下产生气泡的数目等指标进行对比，最终选择黑藻作为实验材料。黑藻的优点表现为：①无需打孔和抽气，避免破坏叶绿体；②黑藻细胞叶绿体多，光合作用强，实验现象明显；③渔业有谚语“蟹大小，看水草”，新型的生态养蟹技术将黑藻种植在蟹池里，可见黑藻有很高的生产实践价值^［2］。6种水生植物比较效果见图1。

2.2 实验改进二：实验装置的改进

发现问题：教材采用的是LED灯，即通过控制LED灯与装置之间的距离来控制光照强度，学生遇到的问题有：①LED灯产生的热量会改变温度；②外界环境中的光照会干扰实验结果；③3组实验可能会彼此干扰。

改进策略：自制“多功能光照培养箱”展开实验，利用此装置可探究光照强度、光质、光照频率、温度、CO₂浓度等多种环境因素对光合作用强度的影响。

“多功能光照培养箱”是由软件“3D ONE”设计的3D立体模型，选用不透光的树脂材料并通过3D打印机打印而成。“多功能光照培养箱”中的智能灯带是由24个无极调光的LED灯组成，可以通过手机“智灯”App将光照强度设定在0~12 klx范围内的任意一挡，从而实现一键开启并调节光源；调整灯带的功率，可调节“光照强度”。该装置制作简单、成本低廉、条件简单易控，具有较强的可复制性和推广性。由3D打印机打印的“多功能光照培养箱”如图2所示。

2.3 实验改进三：检测方法的创新

发现问题：教材以统计相同时间内小圆片浮起的数量作为因变量的检测指标。学生遇到的问题：①小圆片上浮的速度慢，实验耗时长；②实验结果偏向于定性实验，易受主观因素干扰。

改进策略：实验采用自制的光合反应瓶装置，它由带软胶塞的玻璃瓶、输液管及黄色液滴组成。具体操作如下：将输液针头插入光合反应瓶上的橡皮塞，选用新鲜的芒果汁（黏稠度高、颜色鲜艳且不易断层）作为液滴来指示光合作用过程中释放O₂的量；将输液管从“多功能光照培养箱”背后的小孔处穿过并充分拉直，如图3所示；使用注射器向输液管一端注入长约1 cm的芒果汁液滴，用记号笔标注液滴的初始位置，观察并记录5 min后液滴的终止位置，从而计算出光合作用过程中O₂释放导致液滴移动的距离。

设计意图：针对学生在预实验中遇到的问题，鼓励全班学生以头脑风暴方式展开研讨；师生协作，共同优化实验方案并付诸实践，学生在亲历科学探究的过程中，既感受到科学探究的乐趣，又有效提升学科核心素养，达成培养实践型人才的目的。

3 实验教学过程

3.1 创设情境，导入新课

教师巧妙创设生活情境，激发学生对实验内容的兴趣。在参观“深圳大学现代生态农业科技示范园”的过程中，学生萌生了很多问题：温室中，不同植物光合作用的最适温度一样吗？大棚内设计的排风扇、水帘风机分别起什么作用？植物工厂中的人工光照与太阳光照进行光合作用的效果一样吗？使用哪种颜色的光效果最好？如何控制外界环境因素，让大棚内的植物长得更快更好？教师及时收集学生的问题，通过创设情境引导学生自行设计实验、探寻答案，从而激发他们的探究热情^［3］。

设计意图：通过学生熟悉的生活场景导入新课，快速吸引学生的注意力，收集环环相扣的问题链，驱动学生的认知活动，激发学生的求知欲望。

3.2 分组实验，任务驱动

基于对实验材料、装置和仪器的改进，师生共同选择4个实验主题并拟定相应的探究方案^［4］。

拟定的4个探究主题：探究光照强度对光合作用强度的影响；探究光质对光合作用强度的影响；探究温度对光合作用强度的影响；探究CO₂浓度对光合作用强度的影响。在分组实验前，每个小组选择其中一个探究任务展开实验操作。

以“探究光照强度对光合作用强度的影响”实验为例，其实验操作流程为：称取6份等量的黑藻，将其分别加入盛有等量的1.5% NaHCO₃溶液的光合瓶中，塞上瓶塞后将已注入1 cm芒果汁的注射管插入瓶塞中；将光合瓶放入光照培养箱中，拉平注射管并用记号笔标记好黄色液滴的初始位置；将6组光照强度分别设定在3~8 klx的范围内，一键开启6组光源，并用光照强度测量仪检测各组光照强度；盖上黑布后开始计时，5 min后观察并测量输液管中黄色液滴移动的距离；将采集数据输入Excel，即可据此绘制出曲线，如图4所示。

“多功能光照培养箱”的功能多种多样，除了探究光照强度对光合作用强度的影响外，还可以探究光质、温度、CO₂浓度等环境因素对光合作用强度的影响。

具体调控方法：往6组灯带上粘贴不同颜色的滤光片，以调节“光质”；往反应瓶中加入不同温度的水（即水浴保温），以调节各组“温度”；配制不同浓度的NaHCO₃溶液，以调节“CO₂浓度”。

设计意图：教师鼓励学生自主设计实验，引导他们利用自制的“多功能光照培养箱”进行操作。实验中，学生使用“带塞玻璃瓶、输液管和黄色液滴”的组合装置测量光合作用产氧速率，从而将定性实验转化为定量研究。这一教学实践一方面有助于培养学生严谨的科学态度和缜密的实验思维，另一方面也为他们的终身学习奠定了坚实的科研基础^［5］。

3.3 成果总结，拓展升华

实验结束后，教师趁热打铁，鼓励每个小组派出代表上台汇报实验结果，分享实验心得。学生将实验设计思路、操作方法、所感所悟进行分享交流，既体验了获取知识的愉悦感，又获得了探究学习的成就感，还有效地提高了语言表达能力。

设计意图：在实验探究活动中，教师不再是知识的传授者，而是学生探究活动的组织者、引导者和合作者，学生才是追求知识、提升能力的践行者^［6］。在拓展探究过程中，学生逐步养成严谨求实的科学态度，有效提升了他们的科学探究能力与学科核心素养。

4 教学反思

4.1 在实验探究中发展学生的科学思维

新课标强调，生物学实验要注重探究性和多样性。本实验设计重视与数学、物理、化学等学科知识的交叉融合，引导学生以问题为核心、以实验为载体，亲身体验实验探究过程中的严谨性、创新性、多样性，最终助力其创新思维的发展。

4.2 在实验改进中培养学生的探究能力

生物学实验重在细节，贵在创新。围绕“探究环境因素对光合作用强度的影响”的主题，引导学生拓展创新，在发散思维过程中厘清实验思路、优化实验方案、完善实验步骤、分析实验数据。在此过程中，学生的实验活动不再拘泥于教材中的简单文字介绍，而是融入了学生亲自动手、亲身体验的环节，他们在实验改进过程中提升探究能力，在劳动教育过程中获得科研成就感。同时，增强了课堂的灵动性，提高了学生的创造性。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020．

[2] 郭琪琦.基于STEM理念的高中生物实验教学改进策略：以“探究环境因素对光合作用强度的影响”为例［J］.中学生物教学，2019（13）：34-36.

[3] 王宇.“探究环境因素对光合作用强度的影响”实验教学设计［J］.生物学教学，2023，48（09）：50-53.

[4] 邓巧文.基于新课标和STEM理念下的实验教学设计：以“探究环境因素对光合作用强度的影响”为例［J］.中学生物教学，2021（17）：58-61.

[5] 马倩倩.基于核心素养的高中生物学实验改进与创新：以“探究环境因素对光合作用强度的影响”为例［J］.中学生物教学，2024（09）：57-60.

[6] 于增杰，邓晓锋.“环境因素对光合作用强度的影响”实验的改进［J］.实验教学与仪器，2024，41（04）：76-77.

基金资助

2022年度广东省中小学教师教育科研能力提升计划项目专项课题“信息技术与高中生物学实验教学融合的实践研究”(2022YQJK364)

2023年广东省中小学教师信息技术应用能力提升工程2.0专项科研课题“信息技术融合高中生物学实验教学的案例开发研究”(TSGCKT2023229)