资源简介

“光合作用的原理和应用”教学设计
《光合作用的原理和应用》教学设计
【教材分析】
本节是人教版生物必修一第五章第4节第二课时的内容，主要介绍光合作用的具体过程和原理。本节内容承接前一课时中关于捕获光合色素和结构的介绍，具体阐述光合作用的过程，为学生树立完整的物质与能量观，结构与功能观打下基础。
【学情分析】
1.知识基础：学生通过对前面知识的学习已经了解了光合色素、叶绿体的结构、酶、ATP等相关知识，在初中阶段的学习已经对光合作用有了大体的认识，如“光合作用制造氧气，制造营养”，但是学生对光合作用详细的过程有待深入探究。
2.认知能力：高中学生具备了一定的观察、认知能力以及分析实验设计实验的能力，思维的目的性、连续性和逻辑性也已初步建立，能够在教师的引导下掌握教材中所给出的实验，进而探究得出光合作用的原理。本节较为抽象，对学生的思维能力要求较高，学生在学习的过程当中可能会感到偏难。
【前沿知识分析】
光合作用历来都是生命科学前沿研究的热点领域，对光合作用的研究曾先后8次获得诺贝尔奖。根据最新的研究进展，本节内容选择了“人造叶绿体[46]”“从CO2到淀粉的人工合成[47]”作为融入教学的前沿知识，结合中学生的认知发展程度适当地加以介绍。
【教学目标】
1.通过对光合作用相关科学史资料的阅读分析，小组合作探究，自主构建光合作用概念模型。
2.通过自主构建光合作用模型，能从物质与能量观的视角，阐明光合作用过程中物质变化与能量转化的过程，说明光合作用原理和意义。
3.通过对光反应与暗反应过程的比较归纳，及对光合作用过程的总结，领悟科学探究方法，体会人类对光合作用的认识过程是逐步的、不断发展的。
【教学重难点】
1.教学重点
光合作用的光反应、暗反应的物质变化和能量转换。
2.教学难点
光反应、暗反应过程的比较。
【教学过程】
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
新课导入 【前沿知识】 2020年，科学家通过将菠菜植物的采光机械与9种不同生物体的酶结合起来，可以制造出一种人造叶绿体[46]。这种叶绿体可以在细胞外工作，收集阳光，并利用由此产生的能量将二氧化碳（CO2）转化成富含能量的分子。 根据以上资料初步描述光合作用的过程是怎样的？ 阅读资料，思考并回答：光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，将二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。 教师联系社会科技，使学生认同科学研究的意义，引导学生学习光合作用的生理机制。
构建光合作用的概念 教师讲述光合作用的概念 从光合作用的场所、反应式、有关探究实验、过程几方面进行讲解，帮助学生理解光合作用的概念。 （1）光合作用的场所——叶绿体，结构分为外膜、内膜、类囊体和基质。 （2）反应式： 倾听、记录 通过对光合作用的细致讲解，加深对光合作用概念的理解。
探索光合作用原理的部分实验 光合作用有关实验的讨论 【科学史1——探究O2的来源】 引导学生阅读思考讨论第一段，根据反应式猜测O2的来源（CO2、H2O、CO2和H2O）。 提出问题：基于上述资料，你对O2的来源有何猜想？ 【科学史2——希尔反应】 引导学生阅读思考讨论第二段，给出反应式： 提出问题： ①思考、为使离体的叶绿体保持活性，对悬浮液的要求是？ ②希尔的实验是否说明水的光解与糖类的合成不是同一个化学反应？ ③希尔反应是否说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部都来自水 【科学史3——鲁宾卡门实验】 引导学生阅读思考讨论第三段，美国科学家鲁宾和卡门用同位素示踪的方法，研究了光合作用中O2的来源。 【科学史4——阿尔农的发现】 引导学生阅读思考讨论第四段，给出阿尔农用体叶绿体做实验的实验设计图。 尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系： 【科学史5——贾格道夫实验】 贾格道夫在黑暗处将离体叶绿体类囊体置于pH为4的酸性缓冲液中，使腔内pH降低，然后将类囊体转移至含有ADP和Pi的pH为8的酸性缓冲液中，发现有ATP的生成。 学生了解甲醛对植物有毒害作用，而且甲醛不能通过光合作用转化为糖，猜想O2的来源可能是水。 阅读科学史资料，回答问题：①等渗溶液；②能，因为悬浮液中没有CO2，糖类合成时需要CO2中的碳元素。③不能，反应体系中可以还存在其他氧元素供体。 分析鲁宾卡门实验，得出结论：光合作用释放的氧气中的氧元素全部来源于水，而并不来源于CO2。 学生基于上述资料，写出此反应的表达式：NADP++H++2e-→NADPH；ADP+Pi+能量→ATP。得出结论：结论：光照下，叶绿体可以合成ATP，这一过程总与H2O的光解相伴随） 学生基于资料分析推理出：驱动ATP合成的动力来自类囊体膜内外测的H+浓度差。 教师还原历史情境，使学生像科学家一样思考，提出质疑、寻求证据、推理判断、验证假设、分析现象、得出结论。 学生真实完整地体验了科学探究的过程，加深了对光反应过程中物质变化和能量转移的理解，进而构建次位概念“光反应”，体会物质与能量观。
光反应过程 【过渡】 光合作用的过程十分复杂，它包括一系列化学反应。根据是否需要光照，这些化学反应可以概括地分为光反应和暗反应两个阶段。 ①光反应阶段 光反应从光合色素吸收光能激发开始，经过水的光解，电子传递，最后是光能转化成化学能，以ATP和NADPH的形式贮存。 教师引导学生构建出光反应的概念模型 学生基于上科学史的分析、推理、判断，归纳总结出光反应的大致过程在叶绿体结构示意图上标注光反应的场所、条件、物质变化及能量转化。 加深对光反应过程中物质变化和能量转移的理解，建立物质与能量观
暗反应过程 ②暗反应阶段 CO2是如何转变为糖类的？ 【科学史6——卡尔文循环】 1946年，美国科学家卡尔文将14C标记的CO2提供给小球藻，给予充足的光照，每隔一段时间取样，并立即杀死小球藻，同时提取产物并分析，以追踪14C的转移路径。照光30 s后，检测到14C存在于几十种化合物，缩短到5 s后，14C同时出现在C5、C6中。 提出问题：想要探究14C首先转移到哪种化合物中，该怎么做？ 教师补充：卡尔文发现，当光照缩短至几分之一秒时，发现90%的放射性物质是C3 教师提问：14CO2的受体是哪种物质？ 补充科学史：卡尔文经过反复实验，并未发现C2化合物。他还发现，在有光照和CO2供应下，C3和C5的浓度很快达到饱和并维持稳定，但含有放射性的糖类却不断增加。 教师提出问题：C5会是CO2的受体吗？怎样证明？ 补充科学史：卡尔文通过改变实验条件，发现C5含量呈现规律性变化：当停止CO2供应时，C3含量急剧下降，C5含量急剧升高；当恢复CO2供应时，C3含量急剧升高，C5含量急剧下降。 教师讲述卡尔文循环的简要过程，展示流程简图，说明该过程所需要的酶以及发生场所是叶绿体基质。 【引入前沿知识】 对于光合作用的研究一直是生命科学领域的热点问题，2020年，我国科学家实现了CO2到淀粉人工合成的重大突破，播放视频，让学生了解相关研究 思考分析后，回答：不断地缩短光照时间后，杀死小球藻，同时提取产物并分析。直到最终提取物中只有一种放射性产物，该物质即是CO2转化成的第一种产物。 基于上述实验结果，学生得出结论：14C首先转移至C3中，然后再转移至C5和C6 分析推测：C5很有可能继续参与反应，被消耗，此过程是循环的。 讨论，得出实验的设计思路：停止供应CO2，然后检测C3和C5浓度的变化。 基于实证分析，演绎推理，写出卡尔文循环的表达式： 观看视频，了解我国关于合成生物学的最新研究进展，体会人工合成淀粉在解决粮食危机和全球变暖等问题上的前景 促进学生理解科学发展离不开技术的支持，探索光反应和暗反应时都依靠了同位素标记法，引导学生置身于科学历史的氛围中体悟科学家锲而不舍、坚持不懈的精神！ 通过对视频的分析，培养学生选择和提取有用信息的能力并培养民族自豪感
光反应和暗反应的区别与联系 教师: 水的光解为卡尔文循环提供了ATP和NADPH ，ATP和NADPH参与生成C3，C5，C6的过程。思考光合作用过程中光能是经过怎样的转化储存到糖类中的？ 教师: 教师展示光合作用过程中物质变化的示意图，引导学生尝试说明光反应与暗反应在物质变化和能量转化之间的联系。 通过列表的方式，请同学们讨论交流光反应和暗反应在所需条件、进行场所、发生的物质变化和能量转化等方面有哪些区别？ 光反应暗反应所需条件必须有光有光或无光均可进行场所类囊体膜叶绿体基质物质变化将水光解为O2和H+；有ATP和NADPH的合成有CO2的固定；C3的还原；同时有ATP和NADPH的分解能量转化是将光能转化为ATP和NADPH中的化学能将ATP和NADPH中的化学能转化为有机物中稳定的化学能
在物质联系方面：光反应生成的ATP和NADPH供暗反应C3的还原，而暗反应为光反应提供了ADP、Pi和NADP+。在能量联系方面：光反应为暗反应提供了活跃的化学能，暗反应将活跃的化学能转化为有机物中稳定的化学能。 思考并回答：光能首先被色素吸收,转化成ATP和NADPH中的化学能,再转移到糖类等有机物中。 学生思考并自主完成比较，总结出光反应和暗反应的紧密联系，能量转化和物质变化密不可分。 进一步加深对两个概念的理解，掌握光反应和暗反应之间的区别与联系
小结 教师总结：首先，分析讨论了探索光合作用过程的部分实验。此外，重点学习了光合作用的光反应和暗反应两个阶段。在光反应阶段，光能被类囊体膜上的色素捕获后，将H2O裂解为O2和H+等，形成ATP和NADPH，于是光能转化为ATP和NADPH中的化学能。ATP和NADPH驱动在叶绿体基质中进行的暗反应，将CO2转变为储存化学能的糖类等有机物。 聆听、思考。 帮助学生理清学习脉络，理解重要概念，深化物质与能量观，形成生命观念
【板书设计】
光合作用的原理和应用

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