STEM实施方案：植物的沙漠适应性

植物的沙漠适应性
年级：小学，中学，高中
生态概念：适应
亚利桑那科学标准：科学探索;生命科学
材料：
1）厚纸片
2）剪刀
3）放大镜
4）写作/画图材料
5）量杯*
6）保鲜膜
7）尺
8）水
背景
这项活动很适合植物单元的内容，说明了它们如何通过光合作用生产养料并成长。

尽可能多地为学生提供需要的有关光合作用的信息，以便他们在一开始就能把握好研究主题。

植物有称为叶的绿色结构，其主要目的是收集阳光中的能量并通过光合作用的化学过程，为植物制造养料。

叶子有许多形状，大小，颜色和结构。

有时，它们不是我们想象的样子，例如，仙人掌的棘叶是一种典型的叶子。

水是整个植物进行光合作用和养料运输的必要条件。

植物的枯萎说明如果没有足够的水，它们就会死亡。

植物通过根系吸收的水分去哪里了？它们都被纳入到植物的物理结构里去了吗？在一个典型的植物上，叶子是暴露在空气中最主要的部分。

叶子在光合作用时通过微小气孔释放水蒸汽。

二氧化碳气体，是进行光合作用必要气体。

二氧化碳通过气孔被吸收。

就像我们利用水让我们的细胞存活，植物也一样感。

我们吸入的氧气和呼出作为一种副产品的水蒸气，而植物是通过气孔吸收二氧化碳和释放水分。

这为处在干燥环境里的植物带来一个问题：如何不让水分流失。

在宏观和微观条件下，沙漠植物都有各种不同的方式适应缺水和高温的环境条件。

有：蜡状角质层，叶片背面的气孔，只在夜间开放的气孔，以及厚厚的叶肉细胞，等等。

引导探究
观察/勘探期：用眼睛，放大镜，手电筒，刷子，手指等观察在栖息地的各类植物，重点是观察叶子，但其他能观察到的植物结构可以也好。

让学生把观察到的结果进行分类（例如，根据叶的特点——带刺，叶片薄，叶椭圆形等，或使用其他特性），只要他们认为合适的。

小组讨论及提问阶段：
引导学生两种或多种植物的种类里寻找不同的构成，重点是叶子的大小，形状，颜色，结构方面，以及其他他们可能已经注意到了的特性。

讨论在阳光下的植物会发声什么变化。

如果吸收不到水，植物会发生什么？植物叶片形状，颜色等都不同吗？叶子颜色是否会影
响影响水的吸收？哪种叶子的尺寸最容易在沙漠高温下生存？
引导探究的重要方面是鼓励学生产生多个假设，并让学生知道什么数据是重要的，并决定创建自己的数据表。

保持这样的领悟，在下面示例中说明了更多可以开展探索的例子。

示例假设：
我们使用的问题，“沙漠植物是依靠窄叶来节约保持水分的吗？”
假设可能是，“窄叶植物比阔叶植物失去的水分更少，因为窄叶暴露在空气中的面积更小。

”或者，它可以写成，“如果植物透过叶子失去水分，那么我们把阔叶和窄叶都暴露在阳光下，窄叶比阔叶失水更少。

”
样本实验设计：
自变量是形状。

因变量是吸收的水量，然后通过叶子蒸发而失去的水量。

把厚纸片剪出两种不同形状的叶子，分别是窄叶和阔叶；注意要保持叶子的总面积相同，仅仅改变的是形状。

每个叶需要一个相等长度的茎，茎也是用同种材料制作的。

每种尺寸的叶子制作五份，通过保证相同的叶面积和茎的长度来控制因素。

如下图：
每个叶片由单张纸构成。

面积（长x宽），每片叶子的是一样的。

（对于那些熟悉椭圆形，圆形的面积计算的，面积之间可以略有差异。

正好可以练练数学！）
将每个叶茎单独放在装有500ml水的容器中。

用保鲜膜把容器包裹好，以减少表面的
蒸发。

请勿覆盖树叶，只是包好容器的顶部。

将所有容器放在栖息地的同一位置。

在设定的时间（如，一小时），回来观察哪个容器中的叶片消耗了最多的水分，可以通过测量蒸发掉的水分来确定。

通过保持所有相同的变量，除了叶子的大小，进行一组对比实验。

注：本实验采用人工材料来模拟常见沙漠植物的适应方式：窄叶可以减少水分流失。

理论上，可以通过测量自然环境中植物的失水量来进行对比实验。

但是对于学生来讲，实施的过程是很困难的，而且所需的设备通常只在专业研究的实验室里才有。

样本预测：窄叶比扩有人失水更少？。

记录结果：
通过扣除留在容器里的水量，计算出各个叶片的失水量。

测量工作可以在不同的时间点进行，也可以一次性完成。

数据分析和展示：
根据数学水平，可以算出单位面积的蒸发率，
计算公式：失水量（ml）÷叶子面积（mm²）
讨论：你的假设得到支持了吗？若是，请继续测试其他假设。

若否，原因为何？发生了什么？为什么呢？这是一个很好的机会来修改你的假设，做一做其他的测试。

拓展：
（1）小学：
（a）如上述制作模拟蜡状角质层的纸质叶子，但所有叶子要有相同的尺寸和形状。

在叶子一半面积上涂上石蜡，然后比较容器中失水的情况。

要小心，不要涂在茎上导致不能吸收水分。

（b）在等量的水中浸泡相同大小的毛巾。

把一半紧紧叠起来，另一半摊平。

将所有的毛巾放在阳光下的塑料托盘里。

记录每个需要多长时间变干。

这样可以模拟有很多叶肉细胞的厚叶片，而薄叶无叶肉细胞，用于比较这些水流失的时间。

（2）中学：
（a）求均值，中位数，模式和极差。

（3）高中：
（a）计算的方差和平均数据的标准差。

（b）进行在容器中水消耗的t-检验。

（T-检验是一种判断两个样本之间是否存在显著差异性的统计方法。

）进行方差分析，并比较三个或更多个处理组。

（c）解剖叶表面，并通过显微镜观察气孔。

估算单位面积叶片上气孔的数量。

比较不同的植物物种。

（4）所有级别：
（a）观察叶和茎的颜色。

并不是所有的叶子都是想象的绿色。

沙漠植物往往是一中非常的浅绿色至甚至是接近白色（如沙漠毒菊，多见于索诺兰沙漠）。

极浅色的叶子通常是这样，在叶面上布满毛状体。

通过一个放大镜，或显微镜解剖观察叶子。

毛状体有几个功能：
（一）捕获微小的植食性昆虫和防止被取食;
（二）通过减少蒸发来保持叶片表面的水分。

（三）通过反射光，以减少叶片的热负荷。

（b）相互比较沙漠植物的叶片尺寸（柚木，沙漠毒菊，墨西哥刺木，朴树等），非沙漠植物（如柑橘，桑葚等）。

小叶子是另一种适应炎热的方式。

（c）用纸或者硬板纸设计成小纸箱，类似于在你的栖息地植物的各种色调的纸箱。

使箱子可以容纳一个小温度计。

每种颜色制作五个纸箱，加上五白五黑进行比较。

把装有温度计的纸箱放置在同一栖息地的相同区域，使所有盒子接收相同量的太阳光。

随机放置纸箱，避免一种颜色的所有纸箱被放在一起。

记录每个箱子的初始温度。

在设定的时间（十五分钟到一小时），检查温度。

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