高中生物人教版 (2019)必修1《分子与细胞》光合作用的原理和应用教案设计

这是一份高中生物人教版 (2019)必修1《分子与细胞》光合作用的原理和应用教案设计，共9页。
教学分析
教学目标
1.科学探究:通过对光合作用光反应阶段和暗反应阶段相关实验研究的思考和讨论,理解光合作用的过程。
2.科学思维:从物质和能量观视角,阐明光合作用物质和能量的变化。
3.科学探究:尝试研究影响光合作用速率的环境因素,及光合作用原理的应用。
评价目标
1.通过对光合作用中物质含量的变化,了解评价学生对光合作用过程的掌握情况。
2.通过对日常农业生产现象的解释,了解评价学生对关注影响因素的掌握情况。
教学重难点
重点:1.光合作用的光反应、暗反应过程及相互关系。
2.影响光合作用强度的环境因素。
难点:1.光合作用过程中物质和能量的变化及相互关系。
2.探究影响光合作用强度的环境因素。
教学方法
1.这节课的内容与日常农业生产的联系很密切,所以讲课时多联系实际,变抽象为直观。
2.采用直观教学法、讲述法、启示法和讨论法等教学方法,准备PPT、实验材料等教学用具。
课时安排
1课时
教学准备
多媒体,学案,PPT等。
教学设计
导入新课
【师】农村大棚蔬菜使很多人走上了致富路,今天菜农老王兴高采烈,邻居老李却愁眉苦脸,这是为何呢?请大家听一听老王和老李的一段对话。
老李:王大哥,咱都种黄瓜,你家黄瓜和俺家黄瓜咋差别这么大呢?
老王:(洋洋得意的)大兄弟,种啥也得讲科学。
老李:(焦急的)种个大棚还讲啥科学啊?你快说说你那科学!
老王:呵呵,这没什么奥妙!(胸有成竹的)要提高产量,除满足黄瓜对水肥的要求外,那就是还要控制好大棚内的温度、光照和CO2浓度,要满足黄瓜生长的最佳需求。
老李:(满脸疑惑的,扳着指头数)水肥、温度、光照、CO2浓度,这与产量有多大关系啊?
老王:黄瓜产量大小的奥妙就在这其中啊,它的原理是什么,我给你说不清楚,建议你去专家课堂听听课——《光合作用的原理和应用》,听完后你就明白了!
(设计意图:通过让两位同学表演小品的形式开始这节课,创设真实课堂情境,启发引导学生观察、思考日常生活中的现象,调动学生思维的活跃性,激发学生的学习动机和求知欲,使学生能够带着自己的问题和思考开始这节课的学习。)
探究一、光合作用的探究过程
【师】水肥、温度、光照、CO2浓度的变化会影响黄瓜的产量,这是为什么,植物怎样进行光合作用的呢?科学家早就开始了对光合作用的探究,在近100多年的时间里,科学家们通过不懈的努力,对植物生长及光合作用原理探究的比较清晰了,现在就让我们沿着科学家的足迹,一起来揭开光合作用神秘的面纱吧!
【师】请学生阅读课本P102“探索光合作用原理的部分实验”,讨论并总结人类探究光合作用的历程,这一过程说明了什么问题?
【师】课件展示课本P102希尔反应的实验内容,本实验能得出什么结论?请思考并回答。
【生】阅读、讨论并回答。
提示:离体叶绿体在适当条件下发生水的光解,产生氧气。
【师】恩格尔曼的实验已经证明叶绿体是光合作用的场所,并且释放O2,那么光合作用产生的O2到底是来自水还是CO2呢?课件展示鲁宾和卡门的实验,提出相关问题。请学生阅读教材,思考、讨论并回答问题。
【生】阅读,讨论。
【师】利用多媒体课件引导学生尝试着完成实验设计方案,完成学案上设计的问题。
【生】汇报、展示。
(1)鲁宾和卡门实验的方法: ,实验目的:
。
(2)向甲组植物提供 ;向乙组植物提供 。
(3)实验结果:甲组植物释放的A全部是 ,乙组植物释放的B全部是 。
(4)实验结论:光合作用释放的O2来自 。
提示:(1)同位素示踪法 探究光合作用释放的氧气的来源
(2)含18O的CO2和不含18O的H2O 含18O的H2O和不含18O的CO2
(3)O2 18O2
(4)H2O
【师】引导学生进行分析、讲解与总结。
【师】PPT展示阿尔农的实验,并让学生思考本实验能得出什么结论?
【生】阅读、讨论并回答。
提示:在光照下,叶绿体可合成ATP,并且这一过程总是与水的光解相伴随。
【师】PPT展示卡尔文的实验,指导学生阅读教材P104文本,并让学生思考和完成学案上的问题。
【生】阅读、讨论并作答。
卡尔文的小球藻实验中,采用的实验方法是什么,得出了什么结论,这一途径叫什么?
提示:同位素示踪法;CO2中碳在光合作用中转化成了有机物中的碳;卡尔文循环。
【师】师生共同进行总结:光合作用的探究历程
(1)希尔的实验表明,离体的叶绿体在适当条件下发生水的光解,产生 。
(2)鲁宾和卡门的实验可以证明光合作用释放的O2来自 。
(3)阿尔农的实验证明,在光照下,叶绿体可合成 ,并且这一过程总是与水的光解相伴随。
(4)卡尔文的实验可以证明CO2中的碳转化成 中的碳。
提示:(1)O2 (2)水 (3)ATP (4)有机物
探究二、光合作用的原理
(一)光反应阶段
【师】请同学们阅读课本P103“光合作用的原理”之“光反应阶段”,查看“图5-14光合作用过程的示意图”,完成学案中相应问题。
【师】光反应的场所在哪儿?
【生】叶绿体的类囊体薄膜上。
【师】请学生简述光反应的过程。
【生】叶绿体中光合色素吸收的光能,有以下两方面的用途,一是将水分解成氧和H+,氧直接以氧分子的形式释放出去,而H+与氧化型辅酶Ⅱ(NADP+)结合,形成还原型辅酶Ⅱ(NADPH),NADPH作为活泼的还原剂,参与暗反应阶段的化学反应,同时也储存部分能量供暗反应阶段利用;二是在有关酶的催化作用下,提供能量促使ADP和Pi反应形成ATP,从而将光能转化为储存在ATP中的化学能。
【师】由此我们看出光反应的条件是什么?
【生】光反应条件是光照、光合色素和酶。
【师】光反应中物质变化和能量变化是怎样的?
【生】物质变化:①水的光解:2H2O→4H++O2
②ATP形成:ADP+Pi+能量(光能)ATP
能量转变:光能→ATP和NADPH中的化学能
(二)暗反应阶段
【师】请学生阅读课本P104“光合作用的原理”的“暗反应阶段”,查看“图5-14光合作用过程的示意图”,完成学案相应填空。
【师】暗反应的场所在何处?
【生】叶绿体基质。
【师】请学生将暗反应的过程简述一遍。
【生】在暗反应阶段,绿叶通过气孔从外界吸收的CO2,在特定酶的作用下,与C5(一种五碳化合物)结合,很快形成C3(三碳化合物)。在有关酶的催化下,C3接受ATP和NADPH释放的能量并被NADPH还原。其中一部分C3经过一系列反应形成糖类,另一部分C3则又重新形成C5,这一暗反应过程也称为卡尔文循环。
【师】由此可看出暗反应的条件是什么?
【生】ATP、NADPH和酶。
【师】暗反应中物质变化和能量变化是怎样的?
【生】物质变化:
①CO2固定:CO2+C52C3
②C3的还原:2C3+NADPH(CH2O)+C5
能量转变:ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中储存的稳定化学能。
(三)总结光反应与暗反应
【师】学完了光合作用的过程,再来比较一下光反应和暗反应,请学生根据前面学习的内容填写下面表格。(独立完成后,再小组讨论)
光合作用过程中,光反应和暗反应的比较:
提示:光合作用过程中,光反应和暗反应的比较:
(设计意图:实验与问题的导入,能提高学生的学习兴趣,同时引出本节课要解决的问题,效果好。)
探究三、光合作用原理的应用
【师】光合作用强度的概念是什么呢?
【生】植物在单位时间内通过光合作用制造的糖类的数量。
【师】我们一起来重点讨论:影响光合作用强度的环境因素。请学生阅读课本P105文本,回答影响光合作用强度的外界因素是什么。
【生】说出答案。
提示:光照强弱、CO2浓度和温度是影响光合作用强度的三大环境因素。
【师】此外还有,矿质元素、含水量及叶龄等也影响着光合作用强度。
【师】我们一起来学习课本P105的实验“探究环境因素对光合作用强度的影响”。
请同学们阅读讨论课本P105的“探究·实践”内容,完成学案的题目。
【生】阅读,讨论后汇报结果,老师订正。
评价反馈
通过解释一些日常现象,如:为什么新疆哈密瓜特别甜,为什么用无色的塑料薄膜还有使用农家肥能增加大棚蔬菜的产量等,检测学生对光合作用原理的理解情况。
课堂小结
以课本P103的图来引导学生总结光合作用的过程和影响光合作用的因素。
布置作业
完成学案中的核心素养专练。
教学反思
本节内容是高中生物学的重点内容,也是很难处理的一节课。本节课教案的设计,试图进一步转变传统的学习方式,变学生被动听讲式的学习为教师带着学生主动探究式的有效学习。这一教学思路和行为的转变,活跃了学生的思维,提高了学习兴趣。例如,光合作用过程的设计采用了设计问题串的形式,让学生带着要解决的问题,通过对教科书的自主阅读,在教师的指导下去深入分析和总结,从而充分体现了以学生的“学”为主体、以教师的“导”为主线的教学理念。在这样的学习活动中,学生的思维开阔,分析和解决问题的能力得到了提高。在教学过程中,多媒体课件的巧妙设计与使用,又使一些比较抽象的知识形象化、具体化,也激发了学生的探究热情,营造了互动、活跃的课堂氛围。
本节课还恰当地利用了教材中科学史的潜在教育功能,引导学生尝试像科学家那样去设计实验、去做理性的思考,提高了学生进行探究性学习的能力和技巧。例如,在“同位素示踪法”再次应用中,从教科书中的“用含有14C的CO2来追踪光合作用中的碳原子”扩展到“用含有3H的水来追踪光合作用中的氢原子的转移途径”,使学生思维能力的训练得到了一个明显的提升。
通过本节课的具体实施,也暴露出教学中的一些问题。比如,课堂习题没有进行及时处理,信息反馈做得不够,导致知识的巩固过程落实略显欠缺。又如,本节课的教学内容涉及相对繁难的化学知识,如何基于学生的认知水平和课程标准的要求,把握好教学的重心和落点,都是值得继续学习和探讨的问题。
板书设计
二 光合作用的原理和应用
1.探究光合作用的实验
2.光合作用的原理
3.光合作用原理的应用
备课资源
1.光合速率测定方法总结
光合速率指单位时间、单位叶面积的CO2吸收量或O2的释放量;也可以用单位时间、单位叶面积上干物质的积累量来表示。真正光合速率(总光合速率)=表观光合速率(净光合速率)+呼吸速率。
气体体积变化法——测光合作用O2产生的速率
某生物兴趣小组设计了下图中的装置,进行光合速率的测试实验(忽略温度对气体膨胀的影响)。
①测定植物的细胞呼吸强度:装置的烧杯中放入适宜浓度的NaOH溶液,将玻璃罩遮光处理,放在适宜温度的环境中,1小时后记录红墨水滴移动的方向和刻度(向左移动X)。
②测定植物的净光合作用强度:装置的烧杯中放入CO2缓冲溶液,将装置放在光照充足、温度适宜的环境中,1小时后记录红墨水滴移动的方向和刻度(向右移动Y)。
1小时内,细胞呼吸吸收的O2为X,净光合速率释放的O2为Y,那么,实际光合速率就是X+Y。
2.光合作用的步骤
光合作用大致可分为下列三大步骤:第一步,光能的吸收、传递和转换成电能的过程(通过原初反应完成);第二步电能转变为活跃的化学能过程(通过电子传递和光合磷酸化完成);第三步,活跃的化学能转变为稳定的化学能过程(通过碳同化完成)。第一、二两大步骤基本上属于光反应,第三大步骤属于暗反应。
反应类型:光反应、暗反应。
能量转变:光能→电能;电能→活跃化学能;活跃化学能→稳定化学能。
储存能量的物质:量子、电子、ATP、NADPH、糖类。
能量转变过程:光能的吸收、传递、转换;电子传递、光合磷酸化;碳同化。
能量转变部位:类囊体薄膜、类囊体薄膜、叶绿体基质。
3.光合作用反应过程概要
光合作用分为光反应和暗反应两个阶段。在光反应中,叶绿素吸收光能,叶绿素分子中的电子被激发到较高的能级。被激发的电子沿着分布在类囊体膜上的一系列电子传递体转移。在传递过程中,质子被泵送到类囊体腔内,在类囊体膜两侧形成质子梯度,用来驱动ATP的合成。沿着电子载体传递的电子最后提供给NADP+,将NADP+还原为NADPH。叶绿素分子失去的电子则由水分子中氧原子中的电子来补充,水分子中的氧原子则被氧化为氧气。上述反应都发生在叶绿体的类囊体中。由光反应产生的ATP和NADPH,为暗反应提供能量和还原剂,通过卡尔文循环,将二氧化碳转化为糖类。暗反应起始于叶绿体基质,延续到细胞质。最终,在植物的叶片中生成有机物,并以蔗糖的形式进一步运输到植物体的其他组织。
4.卡尔文循环
高等植物光合同化CO2的生化途径有卡尔文循环、C4途径和景天科酸代谢三种。其中以卡尔文循环最基本、最普遍,同时也只有这种途径具备合成淀粉等产物的能力。其他两种不够普遍,而且只能起固定、转运CO2的作用,单独不能形成淀粉等产物,所固定的CO2在植物体内再次释放出来,参与卡尔文循环。
卡尔文循环是所有植物光合作用碳同化的基本途径,它能形成碳水化合物并输送到细胞质中。在这个循环中,由于大多数植物还原CO2的第一个产物是三碳化合物(如磷酸甘油酸),故又称为C3途径。卡尔文循环大致可分为羧化、还原和再生三个阶段。比较
项目
光反应
暗反应
区别
场所
条件
物质
变化
①水的光解:
②ATP的合成:
①CO2的固定:
②C3的还原:
能量
变化
光能→ 中的化学能
中活跃的化学能→ 中稳定的化学能
联系
①光反应为暗反应的进行提供 和 ;
②暗反应为光反应的进行提供合成ATP的原料 和 ;
光反应和暗反应阶段既有区别又有紧密联系,是相互依存相互制约的整体
比较
项目
光反应
暗反应
区别
场所
类囊体薄膜
叶绿体基质
条件
光、酶、光合色素
酶、ATP和NADPH
物质
变化
①水的光解:2H2O→4H++O2
②ATP的合成:ADP+Pi+能量(能)ATP
①CO2的固定:CO2+C52C3
②C3的还原:2C3+NADPH(CH2O)+C5
能量
变化
光能→ATP、NADPH中的化学能
ATP、NADPH中活跃的化学能→糖类中稳定的化学能
联系
①光反应为暗反应的进行提供ATP和NADPH;
②暗反应为光反应的进行提供合成ATP的原料ADP和Pi;
光反应和暗反应阶段既有区别又有紧密联系,是相互依存相互制约的整体
比较项目
光反应
暗反应
物质
变化
①水的光解:
2H2O→4H++O2
②ATP的合成:
ADP+Pi+能量(光能)ATP
①CO2的固定:
CO2+C52C3
②C3的还原:
能量
变化
光能→ATP、NADPH中活跃的化学能→(CH2O)中稳定的化学能
项目
红墨水滴
移动方向
原因分析
①测定植物细胞呼吸速率
向左移动
玻璃罩遮光,植物只进行细胞呼吸,植物进行有氧呼吸消耗O2,而释放的CO2气体被装置烧杯中NaOH溶液吸收,导致装置内气体量减少、压强减小,红色液滴向左移动
②测定植物净光合作用强度
向右移动
装置的烧杯中放入CO2缓冲溶液可维持装置中的CO2浓度;将装置放在光照充足、温度适宜的环境中,在植物的生长期,光合作用强度超过细胞呼吸强度,表现为净光合作用释放O2,导致装置内气体量增加,压强增大,红色液滴向右移动