人教版高中生物必修一《分子与细胞》第5章第4节能量之源光与光合作用.docx

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人教版高中生物必修一《分子与细胞》第5章第4节能量之源光与光合作用

自制分光光度计检测光合色素吸收光谱

北京市第三十五中学吴宁

一、使用教材

教材来源于人教版高中生物必修一《分子与细胞》第5章第4节“能量之源──光与光合作用”。

在教材编排上，绿叶中色素的提取和分离实验后，直接给出了色素的吸收光能百分比曲线，缺乏学生自主探究的过程。

多数教学中会采用三棱镜，引导学生利用观察法直接得出光合色素与吸收光的关系，仍然停留于定性实验的层面。

因此，本实验课本实验课为“绿叶中色素的提取和分离”的补充拓展，通过让学生自制分光光度计检测光合色素吸收光谱，成为衔接定性观察到定量测量之间的桥梁。

图1教材实验“绿叶中的色素提取和分离”和光合色素的吸收光谱

二、实验教学目标

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》的教学目标突出学科核心素养的培养与落实。

本课时的具体落实如下：

（一）生命观念

通过本实验课程结果分析出光合色素的吸收光，初步形成物质与能量观；

（二）科学思维

根据对照组和实验组数据，构建模型计算吸光效率，发展模型与建模思维；综合运用物理学科知识，发展创造性思维；

（三）科学探究

自制分光光度计，实施方案并对结果进行交流讨论，掌握科学探究的基本思路和方法，提高实践能力。

（四）社会责任

基于生物学的认识，逐渐培养解决生产生活问题的担当与能力。

四、实验创新要点

本节课的创新点包括了实验设备创新和实验教学创新两个方面。

（一）实验设备创新

针对商业分光光度计存在价格高、体积大、操作复杂等特点，不适合在生物教学中的推广。

因此，本实验设计的分光光度计具有以下创新点：

1.小型化

将尺寸为830*600*260mm的商业设备缩小为170*45*100mm，体积缩小170倍。

体积小、质量轻，便于移动教学。

2.低成本

本设备所需的部件，如智能手机、包装纸盒等，均为日常生活必需品，取材便利，附加成本为零。

3.智能化

智能手机的使用使光源和检测器参数灵活可调。

4.趣味性

将手机应用于科学研究，拓展思维，是科学实验更加平易化；同时，固定腔室的自主性设计也增强了该装置的多样性和趣味性。

5.一键式

自主开发的高集成化、面向用户的SpectraLab软件，可通过一键式操作完成数据的采集、传输及分析等功能。

6.扩展性

根据不同的需求，分析软件还可进行扩展，实现如溶液浓度、含量百分比等的分析。

（二）实验教学创新

1.突出了“科学探究”的生物学学科核心素养

为了解决光合色素与吸收光关系这一核心问题，本教学从三棱镜的定性观测入手到利用自制分光光度计进行定量测量，带领学生亲身实践了科学探究的过程。

同时，高一学生自主提出利用商业设备对自制分光光度计的科学性进行评估，是难能可贵的，体现了实验设计中的阳性对照理念，实现完整的课堂闭环。

2.多学科融合，发展STEM教学

生活中的真实问题，往往需要多种学科知识共同解决，科学揭示了自然界的客观规律，技术和工程则是在尊重自然规律的基础上改造世界，数学则作为技术与工程学科的基础工具。

本教学将生物、物理、数学、计算机通信与编程、机械制造等多学科知识相融合，发挥了学生的创造性思维，为STEM教学创造落脚点。

三、实验器材

图2为自制分光光度计的硬件搭建实物图，及采集处理软件。

本实验所需全部器材如下：

（一）硬件

比色皿（*2）、剪刀、手机（*2）、电脑、固定装置；

（二）软件

自主研发的手机控制及图像采集处理软件Spectralab；

（三）试剂

光合色素提取液（研磨法）、无水乙醇。

四、实验设计思路

分光光度计是利用分光光度法定量测定被测物质在一定波长范围内光的吸收度的仪器，由光源、单色器、样品池、检测器及信号分析设备等五部分组成。

传统设备中，使用光栅将白光灯发出的复色光分为一定波长区域内的连续单色光，被比色皿中的样液吸收、散射后，由光电倍增管检测。

由于单色光路的复杂性，以及光电倍增管的高成本，使得商业设备不适合在教学中广泛使用。

因此，如图3所示，本实验的设计思路是使用可以发出单色光的智能设备集合光源和单色器的功能，用手机的高灵敏度光电传感器相机捕捉敏感的光线变化，代替光电倍增管作为检测器，并配合自主开发软件实现图像采集和分析功能。

图3实验设计思路

实验设置对照组和实验组，分别用无水乙醇和光合色素为测量样品。

吸收率定义如下

其中，𝐼0是入射光强，即对照组接收光强；𝐼是出射光强，即实验组接收光强。

六、实验过程及结果

本实验是“光合色素提取与分离”实验后的探究延伸课。

从农业实践引入，通过分析商业分光光度计在教学中的不足，利用生活常见材料（如手机、纸板等）设计并实施自制分光光度计。

设置对照组（无水乙醇）和实验组（菠菜光合色素提取液），计算并绘制菠菜光合色素提取液在400nm-670nm的吸收率曲线。

通过比较实验组和对照组在相同波长下的图片亮度，以及计算出的吸收率曲线，得出结论——光合色素在蓝光的吸收最高、红光其次、绿光最弱。

最后进行实验效果评价，提出应用展望。

具体内容如下：

（一）固定器制作

根据单色光源发生器的不同，本实验装置的开发经历了两代，装置结构如图4所示。

第一代使用1600色可控智能灯泡为光源。

由于在发光波长定量时出现困难，在此基础上发展了使用手机作为单色光源发生器第二代产品。

在第二代产品中，用环保纸板设计成中间有隔板的双层纸盒。

手机1发出的光线经比色皿后的出射光被手机2接收。

其中手机1屏幕、比色皿、手机2摄像头保持共轴。

（二）光源获取

通过专业的光学软件，从400nm到670nm，每隔5nm生成一幅图片，共55张。

存入手机1中，作为不同波长的光源。

图5从400到670纳米的55张图片作为光源

（三）图像采集

图像采集分为对照组采集、实验组采集以及结果回传等三步，其中前两步的采集流程相同：

通过Spectralab控制手机1切换光源、手机2拍照记录，并循环55次，完成400-670nm波长的采集。

图6图像采集流程及ADB代码实现

（四）图像分析

图像分析过程如图7所示，采用SpectraLab调用Matlab软件，分别读取对照组和实验组的图像亮度并存储于数组I0,I中，根据提前定义好的吸收率公式计算并绘制出全波长的吸收曲线。

图7图像分析流程及matlab代码

（五）实验结果

1.定性分析

在之前所做的全波长结果中，选取均匀间隔的5幅进行图片。

我们发现对于光合色素的提取液对于蓝光的吸收最强，红光其次，绿光最弱。

图8对照组和实验组的图片效果对比

2.定量分析

图9为计算得到的光合色素吸收光谱。

通过Matlab得出的全波长吸收光谱图线与图片观察的结果一致。

因此，通过我们的实验设备很好证明了教材中的结论，光合色素主要吸收红光和蓝紫光，对绿光的吸收最弱。

为了验证本实验器材的正确性，用大学实验室的科研级分光光度计对相同样品进行了测量。

对比发现，在吸收趋势上，自制分光光度计与商用在蓝光、绿光、红光范围内是一致的；同时，二者的吸收峰，均体现在420，470，620，660nm，误差在+-5nm以内。

但由于450nm以下和650nm以上处于可见光边缘，参杂部分不可见光成分，手机屏幕无法显示，因此在自制分光光度计的吸收曲线端幅值要小于商业。

七、实验教学过程

（一）情景导入

1.图片展示夜间温室大棚用红光和蓝光补充光照。

提问：

为什么夜间温室大棚用蓝色和红色的混合光给植物补光？

（学生观察并合理推测）

2.PPT展示科学家在相同的温度、湿度、光照强度等条件下，分别用绿色、红色、蓝色的光来培养生菜，并统计叶片的生长情况。

（学生描述结果）

3.教师小结学生讨论的结果，引入本课的学习。

图10用农业生产和相关研究引出不同颜色光照对光合作用的影响

（二）光合色素的提取和分离实验

1.介绍实验原理、操作流程和注意事项。

2.在教师指导下学生动手操作。

（三）合作探究：

自制分光光度计

1.讲解分光光度计原理及部件组成；

2.通过分析商业分光光度计的不足，提出改进方案；

3.学生设计以手机作为光源和探测器的时序控制；

4.学生根据给出吸收率公式，对应I与I0在本实验的对应值，并设置对照组和实验组；

5.教师总结手机控制程序和数据处理程序流程；

6.教师讲解操作流程。

（四）学生操作过程

1.把手机1放置在纸盒内的卡位中，使屏幕正对出光口；把手机2通过海绵胶固定在纸盒的外侧，使摄像头正对窗口；

2.进行对照组：

把装有酒精的比色皿放置在纸盒内侧的窗口处；运行Spectralab程序，控制手机1和手机2分别循环显示图片和拍照；

3.进行实验组：

把菠菜的比色皿放置在纸盒内侧的窗口处；运行Spectralab程程序，分别控制手机1和手机2循环显示图片和拍照；

4.把照片导入电脑，先观察图片感受直观印象，运行Spectralab程序定量分析、并绘制吸收光谱。

5.引导学生用数据分析结果解释情景导入中的实验现象；

图11学生操作流程：

A放置【手机1】；B固定【手机2】；C放置控制组比色皿；D指令采集数据；E换实验组比色皿重复操作；F分析数据。

（五）实验结果及效果评价

1.图像结果对比

在全部的采集图像中挑选5个具有代表性的波长下的对照组和实验组图像进行对比，学生可从图像亮度差异上对吸收程度有直观的认知。

2.吸收率曲线结果

展示全波长的吸收率曲线，学生可直观看出光合色素的吸收趋势，并得出结论：

光合色素主要吸收红光和蓝紫光，对绿光的吸收最弱。

3.实验效果评价

在教师引导下，学生提出用商业科研级的分光光度计对同一样品进行测量来评判自制分光光度计的科学性。

并通过描述对比实验结果，得出本自制分光光度计是具有科学性的。

（六）实验展望

1.测量类胡萝卜素吸收率

将光合色素提取液在低温、光照条件下放置三天后，叶绿素成分已经几乎分解，剩下的大部分为类胡萝卜。

用本实验器材测量了类胡萝卜素的吸收曲线，发现与书本上的标准结果相似，再一次证明了本实验装置的可行性。

图12测量类胡萝卜素吸收率

2.测量样液成分含量百分比

本实验装置除了可以测量不同样品的吸收率以外，还可以依据beer-lambert定律，测量样液成分的比值。

例如光合色素是由叶绿素和类胡萝卜素组成，已知两种成分的吸收系数后，就可以根据两种波长下的吸收值计算出两种色素含量百分比。

八、总结

（1）互联网和智能信息化已经深入生活中，但在实验教学中鲜有体现。

我们借助日常使用的智能手机，引导学生定性和定量的观察光合色素的吸收光谱，激发了学生主动探究的兴趣，帮助学生深入理解生物学核心概念、构建生物学科体系；

（2）教师可引导学生借助学具进一步开展“探究光合色素中不同色素的吸收光谱，并推导其含量”、“探究不同植物以及季节对叶片中光合色素的含量及种类的影响”等课题，为学生实践能力和创新精神的培养提供了诸多素材。

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吴宁

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