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2019-2020年高中生物 第四節(jié)能量之源 綠色植物的光合作用教案2 新人教版必修1 教學(xué)目標(biāo) 1．使學(xué)生了解葉綠體的結(jié)構(gòu)以及其中的光合色素，理解其中的色素與光合作用的關(guān)系；理解光合作用的光反應(yīng)和暗反應(yīng)的基本過程和相互關(guān)系；理解光合作用的生理意義以及在生物界中和對人類生產(chǎn)生活的意義。 2．讓學(xué)生初步學(xué)會提取、分離葉綠體中色素的方法和技能；通過引導(dǎo)學(xué)生分析光反應(yīng)和暗反應(yīng)的過程，概括物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化的本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生分析概括的能力。 3．通過光合作用的意義的教學(xué)，使學(xué)生在理解綠色植物在維持環(huán)境穩(wěn)定中的作用，理解光合作用產(chǎn)物對人的生活和生產(chǎn)的意義。在此基礎(chǔ)上，增強(qiáng)學(xué)生關(guān)心愛護(hù)綠色植物，關(guān)心發(fā)展農(nóng)業(yè)的意識從而對學(xué)生進(jìn)行生命科學(xué)價值觀的教育。 重點(diǎn)、難點(diǎn)分析 1．葉綠體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及其中的光合色素的種類和作用，是本課題教學(xué)的重點(diǎn)之一。因為： （1）葉綠體是光合作用的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，且這種結(jié)構(gòu)和成分與其光合作用具有一定的適應(yīng)關(guān)系。如，葉綠體中色素的種類及其吸收光譜，色素在片層上的分布、基粒片層的垛疊形式、基粒和基質(zhì)的關(guān)系等，都利于光合作用的進(jìn)行。學(xué)生清楚地知道這些結(jié)構(gòu)和成分，才能順利地理解光合作用的光反應(yīng)和暗反應(yīng)發(fā)生的場所。 （2）在第一章細(xì)胞部分，學(xué)生接觸了葉綠體色素種類的知識，另外學(xué)生在生活中也經(jīng)?？吹交蚵牭竭^有關(guān)葉綠素和胡蘿卜素的知識，但沒有提取和實(shí)際看到過各種葉綠體中的色素。因此學(xué)生對親自從葉片中提取和分離葉綠體色素具有濃厚的興趣和渴望。做好葉綠體中色素的提取和分離實(shí)驗，不但可使學(xué)生學(xué)會有關(guān)方法，還可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)的興趣，加深對有關(guān)知識的認(rèn)識。 2.光合作用的過程的內(nèi)容，是教學(xué)的又一重點(diǎn)。因為： （1）光合作用過程是本課題的核心內(nèi)容。學(xué)生只有認(rèn)識了光合作用的光反應(yīng)和暗反應(yīng)的過程，才能理解從光能、ATP分子中活躍的化學(xué)能到糖類等有機(jī)物分子中的穩(wěn)定的化學(xué)能這一能量轉(zhuǎn)移過程，掌握光合作用的能量和物質(zhì)變化的本質(zhì)。使學(xué)生對光合作用的認(rèn)識水平，在初中的基礎(chǔ)上前進(jìn)一步。 （2）學(xué)生只有知道光合過程的各個環(huán)節(jié)，才能理解內(nèi)外因素對光合作用的影響，才能進(jìn)一步研究如何提高光合效率的途徑，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的技術(shù)。因此，學(xué)習(xí)光合作用的過程，是深入聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際的理論基礎(chǔ)。 3．光合作用的意義，也是教學(xué)的重點(diǎn)。因為： （l）通過光合作用的意義的教學(xué)，可使學(xué)生理解，當(dāng)今世界面臨的糧食、化石能源、環(huán)境污染等重大問題的解決與研究光合作用的關(guān)系。知道人類需要的農(nóng)產(chǎn)品，歸根結(jié)底要靠光合作用去生產(chǎn)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究，應(yīng)該把培育高光合效率的農(nóng)作物品種，發(fā)明提高農(nóng)作物充分利用光能的時間、空間的技術(shù)等途徑作為研究方向。知道增加植被面積和質(zhì)量，是改善環(huán)境的有效途徑等。這些，是學(xué)生必備的科學(xué)素養(yǎng)。因此，光合作用的意義，是培養(yǎng)學(xué)生關(guān)心生物科學(xué)及其發(fā)展，關(guān)心社會問題的解決等意識的好材料，應(yīng)充分重視。 （2）從生物界看，光合作用是最基本的物質(zhì)代謝和能量代謝。光合作用制造的有機(jī)物，不僅供綠色植物本身利用，也是地球上絕大多數(shù)生物體中有機(jī)物的來源，是生態(tài)系統(tǒng)中的生產(chǎn)者。這些，是學(xué)生學(xué)習(xí)呼吸作用、生態(tài)系統(tǒng)等內(nèi)容的基礎(chǔ)。 4.光合作用中的物質(zhì)和能量變化，是教學(xué)的難點(diǎn)。因為，學(xué)生對有關(guān)的物理和化學(xué)知識木熟悉，特別是有機(jī)化學(xué)知識，高二第一學(xué)期多數(shù)學(xué)校本學(xué)習(xí)到。對光合作用中的光能到電能、電能到不穩(wěn)定的化學(xué)能、從不穩(wěn)定的化學(xué)能到穩(wěn)定的化學(xué)能的轉(zhuǎn)變的必要性的理解，對暗反應(yīng)中的二氧化碳的固定、三碳酸的還原等的必要性的理解都有一定的難度。 教學(xué)過程設(shè)計 一、本課題的參考課時為二課時。 二、第一課時： 教學(xué)過程的設(shè)計思路： 介紹有關(guān)證明葉綠體是光合場所的實(shí)驗，引入對葉綠體的分析。 從綠色植物的水分、礦質(zhì)代謝引入有機(jī)物和能量的代謝，然后提出光合作用。 通過學(xué)生做葉綠體色素的提取和分離的實(shí)驗，使學(xué)生理解掌握有關(guān)內(nèi)容。 演示或介紹葉綠體色素吸收光譜的現(xiàn)象。總結(jié)葉綠體成分、結(jié)構(gòu)與功能的適應(yīng)性。 2.關(guān)于教學(xué)過程的說明： （1）本節(jié)教學(xué)課題的引入，可有多種不同的形式。一種是通過綠色植物的水分和礦質(zhì)代謝引到有機(jī)物和能量代謝。如，綠色植物在生活中，除了要從環(huán)境中吸收水分和二氧化碳，以及礦質(zhì)元素離子等無機(jī)營養(yǎng)外，還需要有機(jī)物，如糖類、脂類、蛋白質(zhì)等。這些有機(jī)物是從哪里得到的呢？怎樣制造的？由此引出課題。接著介紹能說明光合作用的場所是葉綠體的有關(guān)實(shí)驗，引入對葉綠體的分析，如德國科學(xué)家恩吉爾曼用水綿進(jìn)行光合作用的實(shí)驗。也可以從光合作用的意義或光合作用的發(fā)現(xiàn)過程，引入本課題和光合作用的場所的研究。提出：為什么光合作用能在葉綠體中進(jìn)行？這與葉綠體內(nèi)特有的成分和結(jié)構(gòu)有關(guān)。引入本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容。 （2）通過提問，復(fù)習(xí)葉綠體的亞顯微結(jié)構(gòu)，用板圖或掛圖顯示出葉綠體的外膜、內(nèi)膜、基質(zhì)、基質(zhì)片層和基粒等結(jié)構(gòu)及成分。附圖不僅可以強(qiáng)化學(xué)生對葉綠體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，也可使學(xué)生直觀地認(rèn)識色素和酶的存在部位。在此，教師應(yīng)特別指出，光合作用所以能在葉綠體中進(jìn)行，一是由于其中含有催化光合作用的酶系，這些酶分布在葉綠體的基質(zhì)中和片層的薄膜上；二是在基料片層的薄膜上，有吸收轉(zhuǎn)化光能的色素。由此引出色素的提取和分離實(shí)驗。 （3）關(guān)于葉綠體中色素的提取和分離的學(xué)生實(shí)驗： ①本節(jié)課內(nèi)容多時間緊，課前要做好實(shí)驗準(zhǔn)備?？砂讶~片稱好后，分發(fā)給學(xué)生，免去學(xué)生稱量的過程。 ②在學(xué)生進(jìn)行色素提取實(shí)驗前，教師應(yīng)對實(shí)驗原理給予簡要說明。如，根據(jù)葉綠體中的色素，在有機(jī)溶劑（乙醇、丙酮等）中溶解的特性，用丙酮可將色素從葉片中提取出來；葉綠素在酸性條件下，其中的鎂可被氫離子取代，使葉綠素成為褐色的去鎂葉綠素。在研缽內(nèi)加入少許的碳酸鈣，可中和細(xì)胞液中的有機(jī)酸。 ③提醒學(xué)生，整個提取的操作過程，速度要快。減少丙酮的揮發(fā)，減輕對教室環(huán)境的污染。為減少丙酮的污染和節(jié)省時間，可簡化該實(shí)驗。如，教師在實(shí)驗前，選取新鮮綠色的葉片（菠菜葉、菜豆葉等），烘干后磨成粉末狀，分別裝入小試管中（約占試管的五分之一），然后分發(fā)給學(xué)生。實(shí)驗開始，學(xué)生直接量取丙酮，倒入小試管中（約至試管的五分之三）。輕輕振蕩后，過濾即得葉綠體色素濾液。對研磨葉片的過程簡單介紹即可。 關(guān)于色素的分離。為節(jié)省時間，教師在實(shí)驗前，把濾紙條制備好。 對操作過程不必過多解釋，先讓學(xué)生按教材要求進(jìn)行操作。但要提醒學(xué)生在劃濾液線時，多重復(fù)幾次（5～6次），所劃的細(xì)線，應(yīng)呈深綠色。待學(xué)生按教材要求完成實(shí)驗操作后，在等待層析結(jié)果的過程中，教師與學(xué)生討論實(shí)驗原理和操作要求。關(guān)于層析原理，應(yīng)使學(xué)生清楚：不同的色素，在層析液中的溶解度不同以及在濾紙上的吸附力木同，故在濾紙上的運(yùn)動快慢不同，使不同色素分離開。層析法是分離混合物的常用方法之一。關(guān)于操作要求，可提出以下問題討論：濾液細(xì)線為什么細(xì)一些、齊一些好？為什么不要讓層析液設(shè)及濾紙上的濾液細(xì)線？ ⑤結(jié)果觀察。在學(xué)生觀察的基礎(chǔ)上，總結(jié)共板書（如圖）。在此，教師應(yīng)指出，在通常情況下，葉綠素的含量是類胡蘿卜素的4倍，因此，在春夏季節(jié)我們所見到的葉子通常是綠色。 ③關(guān)于色素吸收光譜特點(diǎn)。教師可演示葉綠體的色素吸收光譜的現(xiàn)象。方法是：用紅、橙黃、綠、藍(lán)紫色的薄膜，分別遮住同一光源。把盛有葉綠體的色素提取液的試管，分別放在紅、橙黃、綠、藍(lán)紫色光前，讓學(xué)生觀察這些光透過色素提取液的情況?？擅黠@地看到，紅和藍(lán)紫色光透過的較少（暗），橙黃和綠色光透過的較多（亮）。引導(dǎo)學(xué)生分析這些現(xiàn)象，得出葉綠體中的色素，主要吸收紅光和藍(lán)紫光。在此基礎(chǔ)上，教師再介紹，人們用更加精密的儀器測定得知，類胡蘿卜素主要吸收藍(lán)紫光，葉綠素主要吸收紅光和藍(lán)紫光。并板書（如圖2－9）。 （4）在分析葉綠體中色素的種類和吸收光譜的特性后，回過頭再進(jìn)一步分析，葉綠體的成分和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與光合作用的關(guān)系。如，葉綠體內(nèi)的片層薄膜，垛疊成基粒，每個基粒由10～100個片層結(jié)構(gòu)組成，可增大葉綠體內(nèi)的膜表面，擴(kuò)大色素的附著面，有利于提高光能的利用效率；又如，與光合作用有關(guān)的各種酶集中分布于葉綠體中，有利于光合反應(yīng)高效地進(jìn)行等。使學(xué)生理解生物的結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一的特點(diǎn)。 三、第二課時： 1．教學(xué)過程的設(shè)計思路： 復(fù)習(xí)光合作用場所。提出光合作用的總反應(yīng)式，引出對光合作用過程的研究。 分析光反應(yīng)和暗反應(yīng)的關(guān)系，概括光合作用的實(shí)質(zhì)。討論光合意義。 通過介紹卡爾文實(shí)驗及結(jié)果討論暗反應(yīng)的過程，分析其物質(zhì)和能量變化的實(shí)質(zhì)。 講述光合作用的光反應(yīng)，分析其能量和物質(zhì)變化。介紹有關(guān)實(shí)驗證據(jù)。 2．關(guān)于教學(xué)過程的說明： （1）開始可以提問復(fù)習(xí)上節(jié)課的內(nèi)容。如，為什么在葉綠體中能發(fā)生光合作用？（引導(dǎo)學(xué)生回答出：葉綠體中分布有光合作用有關(guān)的酶、色素種類）這些酶和色素分布在葉綠體的什么部位？（使學(xué)生回答出：酶分布在片層薄膜上和基質(zhì)中、色素分布在基粒片層薄膜上。） （2）在復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)上，提問學(xué)生光合作用的反應(yīng)式（如果學(xué)生不能完整答出，教師要給予提示），并板書。接著指出，該反應(yīng)式概括了光合作用的條件、原料和產(chǎn)物。在葉綠體中，是怎樣利用二氧化碳和水合成有機(jī)物的？引出光合作用的過程。 （3）關(guān)于光反應(yīng)的過程，可以教師講解為主。邊講解邊板圖（如圖2－10）。說清以下幾點(diǎn)： ①光合作用是從葉綠體色素吸收光能啟動的。色素吸收光能傳遞給部分葉綠素a，葉綠素a接受一定量的光能后，迅速射出一個高能電子（光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽?，此時該葉綠素分子被激發(fā)，出現(xiàn)電子虧缺，并形成強(qiáng)烈的奪得電子的能力，導(dǎo)致水分子分解成O2和H+，使該色素分子得到電子。 ②射出的高能電子，經(jīng)過一系列的傳遞，最終與H+一起被某種受體接受（可如圖2－10表示人在傳遞過程中，釋放能量并把ADP和Pi轉(zhuǎn)變成ATP。這樣就把電能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能儲存在ATP中。從葉綠體的色素吸收光能開始到此，依賴于光能的推動，因此，把上述反應(yīng)稱為光反應(yīng)。 ③概括光反應(yīng)。把水分解為O2、［H］；把光能轉(zhuǎn)變成活躍的化學(xué)能貯存在ATP中。光反應(yīng)在葉綠體內(nèi)基粒片層的薄膜上進(jìn)行。（板書） ④如果有時間，教師可介紹有關(guān)證明光合作用釋放的氧來自水的實(shí)驗。如，美國科學(xué)家魯賓和卡門用氧的同位素18O，標(biāo)記H2O和CO2，使它們分別成為H。18O和C18O 2，然后向一組植物提供H218O和C O2；向另一組植物提供H對和C18O 2。在相同的條件下，植物進(jìn)行光合作用，并對其產(chǎn)生的氧氣進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)前者釋放的氧氣中的氧全是“O2，后者釋放的氧氣中的氧都是O2。證明，光合作用釋放的氧全是來自水。 接著教師指出，光反應(yīng)產(chǎn)生的［H］和ATP是非?；钴S的，在葉綠體中不能大量積累，它們具有很強(qiáng)的還原能力，推動光合作用的下一步的進(jìn)行。由此，引出暗反應(yīng)。 （4）關(guān)于暗反應(yīng)的過程，可以從CO2的利用入手，逐步分析其固定、還原、五碳化合物的再生以及光合產(chǎn)物形成過程。如果學(xué)生條件較好，可以通過介紹卡爾文的實(shí)驗，討論暗反應(yīng)的過程。在討論中注意講解以下幾點(diǎn)： ①邊講邊板圖（如圖），和光反應(yīng)過程的圖解聯(lián)系成整體圖，幫助學(xué)生直觀地理解這一過程。 ②CO2的固定是在酶的作用下，將葉片吸收的或自身呼吸釋放的一分子CO2，首先和五碳化合物（二磷酸核酮糖）結(jié)合，再分解為兩分子的三碳化物（磷酸甘油酸），這樣氣體CO2被固定。 ③還原過程，是三碳化合物在ATP供能和加氫的情況下，變成三碳糖的過程。在此過程中，原屬CO2中的C進(jìn)入糖的分子中，并把活躍的、不穩(wěn)定的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的化學(xué)能貯存在糖分子中。 ④兩個三碳糖經(jīng)過一系列的復(fù)雜的變化，一部分再形成五碳化合物補(bǔ)充原消耗的五碳化合物，一部分最終形成葡萄糖等有機(jī)物。 ⑤概括暗反應(yīng)。在此反應(yīng)指出：暗反應(yīng)是在葉綠體的基質(zhì)中，需要多種酶催化進(jìn)行的；在光反應(yīng)產(chǎn)生的[H]和ATP的推動下，把CO2原成有機(jī)物并把活躍的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的化學(xué)能貯存在有機(jī)物中。把概括的內(nèi)容，簡捷地板書出來。 （5）在暗反應(yīng)過程學(xué)習(xí)后，以討論的形式，分析光合作用過程中的光反應(yīng)和暗反應(yīng)的關(guān)系。在此，教師可利用已有的板圖，討論出：沒有二氧化碳的固定形成的三碳酸，光反應(yīng)的產(chǎn)物[H]和ATP就會積累，使光反應(yīng)很快停止；沒有光反應(yīng)提供[H]和ATP，三碳酸就不能還原成三碳糖，就木會有五碳化合物的木斷再生以及最終有機(jī)物的合成。五碳化合物迅速減少和三碳酸的積累，必然導(dǎo)致二氧化碳固定的停止。即沒有光反應(yīng)，暗反應(yīng)無法持續(xù)地進(jìn)行。所以，光反應(yīng)和暗反應(yīng)是光合作用全過程的兩個階段，它們是相互依存的。 （6）對比完兩個反應(yīng)后，要引導(dǎo)學(xué)生概括光合作用的全過程的物質(zhì)和能量變化，對照反應(yīng)式，指出原料和產(chǎn)物之間的來龍去脈，由學(xué)生配平光合作用的總反應(yīng)式。指出光合作用的物質(zhì)和能量變化的本質(zhì)，也由此引出光合作用的意義。 （7）關(guān)于光合作用的意義的教學(xué)，可以討論的形式，概括出以下幾點(diǎn)： ①光合作用是生物界最基本的物質(zhì)代謝和能量代謝。通過討論植物、動物等其它生物體中的有機(jī)物及其中的化學(xué)能，歸根結(jié)底是光合作用制造的。在生態(tài)系統(tǒng)中，通過食物鏈和食物網(wǎng)，逐級進(jìn)入各種生物體中。因此，綠色植物是生態(tài)系統(tǒng)中的產(chǎn)生者。 ②光合作用制造的有機(jī)物，是人類食品、醫(yī)藥以及需要農(nóng)產(chǎn)品為原料的工業(yè)品中的有機(jī)物和能量來源。人類普遍使用的化石燃料，也來自光合作用的產(chǎn)物。 ③地球上各種生物和人的呼吸要消耗氧氣，呼出二氧化碳。各種燃燒要消耗大量的氧氣，排出二氧化碳。維持大氣中的氧氣和二氧化碳的平衡，依賴于光合作用。綠色植物是“自動的空氣凈化器”。 在討論意義時，要多聯(lián)系人類生產(chǎn)、生活以及人類生存發(fā)展所面臨的問題?？膳e例說明。 四、本課題教學(xué)中應(yīng)注意的問題： 1．在教學(xué)中，盡可能地聯(lián)系學(xué)生已有的知識，聯(lián)系學(xué)生生活和生產(chǎn)、環(huán)境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。 2．在分析光合作用的過程中，根據(jù)學(xué)生的可接受程度，決定深入的程度。 3．由于本課題難點(diǎn)較多，可留些課外作業(yè)，鞏固學(xué)習(xí)內(nèi)容，如列表對比光反應(yīng)和暗反應(yīng)的區(qū)別與聯(lián)系等。 小資料 一、植物的光合作用速率： 光合作用速率是光合作用強(qiáng)度的指標(biāo)，通常以每小時每平方分米葉面積吸收二氧化碳毫克數(shù)表示。由于植物進(jìn)行光合作用吸收二氧化碳的同時，還進(jìn)行呼吸作用，釋放二氧化碳，這些二氧化碳未出植物體又被光合利用，所以，在光照下測定的二氧化碳的吸收量只是光合作用從外界吸收的量，稱為表觀光合速率。真正光合速率是指植物在光下實(shí)際把二氧化碳轉(zhuǎn)化成有機(jī)物的量，即在單位時間內(nèi)、葉面積從外界吸收和自身呼吸釋放二氧化碳的量。 二、影響光合速率的因素： 1．影響光合速率的內(nèi)部因素。據(jù)研究，植物的種類不同，光合速率不同；同一植物在不同的生長發(fā)育階段、同一植株不同部位的葉片（圖2－12）、同一葉片的不同生長發(fā)育時期，光合速率都有明顯差異。 2.影響光合的環(huán)境因素。 （l）光照強(qiáng)度。光是光合作用的能量來源，光照強(qiáng)度直接影響光合速率。在其它條件都適宜的情況下，在一定范圍內(nèi)，光合速率隨光照強(qiáng)度提高而加快。當(dāng)光照強(qiáng)度高到一定數(shù)值后，光照強(qiáng)度再提高而光合速率不再加快，這種現(xiàn)象叫光飽和現(xiàn)象。開始達(dá)到光飽和現(xiàn)象的光照強(qiáng)度稱為光飽和點(diǎn)。在光飽和點(diǎn)以下，隨著光照強(qiáng)度減弱，光合速率減慢，當(dāng)減弱到一定光照強(qiáng)度時，光會吸收二氧化碳量與呼吸釋放二氧化碳的量處于動態(tài)平衡，這時的光照強(qiáng)度稱為光補(bǔ)償點(diǎn)（圖2－13），此時植物制造有機(jī)物量和消耗有機(jī)物量相等。據(jù)研究，不同類型植物的光飽和點(diǎn)和補(bǔ)償點(diǎn)是不同的。陽性植物的光飽和點(diǎn)和補(bǔ)償點(diǎn)一般都高于陰性植物。 （2）二氧化碳濃度。二氧化碳是光合作用的兩種原料之一，因此，環(huán)境中二氧化碳的濃度與光合速率有密切關(guān)系。在自然條件下，陸生植物主要從空氣中吸收二氧化碳，水生植物或暫時浸泡在水中的植物體，吸收溶于水中的二氧化碳。 空氣中二氧化碳含量占空氣體積的0．033％左右，據(jù)研究，這一含量對植物光合作用來說是比較低的，在較強(qiáng)的光照下，它限制了光合速率。例如，將棉花、玉米放在二氧化碳為0．064％的空氣中與0．033％的自然條件下進(jìn)行比較，結(jié)果棉花的光合速率提高了1．5倍，玉米的光合速率提高了15％。 （3）溫度的高低。溫度對光合作用的影響比較復(fù)雜，它一方面可以直接影響光合作用中各種酶的活動、光合結(jié)構(gòu)，還通過影響其它相關(guān)的代謝活動而影響光合作用。不同植物對溫度反應(yīng)不同，一般最適溫度在25℃。