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高中生物学必修1《分子与细胞》 第五章 细胞的能量供应和利用 第4节
5.4 光合作用与能量转化
一、教材分析
本节是第5章的压轴，也是全书内容最密集的一节，分两课时。第一课时研究“捕获光能的色素和结构”：通过“绿叶中色素的提取和分离”实验，认识四种色素及其吸收光谱，再讲叶绿体的结构（双层膜、基粒与类囊体、基质），并用恩格尔曼的实验证明叶绿体是光合作用的场所；第二课时研究“光合作用的原理和应用”：先梳理探索历程（普利斯特利、英格豪斯、萨克斯、鲁宾和卡门、卡尔文），再分别讲光反应与暗反应，最后归纳影响光合作用的因素及其在农业生产上的应用。
从课程结构看，本节与第3节细胞呼吸构成“能量输入—能量输出”的闭环：光合作用把光能转化为有机物中稳定的化学能，细胞呼吸把有机物中的化学能转化为ATP中的活跃化学能，两者共同维持生物圈的碳氧平衡与能量流动。本节还为必修2“基因的表达”“生态系统的能量流动”提供物质与能量基础，是高中生物学中“物质与能量观”最集中的一个落点。
从育人价值看，本节可渗透“结构与功能相适应”（类囊体堆叠扩大受光面积）、“物质与能量观”（光能→活跃化学能→稳定化学能）与“科学本质观”（光合作用的机理历经三百年才逐步阐明）。结合粮食安全、温室栽培、合理密植等素材，还能引导学生关注农业实践与国家粮食战略。
二、学情分析
（一）已有基础
学生在初中已学过光合作用的原料、产物与条件，知道“光合作用制造有机物、释放氧气”；在3.2节已掌握叶绿体的结构，在5.1节已理解酶与活化能，在5.2节已理解ATP，在5.3节已掌握细胞呼吸；在化学中已学过纸层析、同位素等概念，具备理解实验原理的基础。
（二）认知特点与可能困难
学生对“光合作用”这个词非常熟悉，但熟悉往往意味着“以为自己懂了”。学习中可能出现五类困难：一是把光合作用的场所笼统地说成“叶绿体”，不知道光反应在类囊体薄膜、暗反应在叶绿体基质；二是记不住四种色素的颜色与吸收光谱，尤其混淆叶绿素a与叶绿素b；三是把光反应与暗反应看成两个独立过程，说不清两者的物质与能量联系；四是不理解“O 中的氧全部来自水”，仍认为来自CO ；五是会背“影响光合作用的因素”，却不会分析曲线中的限制因素。
（三）教学对策
色素部分以“提取—分离—观察—解释”四步推进，让学生亲手做出四条色素带，再由“为什么从上到下颜色不同”引出溶解度差异；光反应与暗反应用“一张对照表＋一幅循环图”呈现，横轴为场所、条件、物质变化、能量变化，纵轴为两个阶段；卡尔文循环用“CO →C →有机物”的箭头图逐步展开，避免一次呈现全部细节；影响因素用“单因素曲线＋多因素叠加”的方式训练读图能力。
三、教学目标
1. 生命观念：能说明色素的种类与吸收光谱，能描述叶绿体的结构，能阐明光反应与暗反应的过程及其联系，认同光合作用是生物圈能量与物质的源头。
2. 科学思维：能比较光反应与暗反应的异同，能分析影响光合作用因素的曲线，能依据实验证据推断结论。
3. 科学探究：能完成绿叶中色素的提取和分离，能说明恩格尔曼、鲁宾和卡门、卡尔文实验的设计思路。
4. 社会责任：能运用光合作用的原理解释合理密植、温室栽培、多施有机肥等措施，关注粮食安全与农业可持续发展。
四、教学重点与难点
教学重点：绿叶中色素的种类与吸收光谱；叶绿体的结构；光反应与暗反应的过程及联系；影响光合作用的因素。
教学难点：光反应与暗反应的物质与能量联系；卡尔文循环中C 的还原；限制因素的判断。
五、教学方法与教学准备
教学方法：实验法、科学史探究法、图表分析法、模型演示法。
学习方法：动手提取色素、绘制过程图、读曲线分析、解释生产措施。
教学准备：新鲜绿叶（菠菜）、无水乙醇、层析液、层析缸、滤纸条、毛细吸管；色素吸收光谱图；叶绿体结构模型；光反应与暗反应对照空白表；光合作用探索历程资料卡；当堂检测题（4题）。
六、教学过程（90分钟）
第一课时　捕获光能的色素和结构（45分钟）
环节一 情境导入：为什么叶子是绿的（4分钟）
教师活动 【1. 现象，2分钟】出示同一株植物在阳光下与遮光处的叶片照片：阳光下叶片浓绿，遮光处叶片发黄。 提问：①叶片的绿色来自什么？②为什么遮光后变黄？③这些色素与光合作用有什么关系？ 【2. 点题，2分钟】指出：绿叶中有多种色素，它们能吸收光能，是光合作用的“天线”。今天我们先把这些色素“抓出来”看看。板书课题。
学生活动 观察照片，说出绿色来自叶绿素。 推测遮光后叶绿素合成受阻或被破坏。 产生疑问：绿叶中到底有几种色素？它们各吸收什么光？
设计意图 用“阳光下浓绿、遮光处发黄”这一真实对比开场，把色素与光照条件联系起来； 三个问题层层递进，从现象到结构再到功能，直接指向本课时主线。
环节二 实验：绿叶中色素的提取和分离（16分钟）
教师活动 【1. 提取，5分钟】讲解原理：色素易溶于有机溶剂，因此用无水乙醇提取。强调操作要点：①绿叶要新鲜，研磨时加少许二氧化硅使研磨充分、加碳酸钙保护色素；②研磨要迅速，防止乙醇挥发；③过滤后得到色素提取液（深绿色）。 【2. 分离，6分钟】讲解纸层析原理：不同色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢。 示范操作：在滤纸条一端剪去两角（使层析液同步到达）→距底端约1 cm处用毛细吸管画滤液细线→吹干后重复画2～3次（使色素带清晰）→将滤纸条插入层析液（细线不能没入层析液）。 【3. 观察与解释，5分钟】请各组展示层析结果，从上到下应有四条色素带：胡萝卜素（橙黄色）、叶黄素（黄色）、叶绿素a（蓝绿色）、叶绿素b（黄绿色）。 提问：①为什么四条带的位置不同？（提示：在层析液中的溶解度不同。）②哪条带最宽？（提示：叶绿素a含量最多。）③如果滤纸条上只有两条带，可能是什么原因？（提示：叶片发黄、叶绿素被破坏。） 强调：胡萝卜素与叶黄素合称类胡萝卜素。
学生活动 理解提取与分离的两种原理。 按要点研磨、过滤、画线、层析，注意细线不能没入层析液。 观察并记录四条色素带的颜色与顺序。 回答问题：位置不同是因为溶解度不同；叶绿素a带最宽；叶片发黄会导致叶绿素带消失。
设计意图 实验的价值在于“亲手做出结果”，因此操作要点必须讲清并示范； “细线不能没入层析液”“剪去两角”是决定成败的细节，重点提示； 由“位置不同”推出“溶解度不同”，把现象与原理连接； “只有两条带说明什么”是一道诊断性问题，能检验学生对色素稳定性的理解。
环节三 色素的吸收光谱（8分钟）
教师活动 【1. 光谱图，5分钟】出示四种色素的吸收光谱图。 讲解：叶绿素主要吸收红光和蓝紫光；类胡萝卜素主要吸收蓝紫光；两者对绿光吸收都很少，绿光被反射，所以叶片呈绿色。 提问：①为什么用无色透明的玻璃罩罩住植物，光合作用会减弱？（提示：缺少某些波长的光。）②温室大棚为什么常用无色透明薄膜，而不用绿色薄膜？（提示：绿色薄膜只透过绿光，而植物对绿光吸收最少。） 【2. 归纳，3分钟】板书：四种色素、颜色、吸收光谱。 强调：色素的作用是吸收、传递和转化光能，其中绝大多数叶绿素a具有吸收、传递和转化光能的作用，少数特殊状态的叶绿素a才能将光能转化为电能。
学生活动 读吸收光谱图，说出两类色素吸收光的差异。 理解“叶片呈绿色”的原因：绿光被反射。 回答：无色薄膜能透过各种波长的光，绿色薄膜滤掉了植物最需要的红光和蓝紫光。 记录四种色素的颜色与吸收光谱。
设计意图 吸收光谱是理解“为什么叶片是绿的”“为什么大棚用无色膜”的关键，必须读图； 两个追问把光谱知识与农业生产连接； “少数特殊状态的叶绿素a”这一细节为第二课时讲光反应作铺垫。
环节四 叶绿体的结构（10分钟）
教师活动 【1. 结构，6分钟】出示叶绿体结构模型，逐一讲解： ①双层膜：外膜与内膜，把叶绿体与细胞质分开； ②基粒：由许多类囊体堆叠而成，类囊体薄膜上分布着色素和与光反应有关的酶； ③基质：基粒之间充满基质，含有与暗反应有关的酶，还含有少量DNA和核糖体。 提问：①类囊体堆叠成基粒有什么意义？（提示：极大地扩展了受光面积，容纳更多色素和酶。）②为什么叶绿体基质中含有DNA和核糖体？（提示：叶绿体是半自主性细胞器，能合成部分蛋白质。） 【2. 恩格尔曼实验，4分钟】介绍实验：把水绵和好氧细菌放在没有空气的黑暗环境中，用极细的光束照射水绵，发现细菌只集中在叶绿体被光束照射到的部位；完全曝光时，细菌分布在叶绿体所有受光部位。 提问：①为什么用好氧细菌？（提示：作为氧气存在的“指示剂”。）②为什么先在黑暗无氧条件下处理？（提示：排除原有氧气和光的干扰。）③这个实验证明了什么？（提示：叶绿体是光合作用的场所，氧气由叶绿体释放。） 补充：后来科学家进一步证明，氧气是在类囊体薄膜上产生的。
学生活动 读模型，说出双层膜、基粒、类囊体、基质的位置。 理解类囊体堆叠扩大受光面积的意义。 理解叶绿体的半自主性。 分析恩格尔曼实验：好氧细菌指示氧气；黑暗无氧排除干扰；证明叶绿体是光合作用场所。
设计意图 结构与功能相适应在本课时第二次出现（第一次是类囊体），需要点明； 恩格尔曼实验的三个追问分别对应“指示剂”“排除干扰”“结论”，是实验分析的完整链条； “氧气在类囊体薄膜上产生”为第二课时光反应作精确铺垫。
环节五 小结与检测（7分钟）
教师活动 【1. 小结，2分钟】用一句话：绿叶中的四种色素吸收光能，叶绿体的类囊体薄膜是光反应的场所，基质是暗反应的场所。 【2. 检测，5分钟】出示4道题，举手统计，针对集中错误点评： 第1题：绿叶中含量最多的色素是（　）。A. 胡萝卜素　B. 叶黄素　C. 叶绿素a　D. 叶绿素b 第2题：叶绿素主要吸收（　）。A. 红光和蓝紫光　B. 蓝紫光　C. 绿光　D. 各种可见光 第3题：层析后色素带自上而下的顺序是什么？ 第4题：恩格尔曼实验用好氧细菌的目的是什么？
学生活动 复述一句话小结。 作答并说明理由：“胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b。”“作为氧气存在的指示剂，细菌聚集的部位就是释放氧气的部位。”
设计意图 四道题覆盖含量、吸收光谱、层析顺序、实验方法，正是本课时的四个核心点； 小结一句话把色素与叶绿体结构连起来，为第二课时作准备。
第二课时　光合作用的原理和应用（45分钟）
环节一 情境导入：一棵树的重量从哪来（4分钟）
教师活动 【1. 问题，2分钟】出示一段科学史：三百多年前，科学家把一株柳树种在称过重量的土壤中，只浇水，五年后树增重很多，而土壤只减少了很少一点。 提问：树的重量主要来自哪里？（提示：来自空气中的CO ，而不是土壤。） 【2. 点题，2分钟】指出：这个问题困扰了科学家很久，直到人们认识到光合作用。今天我们要弄清：光能是如何变成有机物中的化学能的。板书课题。
学生活动 分析数据，发现“土壤减少量”远小于“树增重量”。 推测树的质量来自空气或水。 带着“光能如何变成化学能”的问题进入新课。
设计意图 柳树实验是光合作用研究史上的经典，数据对比强烈，能激发好奇； “重量来自空气”这一结论与直觉相反，为讲CO 的固定作铺垫。
环节二 光合作用的探索历程（12分钟）
教师活动 【1. 早期研究，5分钟】按序出示： ①普利斯特利：把小鼠与植物放在密闭玻璃罩内，小鼠存活时间延长——证明植物能更新空气； ②英格豪斯：重复普利斯特利的实验，发现只有光照下植物才能更新空气——证明光是必要条件； ③萨克斯：把绿叶一半曝光、一半遮光，用碘液检测，曝光部分变蓝——证明光合作用产生淀粉、需要光。 提问：①普利斯特利的实验为什么有时成功有时失败？（提示：没有控制光照条件。）②萨克斯的实验为什么要先暗处理？（提示：消耗叶片中原有的淀粉，排除干扰。） 【2. 同位素标记，4分钟】介绍鲁宾和卡门的实验：分别用 O标记H O和CO ，检测释放的O 。 结果：标记H O时释放的O 含 O；标记CO 时释放的O 不含 O。 提问：这说明什么？（提示：光合作用释放的O 全部来自水。） 强调：同位素标记法是研究物质去向的关键技术，与第3章研究分泌蛋白的方法相同。 【3. 卡尔文循环，3分钟】介绍卡尔文用 C标记CO ，追踪碳的转移途径：CO →C →有机物。 说明：这一途径被称为卡尔文循环，是暗反应的核心。
学生活动 记录三位科学家的贡献与结论。 回答：普利斯特利未控制光照；萨克斯暗处理是为了消耗原有淀粉。 理解鲁宾和卡门实验的设计：分别标记、分别检测。 得出：O 全部来自水。 记录卡尔文循环的碳转移途径。
设计意图 探索历程不按时间平铺，而是按“证明了什么”组织，突出证据的作用； “为什么有时成功有时失败”“为什么要暗处理”两个追问训练实验分析能力； 鲁宾和卡门实验与第3章的同位素标记法呼应，形成方法上的连贯； 卡尔文循环只给主干，细节留给下一环节。
环节三 光反应（12分钟）
教师活动 【1. 场所与条件，3分钟】板书：光反应的场所是类囊体薄膜，条件是光、色素、酶。 强调：色素在这里吸收光能，是光反应的“起点”。 【2. 物质变化，6分钟】讲解两个核心反应： ①水的光解：在光能作用下，水分解为[H]（还原型辅酶Ⅱ）和O ，O 释放到大气中； ②ATP的合成：在光能作用下，ADP与Pi结合形成ATP。 板书：H O →[光] [H]＋O ；ADP＋Pi →[光能] ATP。 强调：[H]和ATP是光反应的产物，将用于暗反应，是连接两个阶段的“桥梁”。 【3. 能量变化，3分钟】讲解：光反应把光能转化为ATP和[H]中活跃的化学能。 提问：①如果突然停止光照，[H]和ATP的含量会怎样变化？（提示：迅速减少，因为无法继续产生。）②如果突然停止供应CO ，[H]和ATP的含量会怎样变化？（提示：暂时积累，因为暗反应消耗减少。） 强调：这两个“突然停止”的问题是判断物质含量变化的基本思路——看来源与去路。
学生活动 记录场所、条件。 写出水的光解与ATP合成两个反应。 理解[H]和ATP是连接光反应与暗反应的桥梁。 回答：停止光照则[H]、ATP减少；停止CO 则暂时积累。 掌握“看来源与去路”的分析思路。
设计意图 光反应内容不多，但“桥梁”作用必须讲清，否则暗反应无从衔接； 两个“突然停止”的问题是高考高频题型，在此第一次给出分析思路； “看来源与去路”是一个可迁移的思维工具。
环节四 暗反应（10分钟）
教师活动 【1. 场所与条件，2分钟】板书：暗反应的场所是叶绿体基质，条件是多种酶；暗反应不需要光，但需要光反应提供的[H]和ATP。 强调：暗反应不能长期在黑暗中单独进行，因为没有[H]和ATP的来源。 【2. 两个步骤，6分钟】讲解： ①CO 的固定：CO 与C 结合，生成2分子C ； ②C 的还原：C 在[H]和ATP的作用下，一部分还原为糖类（有机物），一部分重新生成C ，使循环持续进行。 板书箭头图：CO ＋C → 2C →（[H]、ATP）→ 有机物＋C 。 提问：①如果停止供应CO ，C 和C 的含量会怎样变化？（提示：C 减少、C 增多，因为C 无法被消耗。）②如果停止光照，C 和C 的含量会怎样变化？（提示：C 增多、C 减少，因为C 无法被还原。） 【3. 能量变化，2分钟】讲解：暗反应把ATP和[H]中活跃的化学能转化为有机物中稳定的化学能。 强调：整个光合作用的能量转化是“光能→活跃化学能→稳定化学能”。
学生活动 记录场所与条件，理解“暗反应离不开光反应的产物”。 写出CO 固定与C 还原两个步骤。 回答：停止CO 则C 减少、C 增多；停止光照则C 增多、C 减少。 理解能量转化的三个阶段。
设计意图 暗反应的难点在C 与C 的循环，用箭头图逐步展开比文字描述清晰； 两个“停止供应”的问题与光反应部分形成对照，构成完整的分析体系； 能量转化的三级表述，把“物质与能量观”落到一句话上。
环节五 影响光合作用的因素与应用（5分钟）
教师活动 【1. 因素与曲线，3分钟】出示三条曲线：光照强度、CO 浓度、温度对光合速率的影响。 讲解读图方法：先看曲线走势，再找关键点（起点、拐点、饱和点），最后判断限制因素。 提问：①光照强度达到一定值后，光合速率不再上升，此时限制因素可能是什么？（提示：CO 浓度、温度。）②夏季中午光照最强时，光合速率反而下降，为什么？（提示：气孔关闭，CO 供应不足。） 【2. 农业应用，2分钟】逐条分析： ①合理密植、间作套种——充分利用光照； ②温室大棚增施CO （如投放干冰、有机肥）——提高CO 浓度； ③白天适当提高温度、夜间适当降低温度——增大昼夜温差，减少夜间有机物消耗； ④合理灌溉、增施矿质元素——保证光合作用的原料与酶的正常功能。
学生活动 读三条曲线，说出各因素的作用规律。 回答：光照饱和后，限制因素可能是CO 浓度或温度；夏季中午气孔关闭导致CO 不足。 用“提高原料、增强条件、减少消耗”概括农业措施。
设计意图 读图方法（走势—关键点—限制因素）比记住结论更重要； “夏季中午光合速率下降”是易错点，用气孔关闭解释； 农业措施归为三类，便于记忆与迁移。
环节六 课堂小结与当堂检测（2分钟）
教师活动 【1. 小结，1分钟】一句话：光合作用在叶绿体中进行，光反应在类囊体薄膜上把光能转为活跃化学能，暗反应在基质中把CO 转化为有机物、把活跃化学能转为稳定化学能。 【2. 检测，1分钟】出示2道题： 第1题：光合作用释放的O 来自（　）。A. CO 　B. H O　C. 有机物　D. 空气 第2题：突然停止光照，叶绿体中C 的含量会（　）。A. 增多　B. 减少　C. 不变　D. 先增后减
学生活动 复述一句话小结。 作答：O 来自水；停止光照则C 增多。
设计意图 两题分别针对“氧的来源”与“C 变化”，是本课时最典型的两个考点； 小结一句话把两课时的核心压缩，便于复习。
七、板书设计
5.4 光合作用与能量转化
一、色素：胡萝卜素（橙黄）｜叶黄素（黄）｜叶绿素a（蓝绿）｜叶绿素b（黄绿）
　　叶绿素吸收红光和蓝紫光；类胡萝卜素吸收蓝紫光；绿光吸收最少
二、叶绿体：双层膜｜基粒（类囊体堆叠，分布色素和酶）｜基质（暗反应的酶、DNA）
三、光反应（类囊体薄膜，需光、色素、酶）
　　H O →[光] [H]＋O 　｜　ADP＋Pi →[光能] ATP　｜　光能→活跃化学能
四、暗反应（叶绿体基质，需多种酶）
　　CO ＋C → 2C →（[H]、ATP）→ 有机物＋C 　｜　活跃化学能→稳定化学能
五、因素：光照强度｜CO 浓度｜温度｜水分与矿质元素
　　应用：合理密植、增施CO 、增大昼夜温差、合理灌溉
八、教学反思
这两节课信息量最大，我最大的教训是“实验不能赶”。第一课时的色素提取与分离用了十六分钟，学生画线、层析、等结果，真正看到四条色带时很兴奋，有个组还发现自己的叶绿素带很窄，追问“是不是叶片不新鲜”，这种自发的追问比任何讲解都珍贵。但代价是“吸收光谱”只讲了八分钟，恩格尔曼实验压到四分钟，第二课时一开始又要赶探索历程，整节课都在追进度。另外，色素带实验的失败率比我预想的高，两个组因为滤液细线没入层析液而白做了一遍，下次要先完整演示一次画线与插入的动作，再让学生动手。板书上的对照表我留了一半空着，本来打算课末填写，结果两节课都没填完，这说明内容还要再精简。第二个问题是“突然停止”类问题。我在光反应部分给了“看来源与去路”的思路，暗反应部分又练了一遍，效果不错，但仍有学生把“停止CO 后C 减少”说反，说明他们只是套用了结论，没有真正建立“固定与还原”的先后关系。第三个问题是应用部分太仓促，四条农业措施我几乎是自己讲完的，学生没有参与分析。如果重上这两节课，我会做三处调整：一是色素实验改为课前由兴趣小组完成、课堂展示结果，把省下的时间给吸收光谱与恩格尔曼实验；二是把“C 与C 的变化”做成一张流程卡片，让学生用手指沿着箭头推演，用动作强化顺序；三是农业应用改为“给出情境、学生开处方”的小任务，四人一组，每组分析一条措施。
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