生物必修1《分子与细胞》光合作用的原理和应用教学设计及反思

这是一份生物必修1《分子与细胞》光合作用的原理和应用教学设计及反思，共10页。教案主要包含了知识回顾，探索光合作用的经典实验，光合作用的原理，光合作用和细胞呼吸的关系，影响光合作用的外界环境因素等内容，欢迎下载使用。
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
同学们,你认为最伟大的魔术是什么?“光合作用是最伟大的魔术。”——居里夫人
(设计意图:引起学生的好奇心,充分调动学生的学习兴趣,同时帮助学生回忆学过的知识,主动构建起新旧知识之间的联系。)
一、知识回顾
根据本节课要学习内容的需要,先把上节课学习的与本节课有关的色素的知识点和叶绿体的结构进行复习。学案上以填空题的形式呈现。
二、探索光合作用的经典实验
绿叶是怎样进行光合作用的?请同学们通过小组合作学习“探索光合作用的经典实验”,完成以下表格。
上述实验有没有说明有机物是怎样转化而来的,有机物的转化和水的光解是同一个化学反应吗?
光合作用实际上是一个很复杂的过程,包括一系列的化学反应。
学生小组合作过程中,教师巡视课堂,及时发现学生讨论中存在的问题,并把握讨论的进度。讨论结束后,教师让学生汇报讨论结果,然后订正讲解。
重点分析鲁宾和卡门的实验,课件展示以下实验图片让学生思考实验方法和结论。运用同位素示踪技术,证明光合作用释放的O2来自水。
(设计意图:将光合作用探究历程进行分析学习,学生能深刻地感受到科学家的探究精神,体会技术进步对于科学发展的影响,是很好的情感教育素材。)
三、光合作用的原理
那么H2O是怎么转变形成O2的呢,CO2中的C元素是怎样进入有机物的呢,光能是怎么转变成化学能储存在糖类等有机物中的呢?
首先,学生通过阅读课本P103~104的光反应和暗反应的内容和图5-14光合作用过程的示意图,先阅读课本内容,然后小组同学之间相互讲解过程,然后在老师的引导下分析光反应和暗反应的物质变化、能量变化、条件和场所。
其次,学生进行小组合作探究,将光合作用的过程绘制在下面的细胞图中。要求:用箭头和文字表示出光合作用的过程。
(设计意图:通过分析光合作用过程图,让学生明白光合作用的物质变化和能量变化,然后再通过小组活动将光合作用过程进行绘图,通过讲练结合的教学方法来加强对光合作用过程的学习。)
让各小组展示合作的成果(如下图),其他组进行评析,找出存在问题的地方,进一步强化知识点。
最后,让学生根据对光合作用的认识,填写下列表格。教师巡视,并根据填写情况,进行重点讲解,纠正学生存在的错误,之后展示正确答案。
通过以上学习让同学们总结出光合作用的概念:
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。
写出光合作用的反应式,其中有机物用(CH2O)表示:CO2+H2O(CH2O)+O2。
(设计意图:学生通过学习光合作用的两个阶段,明确光合作用两个阶段的异同点,特别是反应条件、反应物、生成物的区别,与呼吸作用相互比较,为学习光合作用和呼吸作用的关系做铺垫。)
四、光合作用和细胞呼吸的关系
光合作用过程利用CO2和H2O形成有机物,释放O2,将光能转变成化学能;而细胞呼吸分解有机物生成CO2和H2O,释放能量并合成ATP。光合作用和细胞呼吸的物质变化和能量变化有一定的相关性,下面通过一个模式图来分析。
A过程表示光合作用,B过程表示细胞呼吸。图中将A、B过程联系在一起的物质是(CH2O),也就是说光合作用产生的(CH2O)可以作为细胞呼吸的底物。那么,光合作用产生的O2可以用于细胞呼吸吗,细胞呼吸产生的CO2可以用于光合作用吗?
学生进行小组合作探究,用箭头表示O2、CO2在细胞内,向细胞外的转移途径。
提示:
让各小组展示合作的成果,让其他组进行评析,找出存在问题的地方,进一步强化知识点。根据同学们完成的物质转移图,分析以下问题:只进行细胞呼吸时,具有哪几种转移途径?在光合作用速率>细胞呼吸速率的情况下,具有哪几种转移途径?
(设计意图:学生通过分析光合作用和细胞呼吸的过程综合图,明确二者物质上的联系,然后通过小组活动分析O2、CO2的转移途径,为学生理解实际光合速率=净光合速率+呼吸速率这个计算公式奠定基础。)
五、影响光合作用的外界环境因素
引导学生观察光合作用的过程图,分析哪些环境因素可能会影响到光合作用速率。学生通过分析光反应过程和条件,可以看出光照强度、温度等因素都会影响光合作用速率;通过分析暗反应过程和条件,可以看出CO2浓度、温度等因素都会影响光合作用速率。任何代谢过程的进行都离不开水,参与代谢过程的有机物除了含有C、H、O三种元素,还含有N、P等矿质元素。由此学生又分析得出水分和矿质元素也会影响光合作用速率。
学生阅读教材实验“探究光照强弱对光合作用强度的影响”,分析出该实验的自变量是光照强度,通过控制装置与光源的距离来控制自变量;因变量是光合作用强度,通过观察该实验的微课程,统计同一时间段内圆形小叶片浮起的数量来检测因变量。引导学生设计一个表格来记录实验数据。
不同光照条件下浮起的叶片数
同一时间段内圆形小叶片浮起的数量只能定性研究不同光照强度下光合作用强度,无法定量研究光合作用强度。让学生以小组为单位分析讨论下面这个实验。
将一植物幼苗放入下图装置所示的锥形瓶中,瓶中安放一个CO2传感器来检测不同条件下瓶中CO2浓度的变化。相同温度下,在一段时间内测得结果如下图所示。
请同学分析:
(1)在0~60 min时间段内,CO2浓度为什么增加?
(2)在60~120 min时间段内,CO2浓度下降的速率代表植物体的净光合速率还是实际光合速率?
(3)在60~120 min时间段内,该植物实际光合速率为多少(单位:ppm/min)?
提示:(1)该时间段内,只进行细胞呼吸,植物体不断释放CO2,所以CO2浓度不断增加。
(2)净光合速率。
(3)25 ppm/min。
通过分析上述实验,学生掌握了一种定量研究光合速率的方法,也理解了实际光合速率=净光合速率+呼吸速率这一等量关系。
光照强度对光合速率的影响可以用右面的曲线来表示,让学生分析右面的曲线。在一定范围内,随着光照强度不断增强,光合作用强度也不断增强。同时明确a点表示只进行细胞呼吸;b点表示光合作用速率和细胞呼吸速率相等;ab段表示细胞呼吸速率大于光合作用速率;bc段表示光合作用速率大于细胞呼吸速率。n代表了细胞呼吸速率,m代表了净光合作用速率。
然后,直接给出CO2浓度和温度对光合速率影响的相关曲线,让学生分析曲线的含义。在一定范围内,随着CO2浓度不断增强,光合作用强度也不断增强。在最适温度时,酶的活性最大,光合作用速率最强,高于或低于最适温度,光合作用速率都会受到影响。
学生进行小组合作探究,引导学生分析下列生产实践中的做法的原理是什么?正其行,通其风;施用农家肥;温室栽培,白天适当升高温度,夜晚适当降低温度;温室栽培,用红光灯适当补充光照。
让各小组汇报他们讨论的结果,在汇报的过程中,引导学生加深对光合作用过程和影响因素的理解。
提示:(1)在一定的范围内,光合作用的速率与二氧化碳浓度成正比。(2)在一定范围内光合作用的速率与温度成正比,超过一定温度后,温度越高反应速率越慢。
(设计意图:分析教材实验时,注重培养生物学基本科学素养。自变量和因变量的分析、实验数据的记录和处理等。同时对教材实验进行拓展,由定性分析到定量分析。)
课堂小结
布置作业
1.巩固本节课所学知识。
2.完善学案。
教学反思
本节课的教学过程中,学生的参与度较高,思考量较大,充分调动学生的积极性。
1.学生小组探究活动多,让学生成为学习的主人。本节课共设计了4个学生探究活动。活动1:小组讨论完成学案上的表格;活动2:让学生动手画出光合作用过程;活动3:找出光合作用和细胞呼吸之间物质上的联系;活动4:运用本节课所学知识,来解释生产实践中的做法。通过这些探究活动,让学生参与到课堂知识的生成中,只有学生成为学习的主人,学生才能主动地去获取知识。
2.通过各种教学方法调动学生的多种感官
运用大量图片把不能在课堂操作的实验展示出来。在课堂中运用多种教学手段的目的,就是让学生多角度、多方位突破重难点知识。
本节课没有动手操作“探究光照强度对光合作用强度的影响”的实验,学生没有亲自感受实验过程,不利于对实验的掌握和灵活运用。弥补办法:在今后教学中,可以把这个实验与其他实验结合起来。
板书设计
二 光合作用的原理和应用
1.探究光合作用的经典实验
2.光合作用的原理
3.光合作用和细胞呼吸的关系
4.影响光合作用的外界环境因素
(1)光照强度
(2)CO2浓度
(3)温度
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。1937年,英国植物学家希尔(R.Hill)发现,在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂(悬浮液中有H2O,没有CO2),在光照下可以释放出氧气。像这样,离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应称作希尔反应。
问题:希尔实验能否证明光合作用产生的氧气中氧元素全部来自水? ;如果不能,换作是你应该怎样做?
。
1941年,美国科学家鲁宾(S.Ruben)和卡门(M.Kamen)用同位素示踪的方法,研究了光合作用中氧气的来源。他们用16O的同位素18O分别标记H2O和CO2,使它们分别变成H218O和C18O2;然后,进行了两组实验:第一组给植物提供H2O和C18O2,第二组给同种植物提供H218O和CO2。在其他条件都相同的情况下,第一组释放的氧气都是O2,第二组释放的都是18O2。
问题:鲁宾和卡门的实验能否证明光合作用产生的氧气中的氧元素来源于水而非来源于二氧化碳? 。
1954年,美国科学家阿尔农(D.Arnn)发现,在光照下,叶绿体可合成ATP。1957年,他发现这一过程总是与水的光解相伴随。
尝试用图表示与ATP合成有关的图示: 。
比较项目
光反应
暗反应
进行部位
类囊体薄膜
叶绿体基质
条件
光、色素和酶、ADP和Pi、水
不直接依赖光,需要酶、NADPH、ATP
物质变化
水的光解:2H2O4H++O2
ATP的形成:ADP+Pi+能量(光能)ATP
CO2的固定:CO2+C52C3
C3的还原:2C3+NADPH(CH2O)+C5
能量变化
光能→ATP、NADPH中的化学能→糖类中稳定的化学能
联系
光反应为暗反应提供ATP和NADPH;暗反应为光反应提供ADP和Pi
距离
10厘米
20厘米
30厘米
10分钟
30分钟
60分钟
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