浅析“光合速率测定实验”的校本化拓展

周庆+孙晨琼

课题编号：【20150814】宁波市基础教育教研课题

作者简介：周庆（1982-），中学一级，浙江省名师工作室学科带头人

在深化课程改革的过程中，各地各校有着不一样的“教情”、“学情”和“校情”，因此实现国家课程的校本化是优化课程结构的有效途径。但是由于课程课时紧，生物实验的探究无法在课上全面展开。为了满足学生的个性化需求，同时结合浙江省开展校本课程建设的要求，我们在现有实验室基础上开发了有关生物实验的选修课程。下文以“光合速率测定实验”为例，谈谈我校在该实验教学中的校本化拓展经验。

1 实验方法——黑白瓶法

白瓶是透光瓶，里面进行光合和呼吸作用。黑瓶即不透光瓶，只进行呼吸作用。在相同条件下培养一定时间，以溶氧量为检测指标，据黑瓶中所测数据可算出呼吸速率，白瓶中溶氧量的变化可确定表观光合速率，由此得出真正光合速率。因此如何准确测出瓶中的溶氧量是这个实验的关键，在此我们采用碘量法。

2 实验原理

向水样中加入MnSO4和碱性KI溶液时，立即生成Mn（OH）2沉淀。Mn（OH）2极不稳定，迅速与水中溶解氧化合生成MnO（OH）2。在加入浓硫酸酸化后，已化合的溶解氧将KI氧化并释放出与其相当的游离碘。然后用Na2S2O3标准溶液滴定，换算出瓶中的溶氧量。

3 实验材料

器材：塞氏盘，采水器（2.0 L），溶解氧瓶若干（100 ml-250 ml），酸碱滴定管，移液管（25.0 ml、1.0 ml），洗耳球。

试剂：MnSO4溶液，碱性KI，浓硫酸，0.01mol/LNa2S2O3，淀粉溶液。

4 实验步骤

4.1采水与挂瓶

4.1.1 考察实验水域

在学校池塘采集水样。记录水深（m）（用塞氏盘测），透明度（m）。

4.1.2 挂瓶深度确定

为测定光合速率，在透明度的一半处挂3组瓶。我校池塘，水深3 m左右，透明度1.5 m。

4.1.3 取瓶

取6个溶解氧瓶，包括黑瓶（DB瓶）3个、白瓶（LB瓶）3个。编号（组数1-3），以免混淆。

4.1.4 采水

用采水器在池塘中采足量的水，装满各瓶至溢出一部分（保证瓶中溶氧量与采水瓶中溶氧量一致）。

4.1.4 挂瓶

完成上述处理后，将各组瓶挂于水域中24小时。

4.2 溶解氧的固定与测定

4.2.1 溶解氧的固定

曝光结束，立即取出黑瓶和白瓶带回实验室，加入1 ml MnSO4和1 ml碱性KI溶液，充分摇匀，静置3分钟，再加入1 ml浓硫酸，盖紧瓶盖，颠倒混合，静置5min。发生的化学反应主要如下：

①：MnSO4+2NaOH→Na2SO4+Mn（OH）2↓（白色沉淀）

②：2Mn（OH）2+O2→2MnO（OH）2↓（棕色沉淀）

③：MnO（OH）2+2H2SO4→Mn（SO4）2

4.2.2 溶解氧的测定

取上述样品50 ml，置于锥形瓶内，用0.01mol/LNa2S2O3滴定，至溶液成淡黄色，加入数滴淀粉溶液，继续滴定至蓝色刚褪去为止，记录Na2S2O3的用量V。发生的化学反应主要如下：

④：Mn（SO4）2+2KI→MnSO4+K2SO4+I2

⑤：2Na2S2O3+I2→Na2S4O6+2NaI

根据化学反应方程式，我们可以换算出瓶中溶氧量=1.6V（ mg/L）。

5 实验记录表格（以某组学生所测数据为例）

6 实验结果分析

白瓶中的溶氧量为39.25 mg/L，即真正光合速率产生的O2和呼吸作用消耗的O2差值，黑瓶中的溶氧量为11.41 mg/L，即呼吸作用消耗后剩余的溶氧量。真正光合速率=表观光合速率+呼吸速率，因此池塘中真正光合速率=（39.25—11.58）mg/L·d=27.67 mg/L·d。实验数据中的组3与其他两组相差稍大，但仍有较好的数据稳定性，误差来源可能是组3中的微生物数量不同。

7 实验讨论

7.1 注意事项

测定工作最好在晴天进行，若在阴雨天进行实验，植物无法得到充分光照，其光合速率会减弱，黑白瓶的溶解氧含量可能相差不大，甚至出现黑瓶数值大于白瓶，影响学生对实验数据的处理。晴天的早晨是最适宜进行实验的时间，过午由于日照，水温会上升，导致水体中溶氧量降低，影响实验结果；若遇到光合作用很强，形成过饱和氧很多时，在瓶中产生的大氧气泡不能放掉，可将瓶略微倾斜，小心打开瓶塞加入固定液，再盖上瓶盖充分摇动，使氧气充分固定下来；若取得的水样有颜色或存在悬浮物、藻类等，可以加入硫酸铝钾和浓氨水，用明矾絮凝法进行修正。此方法也存在一定误差，常因忽略细菌对氧的消耗，而低估了浮游植物的真正光合速率。

7.2 黑白瓶法的优点

7.2.1 成本低

實验中所用器材和试剂，只需采买塞氏盘和采水器，价格在200元左右，且可重复利用。因此，黑白瓶法比光合速率测定仪的性价比要高许多。后者虽能准确且直观地测出植物的光合速率，但由于价格昂贵，平时还需定期维护，不宜用于学生实验。

7.2.2 直观性与操作性较强

“气体体积变化法”通过测定刻度管中液滴移动距离，间接反映光合速率的变化。“小叶片浮起数量法”则只能定性比较光合作用速率的大小。且这两个实验在学生实际操作时，理论上虽然可行，但实际操作时会出现很多偶然误差。例如温度过高或过低，都会造成钟罩内气体体积的变化，从而对实验结果造成较大的影响；后者在实验开始前需将圆形叶片内的气体排出，同时切割等物理性损伤会使其光合速率减弱，导致学生实际操作过程中失败率较高。与这二者相比，黑白瓶法可直接测算出真正光合速率，直观性和操作性均较强。

7.2.3 数据准确度较高

“半叶称重法”亦可通过称量未遮盖叶片的质量测算出表观光合速率，再称量遮盖叶片的质量测算出呼吸速率，进而换算出真正光合速率。从原理上来看，黑白瓶法和“半叶称重法”可以说是异曲同工，而从学生实验的准确度上来看，黑白瓶法更胜一筹。“半叶称重法”其数据的准确性是建立在两半片叶子完全相同的基础上，并且需用适当的方法（在叶片基部用热水、或热石蜡液烫伤或用呼吸抑制剂处理）阻止两部分叶片间物质和能量的转移，而这不能做到百分之百，存在很大的实验误差，且部分叶片的光合速率也并不能代表整株植株的光合速率，不具代表性。黑白瓶法能很好地规避这些问题。

7.2.4 培养知识迁移能力

黑白瓶法中用到的碘量法测定溶氧量的方法来自化学。需要学生将将化学知识与技能迁移到生物学科中，帮助学生构建学科之间相联系的理念，有助于培养学生知识迁移的能力。

综上，黑白瓶法测定光合速率的实验方法优点颇多，适宜作为校本课程的拓展实验。