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2019-2020年高一生物新人教版必修1示范教案：《能量之源光與光合作用》第3課時 ●教學過程 課前準備］ 1.教師制作多媒體課件； 2.教師設計《生物小組合作學習記錄卡》； 小組編號 時間 月 日 第 節(jié) 組長 記錄員 組員 課題 討論結果 交流代表 3.準備探究實驗《環(huán)境因素對光合作用強度的影響》所需的材料用具； 4.組織學生每兩人為一組調查和收集有關提高農作物光合作用強度的具體措施，并寫好調查報告。 情境創(chuàng)設］ 教師：上節(jié)課我們學習了光合作用的具體過程，同學們還記得光合作用分為哪幾個階 段嗎？ 學生：分為光反應和暗反應兩個階段。 教師：光反應和暗反應各發(fā)生了怎樣的物質變化和能量變化？ 學生：光反應包括兩個物質變化，即水的光解和合成ATP，同時光能轉變?yōu)锳TP中活躍的化學能。暗反應也包括兩個物質變化，即二氧化碳的固定和三碳化合物的還原，同時，ATP中活躍的化學能轉變成糖類等有機物中的化學能。 教師：很好，看來同學們對光合作用的具體過程掌握得不錯。但是有哪位同學知道光合作用的過程是怎樣被人發(fā)現和了解的嗎？ 教師：這個問題看來大家了解得不多。人們對光合作用的認識經歷了一個漫長的過程，科學家們用了200多年的時間經過無數次的實驗才對光合作用的過程有了比較清楚的認識。今天這節(jié)課我們將沿著科學家們探尋的足跡，去體驗他們認識問題的思維過程和科學探索的樂趣。 師生互動］ 1.光合作用的探究歷程 教師：首先我們來看一看科學家們是怎樣逐漸認識光合作用的？ 〔顯示板書：（三）光合作用的探究歷程〕 教師：這部分內容我們將以小組合作學習的方式來進行。請大家結合課本P 101～P102的內容，快速閱讀以下材料，然后分組討論表格中所提出的問題。請看大屏幕。 多媒體課件出示小組合作學習要求：（1）每個小組推選一名組長，組織本組同學討論學習；（2）推選一名記錄員記錄本組同學討論的結果；（3）推選一名交流代表發(fā)言，匯報本組討論結果；（4）每位同學在討論時都要積極思維、踴躍發(fā)言，幫助本組代表準備好發(fā)言提綱。 多媒體課件顯示材料內容： 年代 科學家 實驗情況 結論 思考 1648年 海爾蒙特 把一棵重2.5 kg的柳樹苗栽種到一個木桶里，每天只用純凈的雨水澆灌樹苗，五年以后取出柳樹，并把柳樹和土壤分別稱重。結果發(fā)現柳樹增重80多千克，而土壤卻只減少了100 g ① 1.海爾蒙特的實驗設計有什么 缺陷？ 1771年 普利斯 特利 密閉的玻璃鐘罩內，同時放有點燃的蠟燭和活小鼠，一段時間后，蠟燭不滅，小鼠不死 ② 2.他的實驗有時成功，有時失敗，試想一下可能的原因是什么？ 1779年 英格豪斯 密閉的玻璃鐘罩內，同時放有點燃的蠟燭和活小鼠，放在光照條件下，一段時間后，蠟燭不滅，小鼠不死； 密閉的玻璃鐘罩內，同時放有點燃的蠟燭和活小鼠，放在黑暗中，一段時間后，蠟燭熄滅，小鼠死亡； 重復500多次 ③ 3.英格豪斯的實驗設計與前人相比，改進在什么地方？ 1782年 J.Senebier （略） 植物在照光時吸收CO2釋放O2 4.J.Senebier的這個結論是在什么基礎上提出的？ 1845年 R.Mayer （略） 植物在進行光合作用時把光能轉變成了化學儲存起來 5.R.Mayer得出這個結論的依據是什么? 1864年 德]薩克斯 暗處理后的葉片一半遮光，一半曝光，后經碘蒸氣處理，曝光一半葉變藍，遮光一半不變 ④ 6.薩克斯的實驗目的是什么？ 7.為什么對天竺葵先進行一晝夜的暗處理？ 8.為什么讓葉片的一半曝光，另一半遮光呢？ 20世紀 30年代 美]魯賓和卡門 用同位素18O標記水（即H218O），進行光合作用實驗，發(fā)現生成的氧全部是18O2；如用18O標記二氧化碳（即18CO2），H2成的氧全部是O2 ⑤ 9.魯賓和卡門采用了什么先進方法來進行實驗？ 10.從人類對光合作用的探究歷程來看，生物學的發(fā)展與物理學和化學有什么聯系？與技術手段的進步有什么關系？試舉例說明。 11.分析人類對光合作用的探究歷程，你還有哪些感悟？ 學生：分組討論，由記錄員填寫生物小組合作學習記錄卡。 教師：哪一組同學先來匯報？ 教師：好。我們掌聲有請第一小組的代表發(fā)言。其他小組的同學要注意聽，看看本小組討論的結果是否跟他們的一樣。等一下其他小組代表發(fā)言的時候，只講你們的不同結論，并說明原因。 第一小組的交流代表用實物投影儀呈現討論結果，并作講解；各小組的代表分別提出本小組的不同看法，并說明原因；其他學生有不同意見也可以提出來；最后由老師進行總結。在師生的共結論同討論中得到正確答案并逐一呈現。 結論 思考 ①建造植物體的原料是水分 1.缺乏對照實驗 ②植物可以更新空氣 2.可能是在無光條件下做的這個實驗。因為無光時，植物不進行光合作用，只進行細胞呼吸，所以沒有釋放氧氣，而是釋放二氧化碳，所以實驗失敗 ③植物只有在陽光照射下才能更新空氣 3.①設計了對照實驗；②控制單一變量（即唯一自變量）；③對實驗過程進行重復 植物在照光時吸收CO2釋放O2 4.在發(fā)現了空氣的組成的基礎提出的 植物在進行光合作用時把光能轉變成了化學能儲存起來 5.依據是“能量的轉換和守恒定律” ④證明綠葉在光合作用中制造了淀粉 6.為了驗證光合作用的產物是什么。 7.暗處理是為了將葉片內原有的淀粉運走 耗盡 8.一半遮光一半曝光，是為了進行對照 ⑤光合作用釋放的氧全部來自水 9.采用了“同位素標記法”來進行實驗 10.提示：從人類對光合作用的探究歷程來看，生物學的發(fā)展與物理學和化學的研究進展關系很密切。例如：直到1785年，由于發(fā)現了空氣的組成，人們才明確綠葉在光下放出的氣體是氧氣，吸收的是二氧化碳，這個事實說明生物學的發(fā)展與化學領域的研究進展密切相關。又如，基于核科學的進展，魯賓和卡門利用同位素標記法證明光合作用釋放的氧氣來自水，而不是來自二氧化碳。這些都說明在科學發(fā)展的進程中，相關學科的互相促進，以及技術手段的進步對科學發(fā)展有巨大的推動作用。 11.提示：①許多科學家為了研究光合作用進行了辛勤的探索，他們不斷地探索研究，從不放棄，堅持到底，這種獻身科學的精神值得我們學習；②使我們體驗到了科學探究的一般過程是：通過觀察、發(fā)現問題—提出問題、進行假設—指定計劃、設計實驗—觀察實驗、獲取證據—檢驗假設、得出結論，并認識到科學發(fā)現的艱難，科學研究方法的重要性，以及綜合利用各學科的成果和研究手段的重要性；③科學家所設計的實驗不僅有整體的設想、清晰的思路和操作的可行性，而且他們的實驗都遵循了對照性原則、控制變量原則、重復性原則等原則，這些科學實驗方法都是值得我們借鑒的。 教師：剛才我們體驗了科學家們探索發(fā)現光合作用的歷程，學習了他們的科學研究方法，接下來，我們也來模仿科學家設計實驗的方法，看看自己能否創(chuàng)造性地設計實驗探究光合作用的奧秘。 〔顯示板書：（四）光合作用原理的應用〕 教師：農業(yè)生產上有許多提高農作物光合作用強度的措施。上節(jié)課已經布置同學們調查和收集有關提高農作物光合作用強度的具體措施有哪些，現在請同學們來匯報一下你們的調查結果。 （顯示板書：提高農作物光合作用強度的措施） 學生：用投影儀展示調查報告、相片、圖片、資料等。 匯報結果總結如下： （1）適當提高光照強度、延長光照時間：如冬天或陰雨天可以使用人工光照作為補充等。 （2）適當提高二氧化碳濃度：如施用農家肥、在溫室內施干冰等。 （3）適當提高溫度：如陽光充足的天氣溫室內的溫度調節(jié)在25～30 ℃之間。 （4）適當增加植物體內的含水量：如合理灌溉等。 （5）適當增加礦質元素的含量：如合理施肥等。 教師：很好?，F在我們就每兩個人為一組，選擇其中的一種因素，通過實驗來探究它對光合作用的影響。 （顯示板書：探究環(huán)境因素對光合作用的影響） 教師：首先請大家確定好你們想要研究的課題，然后按以下步驟來實施： 一、確定課題 二、作出假設 你的依據是： 三、設計方案 原理提示：從蠶豆（或其他植物）上選取健壯、葉齡相似的成長葉數片，用直徑1 cm的鉆孔器，避開葉脈，打小圓片數十片，放于大注射器中注入水，排除空氣后，用手指堵住注射器前端小孔，把活塞用力往后拉，即可造成減壓環(huán)境而逐出葉肉組織中的空氣，放開手指，水即進入組織中，如此重復多次，整個葉子圓片全部充滿水分而下沉。把下沉的圓葉片連同水倒于小燒杯中，放在黑暗處備用。 植物進行光合作用時，吸收二氧化碳放出氧氣，由于氧氣在水中的溶解度很小，而在細胞間隙中積累，結果會使原來下沉的葉片上浮。 請根據你們前面提出的假設，思考以下其中一個問題，小組同學通過討論，設計出你們下一步的實驗方案。 1.如果你探究的是光照對光合作用的影響，你如何設置單一的光照變量？根據什么現象觀察實驗結果？ 2.如果你探究的是溫度對光合作用的影響，你如何設置單一的光照變量？根據什么現象觀察實驗結果？ 3.如果你探究的是二氧化碳對光合作用的影響，你如何設置單一的光照變量？根據什么現象觀察實驗結果？ （當然你也可以不參照提示，自己設計一個更合理的方案） （一）選擇你所需要的實驗器材：葉片、打孔器、注射器、燒杯、40 W臺燈、溫度計、可調式控溫器、NaHCO3。 （二）方法步驟： （三）實驗結果記錄： 請你設計一個簡單、合理的表格，記錄你的實驗結果。 （四）老師選擇幾組實驗方案設計得較好的組別，派代表到講臺宣讀，供其他組別參考，經進一步修改完善后便可實施。 四、實施方案 按實驗方案進行操作，仔細觀察，認真記錄。 五、分析與結論 把你的實驗結果填寫在前面設計的記錄表上，并根據實驗結果繪出曲線圖。小組同學共同分析和討論實驗結果，得出結論。 六、表達與交流 向全班同學展示你們的實驗成果，并對其他小組提出的質疑作出合理的解答；認真傾聽其他小組的匯報，共同歸納出提高光合作用強度的措施。 教師精講］ 1.人類是怎樣認識到光合作用原理的 人們對光合作用的認識經歷了一個漫長的階段，大約用了近200多年的時間，才對光合作用的生理過程有了一些認識，知道了光合作用的場所、條件、原料和產物。從公元前3世紀古希臘學者亞里士多德提出，土壤是植物體的食物來源，直到20世紀40年代初，美國科學家魯賓和卡門采用同位素標記法研究，了解了光合作用中各產物組成元素的來龍去脈后，對光合作用才有了一個較徹底的認識。 2.關于變量和單一變量原則 變量，或稱因子，是指實驗過程中可被操縱的特定因素或條件。根據其在實驗中的作用，通?？煞譃閮深悾? 實驗變量與反應變量： 實驗變量，也稱自變量，指實驗中由實驗者所操縱的因素或條件。反應變量，亦稱因變量，指實驗中由于實驗變量而引起的變化和結果。通常，實驗變量是原因，反應變量是結果，兩者是因果關系。 無關變量與額外變量： 無關變量，也稱控制變量，指實驗中除實驗變量以外的其他一切影響實驗現象或結果的因素或條件。無關變量并不是對實驗結果不產生影響，而是指在實驗中不作為實驗的研究對象。額外變量，也稱干擾變量，指實驗中由于無關變量引起的變化和結果。顯然，額外變量會對反應變量起干擾作用，造成實驗結果的誤差。 單一變量原則是處理實驗中各種復雜關系的一個基本原則。指實驗設計中只能確定一個變量為實驗變量，其他變量則為無關變量。單一變量原則包括兩層含義：一是確?！皢我蛔兞俊钡膶嶒炗^測，不論一個實驗有幾個實驗變量，都應做到一個實驗變量對應觀測一個反應變量。二是確保“單一變量”的操作規(guī)范，即實驗操作中要盡可能避免無關變量的干擾。 評價反饋］ 1.20世紀30年代，美國科學家魯賓和卡門采用同位素標記法研究綠色植物的光反應過程。他們用18O分別標記H2O和CO2，使它們分別成為H218O和C18O2，然后進行兩組光合作用實驗。圖5－4－3中容器內為小球藻懸液，并置于光下： 圖5－4－3 （1）甲圖中的A代表___________________，它來源于________________。 （2）乙圖中的B代表___________________，它來源于________________。 （3）甲圖中物質A與乙圖中物質B的相對分子質量之比是________________________。 （4）本實驗能證實_________________________________。 （5）若甲圖中供給12 molC18O2，能產生________________氧氣。 2.一種水溶液染料對細胞無任何毒害且有O2時會變成藍色。如圖5－4－4裝置是研究光合速率與光照強度相對關系的示意圖。 圖5－4－4 請分析如下問題： （1）在溶液頂部加一層油的目的是_________________________________________。 （2）為什么要在無色溶液中加一定量的NaHCO3？____________________________ _________________________________。 （3）此實驗裝置如何改變或調控光照的相對強度？____________________________ _________________________________。 答案：1.（1）O2 H2O （2）18O2 H182O （3）8∶9 （4）光合作用中產生的氧氣來自于水 （5）12 mol 2.（1）由于空氣中存在O2，為避免空氣中的氧影響實驗結果，因此加一層油 （2）維持裝置中CO2濃度的相對恒定，以保證光合作用對CO2的需要 （3）光照強度的控制可以通過移動臺燈來實現 課堂小結] 布置作業(yè)］ 1.完成課本P103思考與討論1～2； 2.完成課本P106基礎題1～8。 課后拓展］ 1.光合作用的探究歷程給我們什么樣的啟示和借鑒? 這些科學家所設計的實驗不僅有整體的設想、清晰的思路和操作的可行性，更值得我們借鑒的是，他們的實驗都遵循了以下原則：①科學性：實驗設計的原理必須有充分的科學根據，不是憑空想象，比如德國科學家薩克斯的實驗依據的實驗原理是淀粉遇碘變藍；恩格爾曼的實驗依據的原理是氧氣多則好氧型細菌聚集數量就多；魯賓和卡門的實驗所依據的原理是釋放的氧中有沒有放射性與標記的原料的對應關系。因此，我們設計實驗時要以前人的實驗、定理、定律和已知的經驗為基礎，進行科學設計。②嚴謹性：實驗中要設計對照實驗，便于實驗前后對比或組間對比或不同部分之間的對比，得出明確的結論。還有的實驗要建立在嚴謹的邏輯推理基礎之上。如薩克斯的葉片一半曝光，一半遮光；魯賓和卡門的實驗一組標記的是H218O，另一組標記的是C18O2；恩格爾曼的實驗則是建立在嚴謹的邏輯推理基礎之上的巧妙設計。因此，我們在進行實驗設計時，要通過對照實驗使結論無懈可擊，以確保實驗的嚴謹性和邏輯性。③實驗條件的一致性：實驗時，要保證對照實驗只要一個條件不同，我們稱為單一變量（即實驗變量或自變量），其他條件均要相同，這樣才能說明對照實驗結果的不同是由單一變量引起的，從而確保實驗結果的準確性。 2.植物栽培與光能的合理利用 光能是綠色植物進行光合作用的動力。在植物栽培中，合理利用光能，可以使綠色植物充分地進行光合作用。合理利用光能主要包括延長光合作用時間和增加光合作用面積。合理利用光能主要包括延長光合作用時間和增加光合作用面積兩個方面。 延長光合作用時間就是最大限度地利用光照時間，提高光能的利用率。措施有：①提高復種指數。復種指數是指一年中收獲作物的面積與土地總利用面積之比。如果一年一熟，復種指數就是1，一年三熟，復種指數就是3。從提高光能利用的角度看，盡可能種幾熟的作物。②合理地間作套種。利用不同作物光飽和點的差異，在同一季節(jié)里、同一土地上種植高矮不同的植物。如高光飽和點的玉米田里間種低光飽和點的大豆。在一季作物成熟前，播種下一季作物稱為套種。套種的結果是后季作物幼苗在前季作物中度過，大大減少了由播種出苗造成的光能浪費。 增加光合面積的一項重要措施就是合理密植。合理密植是指在單位面積的土地上，根據土壤肥沃程度等情況種植適當密度的植物。如果種植得太稀，光能就得不到充分的利用；如果種植得太密，植物互相遮擋，植物也不會茁壯地生長。 3.實驗設計：證明溫度對光合速率的影響。 （1）實驗目的：了解溫度是光合速率的因素之一。 （2）實驗材料、試劑：金魚藻，NaHCO3，清水，試管，燒杯，鐵架臺，溫度計，水族箱，可調式加溫器，棉花和小刀。 （3）實驗步驟： ①在水中剪下生長健壯的沒有損傷的金魚藻嫩枝后，切口向上插入已經裝滿清水的試管內，并用棉花裹住管口，放在盛有清水并放有NaHCO3的燒杯內，同樣準備三套裝置。 ②在燒杯里插入可調式加溫器，對水加溫，分別將三個裝置的水溫調節(jié)到15 ℃、25 ℃、35 ℃，用溫度計測定水溫。 ③把三個裝置都放到距燈光20 cm處進行光照，數分鐘后可以看到在金魚藻的切口處冒氣泡。觀察并記錄在不同水溫下釋放氣泡的速度。 （4）結果分析：光合作用的強度受到外界溫度的影響，在一定范圍內，高溫能促進光合作用，而低溫卻能使光合作用的反應速度減慢。 （5）結論：光合作用是一個復雜的碳素同化過程，每一反應都需要酶的參與，溫度的不同使酶的活性發(fā)生變化，從而改變反應進行的速度。 4.實驗設計：請自選材料用具，設計一個實驗證明“植物的光合作用需要二氧化碳”。 實驗題目：驗證“植物的光合作用需要二氧化碳”。 實驗材料： 實驗方法和步驟： 實驗結論： ●板書設計 第三課時 光合作用的探究歷程和光合作用原理的應用 （三）光合作用的探究歷程 1.海爾蒙特的盆栽柳條實驗 2.普利斯特利的實驗 3.英格豪斯的實驗 4.薩克斯的實驗 5.魯賓和卡門的實驗 （四）光合作用原理的應用 1.提高光合作用強度的措施 2.探究環(huán)境因素對光合作用的影響