说课文稿-探究光照强度对植物生命活动的影响

探究光照强度对植物生命活动的影响淮北市实验高级中学闵娜使用教材人教版普通高中课程标准（2020年修订版）必修一《分子与细胞》第三章《细胞的基本结构》第2节《细胞器之间的分工合作》探究实践《用高倍显微镜观察叶绿体和细胞质的流动》和第五章《细胞的能量供应和利用》第4节探究实践《探究环境因素对光合作用强度的影响》实验器材数码显微镜、分体式照度计、自制照度箱、溶解氧传感器、台灯、秒表、水温计、培养皿、载玻片、盖玻片、烧杯、滴管、镊子、玻璃棒、天平、称量纸、吸水纸、碳酸氢钠溶液等黑藻（沉水植物）实验创新点（一）基于大单元教学在学习广度和系统性方面的优势，我对人教版高中生物学必修一《分子与细胞》第三章的实验《用高倍显微镜观察叶绿体和细胞质的流动》以及第五章的实验《探究环境因素对光合作用强度的影响》进行了有效的整合并改进。（二）利用数码显微镜观察并录制叶绿体分布的动态变化过程，直观感受生命的神奇，有利于学生深刻体会叶绿体的分布和光合作用相适应的特点，并且便于保存、分享、服务于日常教学。（三）材料器具的选择1、网购黑藻黑藻为多年生沉水草本，叶片薄，不用切片，叶绿体体积大，易观察；胞质环流现象明显；在进行光合作用时具有利用外部碳源重碳酸盐（HCO3-）的能力，通过增加C4关键酶的活性提高CO2的浓度，以此适应水中低CO2环境并保持较高的光合作用。因此黑藻是开展该实验项目的好材料。学生在淮北的多个水域进行打捞未发现黑藻，经商讨，选择网购黑藻进行实验。从湖北荆州发货，第二天即可到达淮北，黑藻新鲜度高且经济实惠，为高中生物学实验的顺利开展创造了条件。2、分体式照度计照度计可以灵敏的检测环境中的光照强度，分体式探头便于检测显微镜通光孔处的光照强度。除此以外还具有检测环境温度的功能，可以随时监测环境温度从而减小无关变量（温度）对实验结果的影响，提高实验的准确性。3、自制照度箱利用灯带、包装盒、锡纸、不同程度的遮光纸等材料自制照度箱，利用分体式照度计检测光照强度达到预设值（黑暗、2000lx、4000lx、6000lx、8000lx）。（四）利用数码显微镜的屏幕测微尺以及溶解氧传感器等实验器材把教材中的定性实验升级为定量实验，定量实验具有实证性、明确性和客观性，在课程标准中特别强调定量实验有利于学生在量的变化中了解事物的本质。在进行定量分析时，充分利用数据分析软件（例如Loggerpro3.15等），把定量的实验数据便捷、直观的呈现出来。四、实验教学目标举例说明叶绿体的形态、分布与光合作用相适应的特点。观察细胞质的流动，理解细胞质的流动是一种生命现象。体验科学探究过程，提高动手能力和实验设计能力。尝试运用比较和归纳等方法，以文、图、表等方式说明实验结果。采集植物材料，关注生态环境。五、实验教学内容探究一探究光照强弱对黑藻叶绿体分布的影响通过调节数码显微镜的光源大小，设置弱光和强光环境，观察并录制叶绿体的分布。探究二探究光照强度对黑藻胞质环流的影响利用照度计准确设置自变量光照强度优化实验流程，降低操作难度，节省操作时间。确定因变量的测定指标选择合适的叶肉细胞进行定量测定无关变量分析，降低实验误差进行实验，分析结果，得出结论。探究三探究光照强度对黑藻光合作用强度的影响1、自制照度箱2、挑选新鲜的黑藻，在26℃条件下暗处理一夜。3、确定浓度合适的碳酸氢钠溶液。4、校对溶解氧传感器，减小实验误差。5、进行实验，分析结果，得出结论。六、实验教学过程基于大单元教学思想，以黑藻为材料，从生命活动的角度对教材实验进行整合并改进，分别探究光照强度对叶绿体分布、胞质环流和光合作用强度的影响，有利于阐明生命活动的整体性。探究一探究光照强弱对黑藻叶绿体分布的影响材料用具：黑藻叶临时装片，数码显微镜等实验原理：弱光下叶绿体聚集在细胞表面，增大光的吸收；强光下叶绿体移动到细胞侧壁，避免发生光破坏。叶绿体的分布随外界环境条件的改变而变化，从而能够更好的适应周围的环境。实验处理：通过调节数码显微镜的光源和通光孔的大小设置弱光和强光，先观察弱光下黑藻叶肉细胞内叶绿体的分布，然后强光处理三十分钟，持续观察叶绿体的分布。结果见下图：弱光处理强光处理10分钟强光处理30分钟强光处理30分钟进一步调节细准焦螺旋实验结论：叶绿体的分布随光照强弱的改变而变化，进而更好的适应周围的环境。备注：利用数码显微镜的录像功能记录了黑藻叶肉细胞内叶绿体的动态分布过程。叶绿体的动态分布见视频资料。探究二探究光照强度对黑藻胞质环流的影响材料用具：黑藻叶临时装片、数码显微镜、分体式照度计、秒表、笔记本电脑等实验原理：活细胞的细胞质处于不断流动的状态，观察植物细胞质的流动，可用叶绿体的运动作为标志。黑藻叶肉细胞细胞质的流动以胞质环流为主，对于促进细胞代谢具有重要意义。在一定范围内，光照强度会影响胞质环流的速率，进而影响细胞代谢。提出问题，解决问题：生物兴趣小组同学在对该实验进行变量分析商讨实验方案时，遇到以下问题并提出解决问题的方法：本实验采用显微镜的光源设置自变量--光照强度，载物台的高低、临时装片的有无均会造成光照强度的差异，如何设置标准的光照强度？解决方法：方法一：在高倍镜下看清物像时，检测临时装片上侧的光照强度。当把40x物镜头移至边侧，利用感光探头对准临时装片时，易触碰盖玻片导致观察材料移动，因此该方法不可取。方法二：在看清物像的情况下，将物镜头移至边侧并取下临时装片，再测通光孔处的光照强度。该方法可以准确的获得临时装片下侧的光照强度，可是存在操作繁琐问题，经试验重新放回临时装片时往往还需再次调焦。载物台最高10092031302240725008603770658006905310000看清物像时955192529974011496360227043799889909997方法三：有同学提出将显微镜载物台移至最高处，该高度和看清物像时的高度很接近，估计光照强度误差很小，因此以载物台移至最高处时通光孔处的光照强度为准设置光照强度。生物兴趣小组同学进行了误差分析实验：备注：光照强度单位lx实验结果表明误差较小，该方法不影响实验观察，又便于操作，因此该方法是可取的。在各光照强度下需将黑藻叶片处理十五分钟左右，待胞质环流速率稳定了再测定较准确，若仅利用显微镜光源处理临时装片，存在等待时间长又易导致临时装片中水分不足问题。解决方法：制作临时装片前先将培养皿中的黑藻在相应的光照强度下处理十五分钟，然后再制作临时装片，进行后续观察，等待期间还可以调整显微镜的光照强度。确定因变量的测定指标：方法一：统计多个视野中发生胞质环流的细胞数与总细胞数比例大小。多次实验观察发现，同一显微镜视野下不同区域清晰度差异较大，某些区域的叶肉细胞需要经过调焦之后才能观察到胞质环流现象，进一步发现不同光照强度下视野中的叶肉细胞均有胞质环流现象，但不同光照强度下的胞质环流速率明显有差异，因此该方法误差较大。方法二：统计叶绿体环流叶肉细胞一周所用的时间，观察多个细胞，取平均值。大量观察表明：黑藻叶肉细胞的大小存在差异，在流动速率一样的情况下，往往存在时间差异。方法三：数码显微镜平板软件中存在测量编辑标定功能，利用镜台测微尺进行校对之后，选择测量功能，屏幕测微尺可直接测量叶绿体移动的实际距离。该方法能够根据细胞形态大小选取合适的移动距离L（示意图如下），跟踪某叶绿体记录其经过该距离所用的时间t,根据公式v=L/t,得出速率，多次测定，取平均值，减小实验误差，提高实验的准确性。该方法可行。备注：数码显微镜测量编辑标定方法：①调整图像上标尺，使之与物理标尺（本实验中选用的为每小格0.01微米的镜台测微尺）相匹配；②输入本地标定的名称，以及对应物理标尺的长度；③选择长度单位。④点击“增加”计算单个像素代表的实际长度。进行以上操作后，平板系统通过换算后，屏幕上呈现的测量距离即为叶绿体的实际移动距离。叶片不同部位的叶肉细胞胞质环流速率差异较大，观察发现叶脉处、叶边缘和伤口处叶肉细胞的胞质环流现象明显。叶脉处叶肉细胞形状基本为长方形，胞质环流速率稳定；叶边缘处叶肉细胞形态多样，不便使用屏幕直尺测量；伤口处叶肉细胞出现不同程度的损伤，吸水能力差异大，导致叶肉细胞胞质环流速率差异较大。综合考虑选择靠近叶脉处的叶肉细胞进行定量测定胞质环流速率。实验过程中要求临时装片保持有水的状态，防止黑藻叶片缺水，影响其活性，因此单个临时装片不宜长时间观察。6、实验过程中应拉上窗帘，减少外界光线对实验的干扰。选择室温稳定的时间做实验，或者使黑藻培养在适宜的恒温水（26℃）中。实验步骤：1、利用分体式照度计测定并调节台灯（后期改进为自制照度箱）和数码显微镜的光照强度为2000lx.2、将黑藻叶片置于台灯（后期改进为自制照度箱）下光照十五分钟，然后制作临时装片。3、利用数码显微镜找到叶脉处的叶肉细胞，借助屏幕测微尺选取合适的位置确定测量距离L（单位：μm）。4、跟踪某叶绿体，记录其经过测量距离所需时间t（单位：s）5、多次测定，取平均值，得出该光照强度下胞质环流速率v（μm/s）。6、分别调整光照强度为4000lx、6000lx、8000lx，重复步骤2--5.7、利用数据分析软件，分析数据并绘制柱形图。结果如下：实验结论：在一定范围内，随光照强度的增大，黑藻叶肉细胞的胞质环流速率呈现出先增大后减小的趋势。备注：学生操作视频见视频资料。探究三探究光照强度对黑藻光合作用强度的影响材料用具：新鲜的黑藻、自制照度箱、分体式照度计、溶解氧传感器、笔记本电脑等实验原理：黑藻为沉水植物，在一定条件下进行光合作用释放氧气，可影响水中溶解氧的含量。利用溶解氧传感器测定不同光照强度下水中溶解氧含量的变化，探究光照强度对黑藻光合作用强度的影响。实验准备：1、自制照度箱2、挑选新鲜的黑藻，在26℃条件下暗处理一夜。3、确定浓度合适的碳酸氢钠溶液。教材中提出可利用1%--2%的碳酸氢钠溶液提供CO2，在进行初次实验时选用2%的碳酸氢钠溶液进行实验，结果发现半小时后黑藻活性明显降低并且水溶液颜色变深。进一步查阅资料：黑藻（沉水植物）在进行光合作用时具有利用外部碳源重碳酸盐（HCO3-）的能力，通过增加C4关键酶的活性提高CO2的浓度，以此适应水中低CO2环境并保持较高的光合作用。为确定浓度合适的碳酸氢钠溶液，设置自变量--不同浓度的碳酸氢钠溶液：0.0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，测量30分钟每5克黑藻26℃条件下溶解氧变化量。实验结果如下：根据实验结果，选用0.5%的碳酸氢钠溶液进行探究三。4、校对溶解氧传感器，减小实验误差。实验步骤:利用分体式照度计和自制照度箱设置以下光照强度0lx、2000lx、4000lx、6000lx、8000lx。每个实验瓶装入3克黑藻并加入200ml质量分数0.5%的碳酸氢钠溶液。利用溶解氧传感器分别测定各实验瓶的初始溶解氧含量。各实验瓶在相应的光照强度下进行光处理30分钟。利用溶解氧传感器分别测定各实验瓶的终止溶解氧含量。利用Loggerpro3.15软件，记录实验数据，分析实验结果，绘制柱形图。实验结论：在一定范围内，随光照强度的增大，黑藻实验瓶溶解氧变化量呈现出先增大后下降的趋势。备注：学生操作视频见视频资料。七、实验效果评价探究一（探究光照强弱对黑藻叶绿体分布的影响）和探究二（探究光照强度对黑藻胞质环流的影响）升级教材实验，借助数码显微镜的拍照、屏幕录制、测量等功能，实现对叶绿体分布和胞质环流的深入研究。在开展难度较大的探究实验二时，为了实现把定性实验升级为定量实验，生物兴趣小组同学遇到了一系列问题，同学们查阅资料、请教老师、提出多个解决方案，商讨之后确定最佳方案。通过探究二，学生能够阐明光照强度对黑藻胞质环流速率的影响，胞质环流对于黑藻的生命活动具有重要意义，为进一步探讨胞质环流与细胞代谢的关系，同学们展开了探究三--探究光照强度对黑藻光合作用强度的影响。该实验中的自变量与探究二的自变量保持一致，分别为0lx、2000lx、4000lx、6000lx、8000lx。关于探究三因变量的测量指标，同学们最初利用氧气传感器测量各实验瓶液面以上氧气变化量，发现实验现象不明显，延长实验时间1小时，结果依然不理想。师生讨论分析，实验瓶的黑藻数量少，进行光合作用释放的少量氧气有一部分溶于水中，致使释放到液面以上的氧气量更少，不利于实验分析。于是学生换用