江蘇省張家港市護(hù)漕港中學(xué)(215635)

李相玲

綠色沉水植物光合作用與呼吸作用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

江蘇省張家港市護(hù)漕港中學(xué)(215635)

李相玲

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的背景

在學(xué)習(xí)蘇科版《生物學(xué)》8年級上冊“綠色植物與生物圈中的碳氧平衡”一節(jié)時(shí)，為探究綠色植物光合作用時(shí)吸收二氧化碳釋放出氧氣，課本上采用了分步實(shí)驗(yàn)。先是選用綠色陸生植物來“驗(yàn)證綠葉在光照下吸收二氧化碳”，在進(jìn)行第二階段“探究綠色植物在光照下放出的氣體”時(shí)，教材卻提議選用水生綠色植物進(jìn)行探究。前后生物材料與實(shí)驗(yàn)環(huán)境的不統(tǒng)一，沒有體現(xiàn)出同一種綠色植物對維持生物圈碳氧平衡所發(fā)揮的“自身”作用。并且還缺乏對同一種綠色植物“呼吸作用時(shí)吸收氧氣、放出二氧化碳”的探究，使得證據(jù)鏈略顯“不足”。據(jù)研究，水生植物所釋放出來的氧氣可達(dá)地球大氣含氧量的70%左右，因此，增設(shè)一套連續(xù)探究同一綠色水生植物在呼吸作用、光合作用時(shí)放出與吸收氣體變化的實(shí)驗(yàn)，對學(xué)生深入理解綠色水生植物對維持生物圈碳氧平衡所起的重要作用更具實(shí)際的意義。對此，筆者選用綠色沉水植物金魚藻為代表進(jìn)行了系列探究。

2 實(shí)驗(yàn)材料、試劑和儀器

50 g金魚藻、1個(gè)700 mL塑料空瓶(圓柱形)、1個(gè)400 mL塑料空瓶、1根L型玻璃管、1根直玻璃管、1套PPW軟管(醫(yī)用輸液管)、1個(gè)雙孔橡膠塞、1根35 cm長乳膠管、1瓶15 mL溴麝香草酚藍(lán)溶液(BTB指示劑)、1瓶10 mL紅墨水、1根紅水玻璃溫度計(jì)(0～50 ℃)、1個(gè)鐵架臺、3張玻璃紙(紅、綠、藍(lán)色)、1根亞力克直尺(20 cm)、2個(gè)圓形磁鐵(直徑10 cm)、1個(gè)鋼珠、1支10 mL注射器、1根細(xì)檀香等。

3 實(shí)驗(yàn)裝置的制作

3.1 制作過程

(1)在400 mL空塑料瓶上裝配雙孔橡膠塞，并插入L型和直型2根玻璃短管。

(2)將35 cm長乳膠管套裝在L型玻璃管上，吹氣端塞入1個(gè)鋼珠作為阻氣閥。出氣端玻璃管上套接帶滑動(dòng)開關(guān)的PPW軟管，再套接PPW細(xì)管，將細(xì)管管體緊貼在20 cm的刻度尺上并用透明膠固定。將直尺水平放置用夾子固定在鐵架臺上，夾柄懸掛溫度計(jì)。

(3)在400 mL空塑料瓶中下部分散打數(shù)個(gè)小孔，在瓶體外壁粘貼防水刻度條。

(4)將700 mL空塑料瓶從外套裝400 mL空塑料，外瓶邊緣高度比內(nèi)瓶口高出約5 cm。再在兩瓶內(nèi)底部各固定1塊磁鐵，使兩瓶體底部吸緊。

3.2 整套裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

4 探究金魚藻在自然光下光合作用時(shí)吸收二氧化碳釋放出氧氣

4.1 操作步驟

(1)將金魚藻放于小塑料瓶內(nèi)，再將其置于大塑料瓶內(nèi)，使兩瓶底部接觸并吸牢；向大塑料瓶內(nèi)注水至小塑料瓶內(nèi)水滿為止，在小塑料瓶口塞上帶雙玻璃管的橡膠塞。

(2)向大瓶的水中滴入3滴0.1%的BTB指示劑，觀察并記錄水體顏色。關(guān)閉PPW軟管上的滑動(dòng)開關(guān)，從乳膠管口端向瓶內(nèi)不斷吹入二氧化碳?xì)怏w，觀察水體顏色的變化。

(3)將整套裝置于自然光照射下，觀察內(nèi)外瓶體內(nèi)水體顏色及液面的變化。

(4)當(dāng)小塑料瓶上方收集到一定量氣體后，打開滑動(dòng)開關(guān)，將帶火星的細(xì)檀香置于PPW軟管出氣口，觀察檀香是否復(fù)燃。

4.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論

實(shí)驗(yàn)效果圖如圖2所示。

4.2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

①實(shí)驗(yàn)初始時(shí)水體為無色；②加3滴BTB指示劑后水體呈淡藍(lán)色；③吹入二氧化碳?xì)怏w，水體逐漸由淡藍(lán)色變?yōu)榈S色；④關(guān)閉滑動(dòng)開關(guān)，自然光照射2 h后水體又重新變回淡藍(lán)色，小塑料瓶液面下降，大塑料瓶液面上升；⑤將帶火星細(xì)檀香置于出氣口，打開滑動(dòng)開關(guān)，大塑料瓶液面下降，小塑料瓶液面上升，氣體排出，檀香復(fù)燃。

4.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

金魚藻在光合作用時(shí)，吸收水體中的二氧化碳，并釋放出氧氣。

5 探究金魚藻在3種不同色光下的光合效率

5.1 操作步驟

(1)將金魚藻放于小塑料瓶內(nèi)，再將其置于大塑料瓶內(nèi)，使兩瓶底部接觸并吸牢；向大塑料瓶內(nèi)注水至小塑料瓶內(nèi)水滿為止，在小塑料瓶口塞上帶雙玻璃管的橡膠塞。

(2)向大瓶水中滴入3滴BTB指示劑，觀察并記錄水體顏色。

(3)用注射器在細(xì)PPW軟管左端連接口處注入一段約5 cm長紅墨水并調(diào)節(jié)到4刻度處，接好端口，打開滑動(dòng)開關(guān)。

(4)在環(huán)境溫度為25 ℃的條件下，分別將綠、藍(lán)和紅三色玻璃紙圈套于大瓶體外，置于自然光下分別照射20 min，觀察并記錄細(xì)管內(nèi)紅色液柱所對應(yīng)在直尺上的刻度變化情況。

5.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論

實(shí)驗(yàn)效果圖如圖3所示。

5.2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

①無玻璃紙時(shí)，紅液柱在4 cm刻度處；②在套裝綠色玻璃紙光照20 min時(shí)，紅液柱移至6.5 cm刻度處；③在套裝藍(lán)色玻璃紙光照20 min時(shí)，紅液柱移至15.5 cm刻度處；④在套裝紅色玻璃紙光照20 min時(shí)，紅液柱移至19.6 cm刻度處。

5.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

在25 ℃的環(huán)境溫度下，金魚藻在紅色光照下的光合效率最高，綠色光照下的光合效率最低。

圖2 金魚藻在自然光下光合作用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

圖3 金魚藻在3種不同色光下光合作用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)

6 探究金魚藻呼吸作用時(shí)水中氣體的變化情況

6.1 操作步驟

(1)將金魚藻放于小塑料瓶內(nèi)，再將其置于大塑料瓶內(nèi)，使兩瓶底部接觸并吸牢；向大塑料瓶內(nèi)注水至小塑料瓶內(nèi)水滿為止，在小塑料瓶口塞上帶雙玻璃管的橡膠塞。

(2)向大瓶水中滴入3滴BTB指示劑，觀察并記錄水體顏色。

(3)在整個(gè)裝置外罩上黑色布袋并置于陰暗處，5 d后觀察瓶內(nèi)水體顏色的變化。

6.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論

實(shí)驗(yàn)效果如圖4所示。

6.2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

向內(nèi)置金魚藻的清水中滴加3滴BTB指示劑，水體呈淡藍(lán)色；將裝置套上黑布袋暗處理5 d后，取出裝置觀察到瓶內(nèi)水體顏色變?yōu)榈S色。

6.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

避光條件下，金魚藻進(jìn)行呼吸作用時(shí)可使水體中二氧化碳含量增加。

圖4 金魚藻呼吸作用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

7 延伸實(shí)驗(yàn)——探究金魚呼吸作用時(shí)水中氣體的變化情況

在大塑料瓶內(nèi)注入清水，向水中滴加3滴BTB指標(biāo)劑并記錄水體顏色。在瓶內(nèi)放入6條金魚，2 h后可觀察到水體顏色由淡藍(lán)色逐漸變?yōu)闇\黃色，說明金魚在水內(nèi)進(jìn)行呼吸作用時(shí)，會(huì)使得水中二氧化碳含量增加。實(shí)驗(yàn)效果圖如圖5所示。

圖5 金魚呼吸作用實(shí)驗(yàn)效果

8 設(shè)計(jì)特點(diǎn)與教學(xué)實(shí)效

8.1 設(shè)計(jì)的多功能性

本套教具從設(shè)計(jì)上可做4個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)：①定性地探究綠色沉水植物光合作用時(shí)氣體的轉(zhuǎn)化情況；②探究不同色光下綠色沉水植物的光合效率，通過紅色液柱(刻度)的變化情況，還可以定量地探究光照時(shí)間和溫度對水生綠色植物的光合作用效率的影響；③定性地探究綠色沉水植物呼吸作用時(shí)氣體的轉(zhuǎn)化情況；④探究水中動(dòng)物在維持生物圈中碳氧平衡時(shí)所起的作用。

另外，還可將金魚藻光合作用下產(chǎn)生的氧氣進(jìn)行連續(xù)收集并存儲，便于在后續(xù)教學(xué)中使用。

8.2 教學(xué)的實(shí)際效果

新課標(biāo)要求教師在本節(jié)課教學(xué)中要幫助學(xué)生形成重要概念：“綠色植物的光合作用和呼吸作用有助于維持生物圈中的碳氧平衡?！痹跀?shù)量龐大的綠色水生植物中，即便是缺乏氣孔的綠色沉水植物對生物圈中碳氧平衡的維持也至關(guān)重要。在教學(xué)實(shí)踐中增添本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可以獲得如下效果。

(1)應(yīng)用自制教具將全真實(shí)驗(yàn)微型化，順利突破教學(xué)重難點(diǎn)。借助BTB指示劑的顏色變化，能很好地驗(yàn)證綠色水生植物在光合作用時(shí)吸收二氧化碳釋放出氧氣；避光條件下，進(jìn)行呼吸作用時(shí)消耗氧氣釋放出二氧化碳的客觀事實(shí)。認(rèn)識到，植物在同樣的環(huán)境下其光合作用明顯強(qiáng)于呼吸作用，多余的氧氣排放到大氣中，供其他生物進(jìn)行生命活動(dòng)。

(2)運(yùn)用日常生活中常見材料輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，破除學(xué)生對生物實(shí)驗(yàn)的神秘感，激發(fā)其求知欲。實(shí)驗(yàn)過程簡易，方便學(xué)生操作，學(xué)生參與度高，無論課上還是課余時(shí)間，學(xué)生都可以自己動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，利于學(xué)生在實(shí)踐中體驗(yàn)學(xué)習(xí)生物知識的樂趣。

(3)借用該實(shí)驗(yàn)裝置的多功能性，有助于提高生物課堂教學(xué)效率。該套設(shè)備克服了常見實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上的單一性，可進(jìn)行多個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)，且安全可靠，造價(jià)低廉，便于攜帶。另外，該實(shí)驗(yàn)還可探究水生動(dòng)物呼吸過程中氣體的變化情況，充分利用了實(shí)驗(yàn)資源。

總之，對課程資源的再開發(fā)不僅可以滿足新課程順利實(shí)施的需要，促進(jìn)課程資源的動(dòng)態(tài)生成，還可為推進(jìn)和深化課程改革奠定良好的基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)

2017-07-30