“光照對馬鈴薯塊莖著生部位的影響”

課外科技探究活動

高中部聶常青

（本文被全國生物科學類核心期刊一一《生物學通報》2003年第十期發表，同

時被《中國學術期刊（光盤版）》、“中國期刊網”、《中文科技期刊數據庫》收錄,

并通過“萬方數據數字化期刊群”進入了因特網）

論文摘要馬鈴薯塊莖的著生部位受光的影響。在課外科技活動中，利用無土

栽培技術對馬鈴薯植株莖的基部和地上常態莖分別照光和遮光處理，對之進行了

探究和驗證。

主題詞馬鈴薯塊莖光無土栽培營養液

生物興趣小組是開展課外科技探究活動，培養學生研究性學習能力的很好形

式。借助這一組織形式，在活動課中我帶領學生利用無土栽培技術開展了“光照

對馬鈴薯塊莖著生部位的影響”的探究活動。

1教學內容分析

利用無土栽培技術，通過含全部必需礦質元素的溶液培養法，分別對馬鈴薯

的根和莖在照光和遮光條件下進行培養。這一探究活動過程與教材中的知識結合

點很多，幾乎涵蓋了高二教材的各章內容，如光對植物生理活動的影響；環境對

生物表現型的影響；生物的變異；植物的水分代謝一一吸收和散失（吐水現象）;

植物的礦質營養一一必需元素、大量元素、微量元素；礦質元素吸收與水分吸收

及呼吸作用的關系；營養生殖；細胞的分化以及植物生命活動的調節等。

2教學目標

2.1知識目標

加深對教材中相關知識的理解；初步學會無土栽培技術。

2.2情感目標

養成科學態度和合作精神以及勇于探索、不斷創新的精神。

2.3能力目標

初步學會科學探究的一般方法，體會科學探究的一般過程，具有生物學實驗

的基本操作技能，發展收集和處理信息的能力、分析和解決實際問題的能力以及

交流與合作能力。

3教學重點、難點

實驗方案的設計；無土栽培營養液的配制及栽培管理。

4教學對象分析及時間安排

教學對象是高二參加生物科技活動小組的同學，他們基礎知識較扎實，生物

學科興趣濃厚。根據本地氣候條件，活動安排在三月下旬前后，這時學生已學完

了教材前六章內容，基本具備了相關的生物學知識和實驗操作技能。整個活動需

要三節自習課集中研究、討論和交流，另需一定的課余時間查找資料和對實驗進

行操作等等，整個實驗的完成大約要持續兩個月時間。

5教學思路的設計

提出問題：馬鈴薯的食用部分是變態的塊莖，為什么它只能著生在土壤中，

而地上部分長不出這樣的塊莖呢？

-----學生思考討論分析研究，教師啟發點拔引導評價

做小假設：受光照影響

——學生討論設計實驗方案，號師啟發點拔引導評價

、，裝置設計—無土栽培一?營養液配制

驗上假設：實施實驗方案

1控制PH值、補液、換液、通氣等

成果分析：學生對實驗結果和實驗過程進行自主的開放性評價

教師升華一一發展學生的創新思維活動，激發繼續探究

6教學活動過程

6.1第一課時

6.1.1提出問題，做出假設

教師提出問題，由學生分析思考其原因：馬鈴薯的食用部分一一土豆是變

態的塊莖，為什么它只能著生在土壤中，而地上部分只長常態莖卻長不出這種變

態的塊莖？由于此時學生尚未學習到生態因素的內容，難以回答出是受光照的影

響，有的學生說是由遺傳因素決定的，有的說是受植物激素調節的結果。教師先

對學生的回答予以肯定的評價：遺傳物質是生物進行各種生命活動、體現各種生

命現象的根本的決定因素，植物激素對植物的生命活動起著直接的調節作用，同

學們回答的都有道理，但我們今天不研究其內在原因，而是探討一下這種現象受

外界環境中的什么因素影響。接著教師進一步啟發：生長在農田中的土豆如果露

出土壤外會變綠，甚至長出新的綠色植株來，這是為什么？學生們經過分析討論

很快形成兩種觀點；一方認為是由土壤決定的，另一方認為是由光照決定的。教

師組織雙方辯論，分別闡述己方理由，駁斥對方觀點，結果雖然雙方均未能提出

有力證據證明己方和駁倒對方，但卻有更多的同學支持“受光照影響”這一觀點。

這時，教師向學生介紹科學探究的一般方法：發現問題一做出假設一驗證假設一

得出結論。在教師的引導下，學生達成了基本一致的意見，做出了假設一一受光

照影響。

6.1.2設計實驗方案

為了使學生解決問題能力和合作精神得到培養，把學生按座位每五、六人

分為一組，討論設計驗證假設的實驗方案，教師只是起著組織、啟發、引導和評

價的作用。同學們根據已確定的實驗目的，很快把方案設計的關鍵集中在如下兩

點：一是使馬鈴薯植株根部露于光下，看其是否長不出塊莖；二是使馬鈴薯地上

植株局部遮光，看其能否長出塊莖來。為此同學們很快確定了使用教材中介紹的

無土栽培技術；同時認為，要使植株的根部露于光下，不僅要使用透明容器培養,

而且不能使用礫石、巖棉或沙子等基質對根部固定和通氣，只能采用水培法（溶

液培養法）通過支架對植株固定培養。由于根對礦質元素的吸收等生命活動要依

靠呼吸作用提供的能量，從而就把解決問題的關鍵轉移到了如何滿足根部呼吸作

用對氧氣的需求上。最后同學們經過分析比較，從在培養液中養殖金魚藻等水草、

經常性更換營養液和利用氣泵通氣三種方法中選擇了后者。

在容器選擇上，同學們依次淘汰了廣口瓶、大燒杯、色拉油桶等，最后選

定了玻璃魚缸，大小15-20升左右為宜；遮光材料從黑色塑料和黑布中選擇了透

氣又透水的黑布。裝置設計如圖1所示。

6.1.3布置課余作業

為了發展學生收集和處理信息能力，要求學生課余利用網絡和圖書館等資

源查找無土栽培營養液配方，同時思考并解決以下問題：

D如果找不到馬鈴薯無土培養液專用配方，怎么辦？

2）不同植物的營養液配方是否相同？其礦質元素的種類和量的多少有何

特點？

3）營養液總濃度以多大為宜？并對之作出合理解釋。

4）營養液的PH值一般是多少，如何調適？

5）培養過程中營養液是否需要更換，多長時間更換一次？

6.2第二課時

同學們帶著教師要求收集的相關資料集中交流討論。

6.2.1確定營養液配方

由于馬鈴薯塊莖耐貯藏，精細栽培經濟意義不大，所以同學們根本找不到其

專用的營養液配方，而是帶來了一些花卉及黃瓜、甜瓜、番茄、青椒、茄子等無

土栽培的營養液配方。同學們通過對這些不同配方的對比研究發現了它們的共同

特征：都含有植物生長所必須的全部礦質元素，而且根據配比情況可明顯地看出

大量元素和微量元素之分；同時也發現了不同營養液之間也存在著一定的差異，

并能對其差異作出正確的解釋，知道這是不同植物對某種礦質元素離子選擇吸收

的量不同的緣故。不同植物營養液配方大同小異的事實使同學們認識到可以用其

它植物的營養液進行馬鈴薯的無土栽培。在教師的啟發引導下，同學們經過分析

思考，認為應該選擇與馬鈴薯親緣關系較近、同是茄科植物的番茄、青椒或茄子

的營養液替代為宜，進而又認識到為了盡可能避免不同植物之間的營養差異過

大，應該把這三種茄科植物的營養液綜合起來考慮。最后經過計算，求出各種礦

質元素的平均值，確定出表中的營養液配方。

大量元素微量元素

藥品名稱用量(g/kkg)藥品名稱用量(g/kkg)

螯合鐵

Ca(NO3)291020

KNO3450MnCh.4H2O1.7

K2HPO4200H3BO43.1

MgSO4.7H2O450ZnSO4.7H2O0.28

(NH4)H2PO4120CuSO4.5H2O0.12

H2MOO4.H2O0.02

6.2.2營養液的總濃度和PH值

栽培上所用營養液的總濃度一般在0.2%左右，最大不可超過0.4%,其原

因是要考慮植物對水和無機鹽的均衡吸收問題，同學們確定的營養液配方接近

0.2%,適宜栽培使用；大多數植物適宜在弱酸環境中生長，PH值一般在5.2-6.8

之間，同學們分析認為，自己配制的營養液的PH值宜控制在5.5-6.5之間，

過高或過低加硫酸或苛性鉀調節。

6.2.3栽培過程中營養液的更換

栽培過程中由于空氣溫度和濕度變化的影響，植物對水鹽難以均衡吸收，勢

必導致營養液濃度的變化；而植物對不同離子的選擇吸收及其不同生長時期對同

一種離子吸收量的不同，又會導致營養液中殘留成份發生變化，從而引起溶液

PH值的較大波動，已不適合單純的加酸或加堿調節，因此栽培上一般需要10-20

天左右更換一次營養液。我們所要配制和使用的并不是馬鈴薯專用營養液，只是

代用品，栽培時其溶液殘留成份和PH值變化將會更大。同學們經過分析，認為

栽培時應該每周更換一次營養液。

6.2.4布置課余任務

1）配制營養液：與生物和化學實驗教師聯系，獲取必需的藥品、器材及實

驗場所。注意按照配制溶液的量同比稱取所需藥品；可以先配制出濃縮

液，使用時再予稀釋；溶解時要先加微量元素再加大量元素；注意調節

PH值等等。

2）馬鈴薯苗的培養：取已經過休眠期和光下催芽的馬鈴薯塊莖，按芽的位

置切成均等的四塊栽于花盆中，放在陽光充足的地方培養，出苗后要適

當澆水。想一想，為了移植時苗的根部不受或少受傷害，用什么樣的基

質育苗更好（啟發學生用沙壤土或干脆用沙子育苗，若用沙子育苗在出

苗后要適當補充一定量的營養液）？

3）驗證實施：當苗長到15-20厘米左右時，就可供實驗使用了。取苗時一

定要小心，要盡量避免對根的傷害，用清水沖洗干凈就可如圖1所示進

行操作，然后放于實驗室的陽臺上培養。培養過程中要注意適時的補液、

換液、通氣、監控PH值等；特別強調一定要注意避免遮光部位被隨意打

開。同時也可以順便觀察向光性、頂端優勢、吐水等現象，并分析其成

因。

6.3第三課時

移栽到營養液中的馬鈴薯植株經過4-5周的培養后，就可以對其進行實驗

成果分析了。撤去遮光的黑布，可見圖2的結果。

6.3.1學生總結交流

學生以小組為單位，對實驗結果進行評價，然后每組發表交流，主要得出如

下結論：馬鈴薯塊莖的著生部位受光的影響，只能著生在不見光的部位，與土壤

本身無關。同時學生對實驗過程也進行了自主的開放性評價，如向光現象、頂端

優勢現象、吐水現象的成因以及植物生長所必需的礦質元素、大量元素、微量元

素；植物吸水與吸收礦質元素的關系；植物吸收礦質離子與呼吸作用的關系；植

物對礦質元素的吸收具有選擇性；馬鈴薯的生殖方式；環境對表現型的影響；不

遺傳的變異等等。

6.3.2教師引導提高

為了進一步發展學生思維，也為了激發學生不斷探索、勇于創新的精神，教

師要善于創設問題情境，調動學生思維中最積極的因素。為此我提出如下問題，

引發學生思考討論：

1）生長在植株上部的馬鈴薯與番茄的食用部分有何不同？

2）馬鈴薯能否著生在其植株頂端？其植株上莖的任何區段遮光后都能結出

塊莖嗎？

3）讓馬鈴薯塊莖著生于植株上部，這在生產和生活中有實用價值嗎？

4）馬鈴薯塊莖的著生部位主要受何波長的光的影響？

5）光照是如何通過植物激素對其生理活動進行調節的？

第一個問題要讓學生加深認識馬鈴薯塊莖即使著生在植株上部，其實質也只

是變態的莖，番茄的食用部分是由子房