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第五章细胞的能量供应和利用
《光合作用与能量转化—光合作用的原理》课时2教学设计
课型： 新授课
教材版本： 人教版（2019）必修1《分子与细胞》
授课年级： 高一
课时安排：1课时
一、教材分析
本节内容是整个光合作用乃至本章的核心与灵魂。在上一课时学生已经掌握了光合作用的“硬件”——捕获光能的色素与叶绿体结构的基础上，本节课将深入揭示光合作用的“软件”——光反应与暗反应的具体过程、联系与能量转化本质。教材采用了独特的科学史探究路径，通过重现希尔反应、阿尔农、鲁宾-卡门实验、卡尔文循环等经典研究，引导学生像科学家一样思考和构建概念模型，理解光合作用中物质的来源、去向与能量的传递路径。这不仅是对核心概念的深化，更是对科学思维方法的极佳训练。此外，教材还通过引入“化能合成作用”，拓展了学生对生物界自养方式多样性的认识，完善了生态系统的能量输入图景。
二、学情分析
已有知识：学生已经了解了光合作用的概念、总反应式，掌握了光合色素及其吸收光谱，并熟悉叶绿体的结构，知道光合作用在叶绿体中进行。这为本课深入探究其内部机理打下了基础。
可能存在的困难：
过程抽象复杂：光反应和暗反应涉及多个步骤、多种物质（如ATP、NADPH、C3、C5）和能量形式的转换，过程抽象，学生容易混淆。
科学史料分析：如何从多个经典实验的片段信息中，提炼、归纳并整合出完整的光合作用过程，对学生逻辑推理和模型构建能力要求较高。
动态变化分析：当外界条件（如光照、CO 浓度）突然改变时，短时间内C3、C5、ATP、[H]等物质含量的变化分析是难点。
概念拓展理解：对“化能合成作用”这一新的自养方式感到陌生，需要与光合作用进行类比理解。
教学策略：采用“科学史探究法”为主线，将枯燥的知识讲解转变为一次“跟随科学家足迹”的发现之旅。通过设计层层递进的“活动探究”，引导学生分析史料、回答问题、构建模型，最终自主或半自主地“发现”光合作用的原理。利用流程图、比较表格和动态动画辅助理解复杂过程。
三、教学目标
维度 教学目标
生命观念 1. 通过对光反应和暗反应过程的学习，深刻理解光合作用中物质与能量的高效转化与统一，以及光反应与暗反应相互依存、紧密联系的辩证关系。
科学思维 2. 通过分析希尔、鲁宾-卡门、卡尔文等科学家的经典实验，培养基于证据进行逻辑推理、归纳概括和模型构建的科学思维能力。
科学探究 3. 能够基于科学史资料，尝试模拟科学家设计实验、分析数据并得出结论的过程，体验科学发现的逻辑与方法。
社会责任 4. 理解光合作用作为生物圈基石的意义，以及化能合成作用在特殊生态系统中的作用，树立保护绿色植物、维护生态平衡的环保意识。
四、 教学重难点
1. 教学重点：
(1) 光反应和暗反应的过程、场所、条件、物质变化和能量变化。
(2) 光反应与暗反应的联系。
(3) 光合作用中氧气的来源(鲁宾-卡门实验)和碳的同化路径(卡尔文循环)。
2. 教学难点：
(1) 光反应与暗反应中物质变化与能量转化的动态过程理解。
(2) 分析外界条件（光照、CO ）突然改变时，C3、C5、ATP、[H]等物质含量的短期变化。
(3) 理解化能合成作用与光合作用的异同。
五、 教学方法
科学史探究法、问题驱动法、小组合作学习法、模型构建法、比较归纳法。
六、教学手段
多媒体课件（PPT）演示（内含科学史图文资料）、光合作用过程动态模拟动画、交互式白板（用于逐步构建过程模型）。
七、 教学准备
教师准备：制作精美的PPT课件，内含光反应与暗反应的动态流程图、经典实验史料图文、条件变化分析图表、化能合成作用实例、当堂训练题。
学生准备：复习上节课内容（光合色素、叶绿体结构）；预习课本P105-P108关于光合作用原理的部分。
八、 教学流程
温故知新（联系旧知）
↓
实验探究1：跟着科学家，构建光反应概念模型
↓
实验探究2：跟着科学家，建构暗反应概念模型
↓
整合与联系:构建总模型
↓
知识探究:化能合成
↓
知识拓展: 动态分析—条件变化的影响
↓
小结与当堂训练
↓
布置作业与预习任务
九、 教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
一、温故知新，提出问题
（2分钟） 1. 复习上节课核心知识:光合作用的光反应阶段和暗反应阶段。
2.指导学生做呼吸运动并提问:进行呼吸运动时会向外界排出二氧化碳为什么环境中氧气不会大量减少，二氧，化碳不会不断增多 3. 提出核心问题串，引出探究主题：
光合作用释放的O 来自H O还是CO ？
叶绿体是如何将光能转化为化学能？ 又是如何将化学能储存在糖类等有机物中？ 1. 回忆旧知，回答问题。
2.学生做呼吸活动 3. 明确本节课要解决的三个核心科学问题。 建立新旧知识联系，明确本节课的探究目标和逻辑主线。
二、科学探究之旅
活动一跟着科学家，构建光反应概念模型
（6分钟） 1. 引导阅读史料：展示希尔、阿尔农、鲁宾-卡门实验的资料和结果。
2. 提出问题：
希尔实验: Fe3+与什么物质结合被还原成Fe2+ (用化学反应式表示) 结合资料1和资料2的化学反应说明，水的光解除了产生O2外,还产生了什么物质 (用化学反应式表示) 鲁宾-卡门实验:表中数据有何规律 说明光合作用释放的O2来自光合作用的哪种反应物 史料4:将叶绿体从植物叶片提取出来，将其膜破坏、离心后获得绿色的类囊体和淡黄色的叶绿体基质，获得实验现象及数据 试管1产生的气体是什么 试管1溶液颜色为无色，说明什么 3. 引导建模：引导学生得出“水的光解”产生O 和[H]（后明确为NADPH）的结论，并初步构建光反应概念模型的一部分。 1. 阅读史料，分析实验现象和数据。
2. 小组讨论，回答教师问题。
3. 在教师引导下，初步构建光反应中“水的光解”部分模型。 利用经典实验实证O 来源，培养证据意识，并自然引出光反应的起点。（落实重点3）
1. 引导阅读史料：展示阿尔农等人的实验发现（光照下，叶绿体合成ATP总与水的光解相伴）。
2. 讲解能量转化：讲解光能如何被色素吸收、传递，并用于驱动两个关键反应：
① 水的光解：产生O 和NADPH（活跃的还原力）。
② ATP的合成：ADP+Pi在酶和能量驱动下形成ATP（活跃的化学能）。
3. 完成光反应模型：总结光反应的场所（类囊体膜）、条件（光、色素、酶）、物质变化（H O→O +NADPH；ADP+Pi→ATP）和能量变化（光能→ATP、NADPH中活跃化学能）。 1. 理解光反应中能量转化的偶联关系。
2. 聆听讲解，理解ATP和NADPH的产生过程与作用。
3. 完善光反应的概念模型。 揭示光能转化为活跃化学能的具体路径，明确ATP和NADPH是连接光反应与暗反应的“能量通货”和“还原力”。（落实重点1）
活动二：跟着科学家，建构暗反应概念模型 （8分钟） 引入暗反应：通过瓦伯格的“闪光实验”，引导学生认识存在一个不直接需光但依赖光反应产物的“暗反应”阶段。 提问:相同光照时间内哪组合成有机物产物最多 对A、B、C 三组的实验结果分析可知，光照交替的频率越高，产物越多，这说明什么
2. 跟随卡尔文探秘：展示卡尔文用 C标记CO 的实验过程与结果表格。 提问:请根据实验现象，用箭头和化合物依次表示出CO2中的C在叶绿体中的转移过程。 上述实验现象说明，CO2是与什么物质生成C3 (用化学反应式表示) 停止光照，C3含量上升，C5含量下降，说明C3转化为C5和葡糖糖需要哪些物质参与？ 3. 引导推理碳路径：引导学生根据放射性出现顺序，推断CO 首先与C5结合生成两个C3（CO 的固定），然后C3在ATP和NADPH的驱动下被还原成糖类等有机物，并再生出C5（C3的还原）。
4. 总结暗反应模型：总结暗反应的场所（叶绿体基质）、条件（多种酶、ATP、NADPH）、物质变化（CO +C5→2C3→(CH O)+C5）和能量变化（活跃化学能→稳定化学能）。 1. 理解“暗反应”名称的由来及其对光反应的依赖。 小组讨论，回答教师问题。
2. 分析卡尔文实验数据，小组讨论并尝试画出碳的转移路径简图。
2. 小组讨论，回答教师问题。 3. 在教师引导下，逐步构建完整的卡尔文循环（暗反应）模型。
4. 识记暗反应的关键步骤和物质变化。 通过重现卡尔文的发现历程，让学生体验科学探究的艰辛与乐趣，深刻理解暗反应的实质。（落实重点1、3）
三、整合与深化
活动三：构建总模型与联系
（5分钟） 1. 播放光合作用过程的视频。
2. 引导比较与联系：通过表格或提问，引导学生比较光反应与暗反应的异同，并重点强调二者的联系：
物质联系：光反应为暗反应提供ATP和NADPH；暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP 。
能量联系：光反应是能量转换，暗反应是能量储存。
3. 回扣总反应式：用已学的机理解释总反应式。 1. 观看视频，形成对光合作用全过程整体、动态的认识。
2. 完成比较表格，清晰理解两个阶段的区别与不可分割的联系。
3. 从机理层面重新认识总反应式。 将两个阶段整合成一个有机整体，深化对光合作用系统性和复杂性的理解，形成完整的知识网络。（落实重点2）
活动四：化能合成作用
（3分钟） 1. 引入概念：提问：没有光，能进行类似光合作用的合成作用吗？引出化能合成作用。
2. 讲解实例：以硝化细菌为例，讲解其利用氧化氨或亚硝酸释放的化学能，将CO 合成有机物的过程。
3. 比较异同：引导学生从能量来源、代表生物、生态系统地位等方面与光合作用进行比较。 1. 了解自然界中另一种自养方式。
2. 理解化能合成作用的基本原理。
3. 完成光合作用与化能合成作用的比较。 拓展学生对生物界能量输入方式多样性的认识，完善生态系统的知识结构。（突破难点3）
活动六：知识拓展: 动态分析—条件变化的影响
（6分钟） 1. 创设情境：提问：如果突然停止光照，C3和C5含量如何变化？突然停止CO 供应呢？
2. 引导分析：引导学生运用刚学的两个阶段联系，进行推理分析（“来源去路分析法”或“过程分析法”）。
3. 总结规律：归纳光照影响暗反应物质，CO 影响光反应原料再生的基本规律。 1. 思考教师提出的情境问题。
2. 尝试运用模型进行逻辑推理，得出变化趋势。
3. 理解动态分析的思路。 将静态知识应用于动态分析，培养学生灵活运用知识和逻辑推理的能力。（突破难点2）
四、课堂小结与当堂训练
（6分钟） 1. 课堂小结：引导学生回顾本节课的科学探索主线及最终构建的光合作用原理模型。
2. 当堂训练：出示3道选择题，重点考查对过程细节、实验结论、条件变化分析的理解。进行简要解析。 1. 跟随教师回顾，内化知识体系。
2. 完成练习，即时巩固。 强化记忆，并通过精选习题检测对核心原理和难点的掌握情况。
五、布置作业 1. 布置作业：
基础：绘制光合作用光反应与暗反应的示意图，并用文字标注关键变化。
提升：尝试用流程图解释“突然增强光照，短时间内C3含量减少，C5含量增加”的原因。 记录作业。 巩固绘图和表述能力，深化对动态过程的理解。
十、板书设计
第4节 光合作用与能量转化——光合作用的原理
一、光反应（场所：类囊体膜）
条件：光、色素、酶、水、ADP、Pi、NADP
物质变化：
水的光解：H O → O + NADPH
ATP合成：ADP + Pi → ATP
能量变化：光能 → ATP、NADPH中的活跃化学能
二、暗反应/卡尔文循环（场所：叶绿体基质）
条件：多种酶、ATP、NADPH、CO
物质变化：
CO 的固定：CO + C → 2C
C 的还原：2C → (CH O)糖类 + C （需ATP、NADPH）
能量变化：活跃化学能 → 有机物中稳定的化学能
三、联系：光反应为暗反应提供 ATP 和 NADPH；暗反应为光反应提供 ADP、Pi、NADP 。
四、化能合成作用（如硝化细菌）：利用无机物氧化释放的化学能，将CO 合成有机物。
十一、教学反思
本节课采用科学史探究法，课堂逻辑性强，但时间非常紧凑，教师需精准把控每个环节的讨论深度和时间。
学生对ATP和NADPH的作用、C3与C5的相互转化关系理解是关键，也是易错点，需要通过清晰的图示和动态演示反复强化。
在分析条件变化时，部分学生可能感到困难，应鼓励他们先画出简单的过程示意图，再根据“来源”和“去路”进行分析。
“化能合成作用”作为拓展内容，点到为止即可，重点在于与光合作用进行对比，理解其“能量来源不同”的核心差异。
总体而言，本节课成功地将一个复杂的生化过程转化为一次富有挑战性和成就感的科学发现之旅，有效提升了学生的核心素养。

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