“探究CO2浓度对光合作用强度的影响”的实验教学案例*

赵广宇 汪绍鑫

（成都市石室中学 四川成都 610041）

1 设计思想

本节课是在学生学习了光合作用的基础知识以后，通过 “探究CO2浓度对光合作用强度的影响”的探究性实验，力图以CO2浓度作为自变量、以O2生成量作为因变量，引导学生探究CO2浓度变化对光合作用影响的本质原因，以构建光合作用过程的模型，进而探索光反应与暗反应之间的关系，促进学生理解光合作用的内涵。

本节课设计了2个学生自主探究实验：一是探究CO2浓度变化对光合作用强度的影响；二是探究CO2浓度达到饱和点后，改变光照强度对光合作用强度的影响。教学过程采取教师引导下的学生自主探究学习，即 “假设—实验—分析—结论—模型构建”的方式，沿2条主线完成学习任务：一是知识主线，通过实验探究的过程，引导学生深刻理解光合作用过程的知识；通过自变量→CO2浓度与因变量→O2生成量之间关系的讨论，构建光反应与暗反应之间的关系，最终实现丰富和完善光合作用的知识网络，构建光合作用的概念体系。二是能力主线，教师引导学生学会设计和控制自变量与因变量、收集和处理实验数据、分析实验数据得出结论，从而提升学生的实验与探究能力。

最终，通过探究性实验活动促进光合作用等相关知识的内化理解，实现光合作用过程模型的自主构建；同时，通过探究性实验活动的开展，使学生领悟探究性实验研究中，有关变量的控制、实验数据的处理等实验研究的方法。

2 教学重、难点

1）教学重点：探究CO2浓度变化对光合作用强度的影响；

2）教学难点：控制实验变量；构建CO2浓度对光合作用强度影响的数学模型。

3 教学目标

1）知识目标：阐述CO2浓度等外界因素对光合作用强度的影响；说明光反应与暗反应之间的关系；总结得出CO2浓度对光合作用强度影响的变化规律。

2）能力目标：在“探究CO2浓度对光合作用强度的影响”活动中，尝试做出预期和假设；学会控制实验变量；学会处理实验数据，构建光合作用过程的模型。

3）情感态度与价值观目标：在实验过程中，体验科学实验的严谨性、科学性。

4 教学准备

材料及主要器材：黑藻、CO2发生器、简易pH计、组装注射器、不同功率LED灯、锥形瓶、橡皮塞、1 mL移液管、刻度尺、烧杯等。

5 教学过程

5.1 回顾已有知识，提出探究课题 教师提出问题引导学生回顾光合作用的过程：根据光合作用过程，指出影响光反应和暗反应的外界因素分别是什么？学生回答：光照强度和CO2浓度。教师追问：能否说明光照强度和CO2浓度对光合速率影响的变化规律？学生一时难以回答这些问题，教师由此提出探究课题：以CO2浓度为例，通过实验探究外界因素对光合作用强度的影响。

5.2 应用已学知识，预测实验结果 教师提出：依据光合作用过程，预测CO2浓度对光合强度影响的规律性变化，并绘制曲线坐标图。学生结合自己对光合作用知识的理解，预测有3种情况（如图1）：①随CO2浓度增加，光合强度先增加后减小；②随CO2浓度增加，光合强度先增加，到一定值后会趋于平稳；③随CO2浓度增加，光合强度一直增加。

图1 预测CO2浓度对光合作用强度的影响

教师要求学生说明预测的理由，学生共同的观点是：CO2是光合作用的原料，CO2浓度增大，光合作用的强度应该增大。不同意见在于：观点①认为CO2过多会影响细胞呼吸，从而限制光合作用；观点②认为光合作用强度达到一定数值后，植物不需要更多的有机物，因此CO2浓度再增加，光合强度不再增大；观点③认为CO2作为光合作用的原料，其数量增加会不断使光合作用加强。显然，学生都无法做出正确的解释，说明还没有真正理解光合作用的实质，由此也激发了学生探索知识的欲望。

5.3 创新实验装置，探索变量控制 学生根据已有的知识和实验技能，大都能自主完成实验程序的设计，主要差别在于：①自变量控制方法不同；②选择的因变量不同。这样就导致设计的实验装置不同，使学生对实验的科学性、可操作性产生分歧。

5.3.1 控制自变量，创新实验装置 根据设置不同浓度梯度CO2的需要，学生提出控制自变量的方法有2种：①用嘴吹气的方式，向水体中通入不同体积的CO2气体；②在水生植物的环境中，加入等量不同浓度的NaHCO3，以释放不同浓度的CO2。

针对方法①，反对者认为：由于个体差异、速率、强度、时间都难以控制，设置的自变量不够准确。学生受到习题的影响，普遍认为方法②可行，而教师提示：当环境溶液浓度增大时，水生植物细胞会受到什么影响？学生由此得出结论：环境溶液浓度增大导致细胞失水，气孔关闭，使光合作用强度下降，影响实验结果。学生意识到方法②存在问题，但受到已有知识和能力的制约，对如何控制自变量感到迷茫。

此时，教师展示制气装置——CO2发生器，并利用简图（图2）讲解其原理：2瓶中分别装有柠檬酸溶液和NaHCO3溶液。多次挤压A瓶，使柠檬酸溶液流入B瓶与NaHCO3溶液接触，反应生成CO2气体；当B瓶CO2过多时，压强增大可阻止A瓶溶液流入B瓶，减少气体生成；当B瓶CO2过少时，压强减小则A瓶溶液顺利流入B瓶，增加气体生成。因此可产生连续、稳定、纯净的CO2气流。

图2 CO2发生器及简图

定量控制自变量的方法：控制通气时间可定性设置自变量；也可以结合pH计，利用化学电离平衡常数（Ka）准确计算溶液中的CO2浓度。本实验设置的CO2浓度梯度为：3.0μmol/L、6.0 μmol/L、9.0 μmol/L、12.0 μmol/L、15.0 μmol/L， 从而实现对自变量的定量控制。

学生学习CO2发生器的原理后，在教师指导下，尝试完成装置的装配并练习使用（图3），以便实现定量控制自变量的准确性。

图3 学生练习使用实验装置

5.3.2 选择因变量，构建知识体系 学生选择的因变量为CO2消耗量或有机物生成量，但在设计实验装置时发现，因变量的检测很难完成。此时，教师提示学生：可否以O2生成量作为因变量？并组织学生展开讨论，在讨论过程中，教师引导学生运用光合作用过程的知识，重点思考光反应与暗反应的关系。学生通过分析、讨论得出：CO2浓度增大使暗反应加快，导致ATP和［H］消耗增多，因此促进光反应加速，使O2释放速率加快。同时，教师引导学生构建概念模型（图4）。这样，学生在确定以O2释放量作为实验因变量的同时，也促进了对光合作用光反应和暗反应联系的理解。

图4 学生构建光合作用过程概念模型

5.3.3 安装实验装置，完成实验操作 教师讲解实验装置（如图 5）：250 mL锥形瓶中装满 CO2溶液和5 g黑藻,橡皮塞上安装带刻度的1 mL移液管，采用水集气法［1］，在 LED灯下（光照强度为1.0×103lx）光照 15 min，测定 O2释放量。 改装注射器便于调节液柱高度。该装置可定量测定O2释放量：移液管上升高度通过测量，可定量转化为O2体积。

图5 光合作用实验装置

教师强调实验注意事项后，学生按照以下步骤完成实验操作：1）安装实验装置（图 6）；2）完成实验操作；3）观察实验现象（图 7）；4）测定、记录、处理数据（图8）。

图6 学生安装实验装置

图7 学生观察实验现象

图8 学生测定、记录、处理数据

5.4 处理实验数据，构建数学模型

5.4.1 处理数据，总结规律 学生将实验数据记录在坐标图中，并绘制成曲线图。教师要求每个小组将本组实验数据标注在黑板坐标图上（图9），引导学生对数据进行分析,比较各小组实验结果的异同。

图9 各小组展示实验结果数据

学生的结论是：有8个小组绘制的曲线趋势大致相同，能够证明CO2浓度对光合作用强度影响的规律；另外2个小组结果不同，可能是操作出现错误等。

教师顺势教学生学习处理有明显偏离的数据的方法——舍弃后求平均值：舍弃偏差过大的2个小组数据，将8个小组的数据汇总求平均值。进而得出：本次实验测得的O2释放速率约为0～6×10-7mol/（g，min）。 以此得出规律：在3.0～12.0 μmol/L 的范围内，随 CO2浓度增加，光合速率增强；当 CO2浓度超过12.0 μmol/L，即在12.0～15.0 μmol/L 时，光合速率不再增强。

5.4.2 构建模型，内化概念 教师要求学生根据处理后的实验数据，绘制平滑曲线，构建数学模型（图10）；并要求学生阐述CO2浓度影响光合作用强度的规律及其原因：ab段，光照充足，光反应产生足量的ATP和［H］，为暗反应提供能量和还原剂；当CO2浓度增加，光合速率随之增强。bc段，随CO2浓度的持续增加，光反应提供的ATP和［H］不能满足暗反应的需求，限制了暗反应的进行，光合速率不再增大而保持相对稳定。

图10 CO2浓度对光合作用强度影响的数学模型

5.5 补充探究实验，完善知识体系 教师提出问题：如何验证大家对bc段的分析？学生得出：在b点以后增大光照强度,测定光合速率，并设计实验方案：设置 CO2浓度分别为 12.0 μmol/L、15.0 μmol/L的2个实验组，给予比前面实验组增大的光照强度，即在使用LED灯（光照强度为 1.8×103lx），其余条件都相同的条件下，测定O2的释放量（装置如图 11）。

图11 增大光照强度探究实验装置

学生通过实验，用测定的结果绘制坐标图（图12）。在此基础上，教师引导学生总结光合作用的过程、光反应与暗反应之间的关系等知识，构建概念图（图13）。

图12 增大光照强度后的实验结果

图13 进一步完善光合作用过程模型

在教师引导下，学生加深了对光合作用过程的理解，领悟了光反应与暗反应的关系，真正内化了光合作用的相关概念，完善了知识体系。

6 教学反思

1）改进实验方法，提升探究能力。本节课最大的亮点是改进了实验方法，使学生能够从定量分析的角度开展实验探究。要求学生必须掌握控制变量的方法，学会处理实验数据，进而构建数学模型，以揭示实验的本质。这样，学生在探究过程中，尽管实验操作的难度增大，但可以不断地学习和应用实验探究的基本原则与方法，其实验与探究能力逐步得到发展和提升，且有利于学生对知识的理解和概念的构建。

2）探索实验本质，促进概念构建。本节课以探究实验活动为载体，聚焦知识板块中的核心概念，引导学生以实验数据为基础，通过分析、归纳、模型构建等思维活动，对事物进行抽象和概括，最终实现让学生通过探究性学习形成重要概念。教师将探究实验活动与概念学习有机结合，以光合作用过程为中心统领基础知识，引导学生形成具有内在逻辑关系的知识结构。

这样，使学生的实验探究与概念构建紧密相连，引导学生应用概念指导实验，通过实验强化对概念的理解，实现光合作用知识体系的构建。

主要参考文献

［1］吴丰.新型光合作用探究仪的开发与应用.生物学通报,2014,49（8）：51.