何 君 夏曙華 朱毅鴻

（1 福建省三明市第八中學(xué) 福建三明 365000 2 福建省三明市第四中學(xué) 福建三明 365001 3 福建省三明市三元區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校 福建三明 365001）

初中光合作用系列實(shí)驗(yàn)是初中生物學(xué)教學(xué)的重、難點(diǎn)內(nèi)容之一，因取材困難、效果欠佳，實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)率低。筆者前期進(jìn)行探索，發(fā)現(xiàn)了銅錢(qián)草（Hydrocotyle vulgaris）在光合作用系列實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[1]，但只有較嫩的銅錢(qián)草才易脫色，銅錢(qián)草雖比較容易培養(yǎng)，但冬季嫩葉較少，實(shí)驗(yàn)取材仍然有局限性。筆者進(jìn)一步探索，從實(shí)驗(yàn)取材、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)裝置等方面反復(fù)地嘗試，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。

1 實(shí)驗(yàn)材料的選取

1.1 所選材料的效果 選用多種植物反復(fù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了很多冬季也容易獲得的植物，葉片雖小（一般面積1～4 cm2）、薄，但光合效率較高，可用于初中光合作用系列實(shí)驗(yàn)，例如，用薄荷（Mentha canadensis）、婆婆納（Veronica didyma）、紅花酢漿草（Oxalis corymbosaDC）、牛繁縷［Malachium aquaticum（L.）Fries.］、豬殃殃（Galium spuriumL.）、綠豆幼苗等完成實(shí)驗(yàn)，效果顯著（表1）。表1中的實(shí)驗(yàn)均在5～15℃下完成，適合冬季教學(xué)。收集到的氣體量為多次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)范圍。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料的準(zhǔn)備 薄荷易種植、繁殖迅速，可直接購(gòu)買(mǎi)盆栽薄荷小苗（平葉薄荷更易脫色），也可將原來(lái)的盆栽剪去老枝，留3 cm 長(zhǎng)的莖，20 d左右長(zhǎng)出的幼苗用于實(shí)驗(yàn)。婆婆納、紅花酢漿草、牛繁縷、豬殃殃均為多年生草本植物，山野路邊常見(jiàn)，在實(shí)驗(yàn)前，將其連根挖起，土培或水培2～3 d 讓其恢復(fù)活性。綠豆易萌發(fā)，常用于“種子萌發(fā)的條件”的探究實(shí)驗(yàn)，將萌發(fā)的綠豆繼續(xù)培養(yǎng)，2 周后綠豆幼苗用于光合作用實(shí)驗(yàn)。這些植物取材容易，成本較低，不受季節(jié)限制。

表1 初中光合作用系列實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效果

上述植物的莖一般細(xì)軟，水培可如圖1所示方法處理，將泡沫片剪成比瓶口略大，使之正好能卡住瓶口，將泡沫片中間刺一小孔，從邊緣剪一道縫到孔，將枝條的莖卡在孔中用于固定。

圖1 遮光處理的水培綠豆幼苗

2 實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)

2.1 遮光 用烘烤用的厚質(zhì)鋁箔紙將葉片上、下兩面部分遮光，鋁箔紙邊緣折疊用于固定，注意鋁箔紙與葉片貼緊，避免漏光（圖1）。鋁箔紙輕薄且邊緣易折疊，無(wú)須用曲別針固定，從而避免了對(duì)葉片的損傷。

2.2 光照 1 盞150 W 的白熾燈（燈距15～25 cm，封閉的裝置選擇小的燈距）和1 盞30 W 的LED 燈（燈距5 cm）從兩側(cè)照射，從而既保證足夠的光照強(qiáng)度，又避免灼傷植物，特別是封閉的裝置中不會(huì)因水溫升得過(guò)高影響植物活性。光合作用系列實(shí)驗(yàn)均可在室內(nèi)燈光照射下完成，不受天氣限制，根據(jù)所需可控制光照時(shí)間，能更好地安排教學(xué)[1]。

2.3 脫色 考慮安全性問(wèn)題，很多教師會(huì)用電磁爐代替酒精燈隔水加熱，但很多植物脫色時(shí)間長(zhǎng)，葉片變得脆而易碎，酒精量消耗大。而上述植物葉片易脫色且時(shí)間短（一般4～6 min），只需開(kāi)水水浴加熱[2]，筆者采用圖2所示的方法，大燒杯（500 mL）盛放300 mL 開(kāi)水，小燒杯（250 mL）盛放20 mL 酒精（酒精沒(méi)過(guò)葉片即可），用保鮮膜將小燒杯與大燒杯一起封口，用橡皮筋扎緊，拉緊保鮮膜邊緣，讓保鮮膜貼緊小燒杯口，使小燒杯放平且底部浸入開(kāi)水中多一些。如此處理能有效防止小燒杯側(cè)翻，防止酒精過(guò)快揮發(fā)，且熱量不易散失，保證溫度足夠，縮短脫色時(shí)間。婆婆納、紅花酢漿草、豬殃殃用工業(yè)酒精脫色效果好，薄荷、牛繁縷、綠豆幼苗用清水25 mL 加75 mL 工業(yè)酒精或無(wú)水乙醇配制的酒精脫色較快。

圖2 脫色

不用酒精燈加熱而采用開(kāi)水水浴的方法，降低了實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性，無(wú)需教師集中水浴，可分組進(jìn)行酒精脫色，學(xué)生能直接觀察到脫色過(guò)程中酒精變綠、葉片變黃白的現(xiàn)象，增加了實(shí)驗(yàn)的積極性。

2.4 漂洗 有些植物葉片脫色后較軟，易重疊，不易展平。可將2 個(gè)一次性塑料碗套在一起，內(nèi)碗周邊挖若干小洞，加水使葉片漂浮就易展平，拎起內(nèi)碗，漏掉水即可，易于學(xué)生操作。

3 實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新

3.1 探究“二氧化碳是光合作用必需的原料”的裝置

3.1.1 前期研究 教參中建議的玻璃罩不容易找到，改用透明的塑料瓶（圖3），達(dá)到了較好的效果。但在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，用于密封的凡士林在光照下易熔化而導(dǎo)致開(kāi)蓋不便；加入濃度為25%的氫氧化鈉溶液的裝置中葉片常會(huì)干枯失活，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果；而加清水的裝置中，葉片變藍(lán)現(xiàn)象不明顯，分析原因主要是封閉的裝置中二氧化碳不足導(dǎo)致光合作用較弱。

圖3 探究“二氧化碳是光合作用必需的原料”的裝置[1]

3.1.2 再探索

1）裝置改進(jìn)：用廢棄透明飲料瓶（2 L）和保鮮膜制作可封閉的容器，將廢棄飲料瓶上端變細(xì)的部分剪去，上端開(kāi)口外側(cè)貼一圈雙面膠，用保鮮膜封口、貼緊，這樣制作的裝置既隔絕空氣又透光。完成實(shí)驗(yàn)后，撕去保鮮膜，即可取出植物，裝置重復(fù)使用時(shí)，只需再貼膠、封膜。此裝置取材容易，若多班級(jí)分組探究可節(jié)約成本。

2）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)改進(jìn)：按圖4所示處理，各大瓶中液體均為50 mL，3 個(gè)相同的小礦泉水瓶（380 mL）中清水等量，3 株同種植物的枝條要相近（各留4～5 片葉）。小瓶瓶口如圖1方式處理，避免了小瓶中水的蒸發(fā)而影響裝置中溶液濃度。溶液濃度和量的配比保證了實(shí)驗(yàn)組1 裝置內(nèi)無(wú)二氧化碳且植物保持活性、實(shí)驗(yàn)組2 裝置內(nèi)有充足的二氧化碳，所以實(shí)驗(yàn)效果非常明顯（表1）。

圖4 探究“二氧化碳是光合作用必需的原料”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)改進(jìn)

3.2 檢驗(yàn)“光合作用產(chǎn)生氧氣”的裝置

3.2.1 前期研究 用自制裝置替代教材中的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，收集氧氣的時(shí)間明顯變短，檢測(cè)時(shí)操作較簡(jiǎn)便，學(xué)生亦可完成[1]，但裝置制作還是較為繁瑣。

3.2.2 再探索

1）裝置改進(jìn)：截取輸液器不帶針頭的一端膠管10 cm，包括閥門(mén)，將瓶蓋刺孔，貼上2 層雙面膠，以保證氣密性（圖5），將輸液器頂端的硬管插入孔中即可，注意將粘在管口的雙面膠去除。制作明顯更簡(jiǎn)單，因膠管較短，會(huì)向上豎立，檢驗(yàn)時(shí)無(wú)需用鐵架臺(tái)固定。1.25～2 L 廢棄的透明飲料瓶均可制作裝置，取材很容易。

圖5 組裝裝置瓶蓋的材料

還可對(duì)瓶身標(biāo)注刻度線（用于定量觀察），方法：齊瓶口螺紋底部縱向貼一條雙面膠，瓶身加滿水，利用注射器抽水，每抽去10 mL，用細(xì)記號(hào)筆在雙面膠面上劃一條線標(biāo)注，刻度線從20 mL開(kāi)始標(biāo)注，一般標(biāo)注至100 mL。

若將膠管留長(zhǎng)些，可制成收集“種子萌發(fā)產(chǎn)生的二氧化碳”的裝置（圖6），裝置可用于呼吸作用的實(shí)驗(yàn)。

圖6 種子萌發(fā)釋放二氧化碳的裝置

2）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：稱(chēng)取新鮮綠豆50 g，裝入如圖6所示的裝置瓶（500 mL 左右）中，量取100 mL 清水浸泡綠豆種子，24 h 后旋緊瓶蓋，關(guān)閉閥門(mén)。封閉24 h 后可用于實(shí)驗(yàn)，需準(zhǔn)備6 瓶。萌發(fā)的種子可用于下節(jié)課呼吸作用的實(shí)驗(yàn)。

3）實(shí)驗(yàn)過(guò)程：將3 個(gè)2 L 的裝置瓶分別標(biāo)注1、2、3 號(hào)，各加1.9 L 清水，利用圖6所示裝置向1、2 號(hào)瓶的水中各通入3 瓶二氧化碳，剪取薄荷帶較多葉片的莖段各10 g，分別裝入3 個(gè)瓶中，擠去多余空氣，擰緊閥門(mén)已關(guān)閉的瓶蓋（圖7）。將2號(hào)瓶包上鋁箔紙進(jìn)行遮光處理。分別將3 個(gè)裝置瓶上下顛倒幾次，盡量保證葉片不重疊，然后平放，同時(shí)光照。為加大受光面積，可將白熾燈于頂部、LED 燈于側(cè)面進(jìn)行照射。光照8 h，觀察現(xiàn)象：1 號(hào)裝置內(nèi)水位降至距瓶口70 mL 的刻度線，說(shuō)明收集到氣體體積為70 mL，2 號(hào)裝置水位無(wú)下降，沒(méi)有產(chǎn)生氣體，3 號(hào)裝置內(nèi)水位略降，收集到較少氣體（圖8）。

圖7 光照前示意圖

圖8 光照后示意圖

4）結(jié)果分析：檢驗(yàn)1 號(hào)裝置的氣體：一只手捏住瓶身（避免閥門(mén)打開(kāi)時(shí)，因氣壓改變，氣體回流），另一只手開(kāi)足閥門(mén)，迅速將帶火星的牙簽伸到膠管口，牙簽立刻燃燒，現(xiàn)象十分明顯（圖9），驗(yàn)證了氣體是氧氣。若學(xué)生檢驗(yàn)，建議2 人配合完成。牙簽用鐵絲繞幾圈接長(zhǎng)，便于手握，增加安全性。要注意檢驗(yàn)前不能過(guò)分晃動(dòng)裝置瓶，原因是容易導(dǎo)致殘留在水中的二氧化碳逸出，而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1 號(hào)與2 號(hào)進(jìn)行對(duì)照，可證明綠色植物在光下進(jìn)行光合作用產(chǎn)生氧氣。

圖9 檢驗(yàn)氧氣

3 號(hào)裝置內(nèi)氣體少（7 mL），無(wú)法用燃燒法檢驗(yàn)，可用注射器抽取氣體，通入少量澄清石灰水，石灰水不變渾濁，說(shuō)明氣體不是二氧化碳。對(duì)照1 號(hào)、3 號(hào)裝置的現(xiàn)象，判斷3 號(hào)裝置內(nèi)的氣體是氧氣，因?yàn)榍逅泻猩倭慷趸迹商峁┚G色植物在光下進(jìn)行光合作用。二氧化碳多，產(chǎn)生的氧氣就多，加深了學(xué)生對(duì)“二氧化碳是光合作用的原料”的認(rèn)識(shí)。

上述實(shí)驗(yàn)還說(shuō)明，用封閉的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，要增加水中的二氧化碳含量以確保植物產(chǎn)生足夠的氧氣，才能達(dá)到檢驗(yàn)?zāi)康?。筆者用文中所述植物進(jìn)行多次相同實(shí)驗(yàn)，1 號(hào)裝置瓶中均能收集到60 mL 以上的氣體（表1），檢驗(yàn)極易成功。

3.2.3 裝置的拓展應(yīng)用 利用裝置可完成光合作用系列實(shí)驗(yàn)，可設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)照實(shí)驗(yàn)：2 個(gè)相同裝置加入等量清水，各加入0.5%溴麝香草酚藍(lán)（簡(jiǎn)稱(chēng)BTB）指示劑5 mL，搖勻，通入等量二氧化碳，液體會(huì)由藍(lán)變黃，放入相同植物（暗處理過(guò)）各5 g，其他處理同上。用鋁箔紙將其中一個(gè)裝置包裹，同時(shí)光照12 h（確保葉片中積累較多淀粉，現(xiàn)象更明顯）。但光照時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，避免陸生植物在水中失活。實(shí)驗(yàn)分析見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)整合，以實(shí)施“光合作用”主題單元教學(xué)，克服了教材中“實(shí)驗(yàn)材料不統(tǒng)一、內(nèi)容處理碎片化”的弊端，有利于學(xué)生從整體上把握學(xué)科知識(shí)和思想方法。

實(shí)踐證明，將上述探索結(jié)果用于教學(xué)，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)材料容易獲得且成本低，實(shí)驗(yàn)裝置取材生活化且制作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)過(guò)程省時(shí)且易操作，實(shí)驗(yàn)效果顯著且成功率高，保證了學(xué)生能真正參與到實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中。學(xué)生通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察、分析和推理，能由直觀的事實(shí)歸納出光合作用的條件、原料、產(chǎn)物等，從而自主構(gòu)建光合作用這個(gè)重要概念，同時(shí)提高實(shí)踐能力、實(shí)驗(yàn)探究能力，促進(jìn)了生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。