5.4光合作用的原理和應用教案2022-2023學年高一上學期生物人教版必修1

《光合作用的原理》教學設計教學內(nèi)容分析《光合作用的原理》是人教版高中《生物學·必修1·分子與細胞》第5章“細胞的能量供應和利用”的第4節(jié)第2課時內(nèi)容，分為光合作用的原理和應用兩部分，根據(jù)學情計劃分別用兩個課時完成。主要的目的是認識細胞生命活動中物質(zhì)和能量的統(tǒng)一，探索該過程中發(fā)生的物質(zhì)變化和能量轉化。結合本章第3節(jié)“細胞呼吸的原理和應用”，共同體現(xiàn)生命系統(tǒng)的物質(zhì)與能量觀。學情分析授課對象是高一學生，學生通過對前面知識的學習已經(jīng)了解了光合色素、葉綠體的結構、酶、ATP等相關知識，在初中階段的學習已經(jīng)對光合作用有了大體的認識，如“光合作用制造氧氣，制造營養(yǎng)”，但是學生對光合作用詳細的過程有待深入探究。高中學生具備了一定的觀察、認知能力以及小組合作能力，分析思維的目的性、連續(xù)性和邏輯性也已初步建立，但還很不完善。所以在教學過程中，應創(chuàng)設學生活動的機會，并進行適當?shù)囊龑В寣W生成為學習活動的主體。教學目標及重難點《普通高中生物學課程標準（2017年版）》明確要求學生能“從物質(zhì)和能量的視角，探索光合作用，闡明光合作用過程中貫穿的物質(zhì)和能量變化”。因此，物質(zhì)與能量觀是“光合作用的過程”教學要向?qū)W生滲透和闡釋的一項重要的生命觀念。依據(jù)上述要求，結合學生學情，制訂本節(jié)課的教學目標如下。闡明光反應和暗反應階段的物質(zhì)和能量變化；認同細胞生命活動過程始終貫穿著物質(zhì)和能量的變化，形成物質(zhì)和能量觀等生命觀念。分析科學史資料，在問題串的驅(qū)動下不斷進行小組合作探究，進行光合作用概念的模型建構，深化對概念的理解，培養(yǎng)搜集處理信息以及表達交流能力，發(fā)展科學思維。課外查閱資料和搜集信息，將課堂探究與課外探究相結合，對現(xiàn)實問題進行科學分析，學會科學解決現(xiàn)實生活中的問題，擔負社會責任。教學策略本節(jié)課通過分析科學家研究光合作用的科學史資料，在問題串的不斷驅(qū)動下，引導學生自主建構光合作用的概念模型，理解光合作用的原理，提高學生解決問題的能力，發(fā)展學生的科學思維。同時認同綠色植物在改善環(huán)境方面的重要性，形成生態(tài)意識，生成社會責任。教學過程總體設計思路如下：從光合作用的總反應式入手，提出問題：“CO2和H2O是如何合成（CH2O）和O2的呢？”和“光能又是怎樣儲存到有機物中的呢？”。通過引導學生分析希爾反應、魯賓和卡門實驗得出氧氣僅來自于水的結論，并進一步根據(jù)阿爾農(nóng)和賈格道夫的實驗分析并推理光反應過程，教師結合視頻講解強化后師生共同總結光反應過程的物質(zhì)和能量變化。通過引導學生分析討論卡爾文實驗，逐步認識二氧化碳還原成糖類的過程，總結暗反應過程的物質(zhì)和能量變化，并依據(jù)阿爾農(nóng)的實驗建立其與光反應的聯(lián)系。最后引導學生自主建構光合作用的概念模型，并通過課后作業(yè)將課堂探究與課外探究相結合，使學生形成生態(tài)意識，生成社會責任。具體教學過程如下：【課前準備】提前把學案給課代表，并讓其發(fā)給每位同學。教師提前進入錄播教室打開多媒體課件并確認課件能夠正常打開，圖片能夠正常顯示，視頻可以流暢播放?！緦胄抡n】溫故知新，提出問題教師：在初中階段大家就學習過光合作用，現(xiàn)在請大家回顧初中所學知識，談談對光合作用的理解。（教師注意引導從原料、產(chǎn)物和條件等方面考慮）學生活動：請一位學生回答，其他學生補充，復習初中階段光合作用的概念。（預期回答光合作用的概念：光合作用是指綠色植物通過葉綠體，利用光能，將二氧化碳和水轉化成儲存著能量的有機物，并且釋放出氧氣的過程。）教師：那光合作用如何用化學式來表示呢？請大家完成學案上光合作用總反應式的書寫。（下去看大家寫的情況并請一位學生在黑板上進行書寫）。設問：那CO2和H2O是如何合成（CH2O）和O2的呢？光能又是怎樣儲存到有機物中的呢？這是我們今天主要探究的兩個問題。我們先來解決第一個問題，O2的來源有哪些可能？學生：①可能來自CO2②可能來自H2O③可能來自CO2和H2O教師：那到底是哪種可能呢？讓我們一起回到19世紀，跟隨科學家的腳步來解決這一問題?！竟夂献饔醚芯?-希爾反應】（PPT展示“希爾反應”材料，自主閱讀學案材料并回答問題）教師：請大家自主閱讀學案上“希爾反應”的材料，思考并完成學案上的希爾實驗表達式。（給1min時間，請1位同學分享）教師：反應式的產(chǎn)物之一是O2，另一個產(chǎn)物如何確定？學生：Fe3+得電子成Fe2+，電子來自水中的H，H失去電子變成H+。教師：希爾的實驗是否說明水的光解與糖類的合成不是同一個化學反應？學生：能，因為懸浮液中沒有CO2，糖類合成時需要CO2中的碳元素。教師：希爾反應是否說明植物光合作用產(chǎn)生的氧氣中的氧元素全部都來自水？學生：不能，反應體系中可以還存在其他氧元素供體。（該實驗沒有排除葉綠體中其他物質(zhì)的干擾，也并沒有直接觀察到氧元素的轉移。）教師：希爾實驗可以證明O2來自H2O。能否確定O2全部來源于H2O？若要證明02全部來源于H2O或者也來源于CO2，可采用什么方法？學生：同位素標記法。教師：那當初的科學家為了探究O2的來源也是運用了同位素示蹤的方法，我們來看看他們的實驗是怎么做的？【光合作用研究--魯賓和卡門實驗】教師：（詳細講解）1941年，美國科學家魯賓（S.Ruben）和卡門（M.Kamen）用同位素示蹤的方法，研究了光合作用中02的來源。他們用16O的同位素180分別標記H2O和CO2，使它們分別變成H218O和C18O2。隨后，進行了兩組實驗：第一組給植物提供H2O和C18O2，第二組給同種植物提供H218O和CO2。在其他條件都相同的情況下，第一組釋放的氧氣都是O2，第二組釋放的都是18O2。教師：分析實驗結果，能得出什么結論？學生：光合產(chǎn)物氧氣中的氧全部來自于原料中的水。教師：（對學生回答進行評價）H2O的氧元素變成了氧氣，那氫元素去哪里了呢？【光合作用研究--阿爾農(nóng)的實驗】（PPT展示阿爾農(nóng)實驗，引導學生閱讀學案上的材料二并完成思考題）教師：從阿爾農(nóng)的實驗中我們發(fā)現(xiàn)，不同于水的電解過程，水的光解過程中伴隨著合成ATP和NADPH的反應。NADPH的形成過程需要氫離子的參與，但是并不意味著水光解產(chǎn)生的氫離子全部用于形成NADPH。之前我們已經(jīng)學習了ATP是細胞能量的“貨幣”，所以在物質(zhì)變化的同時，能量也從光能轉變成化學能暫時儲存在ATP和NADPH中?？墒茿TP的合成除了ADP、Pi和ATP合成酶之外，還需要能量，這個能量來自哪里呢？是直接由光能轉化的嗎？還是有其他的能量形式呢？我們先來看一個實驗?！竟夂献饔醚芯?-賈格道夫的實驗】教師講解實驗過程及結果：①將從葉綠體中分離到的有活性的類囊體置于pH為4的緩沖介質(zhì)中一段時間后，類囊體膜內(nèi)外的pH都為4。將上述部分類囊體取出，轉移到pH為8的緩沖溶液中，剩余的類囊體繼續(xù)置于pH為4的緩沖溶液中。加入等量的ADP和Pi后在無光條件下放一段時間。實驗結果：A組檢測到有ATP生成，B組未檢測到ATP生成。請大家以小組為單位，思考并討論完成學案上的3個思考題。（5min）本實驗的自變量是什么？因變量是什么？分析實驗結果，可得出什么結論？在葉綠體內(nèi)，類囊體膜通過__________（主動運輸/協(xié)助擴散/自由擴散）的方式才能創(chuàng)造其兩側的H+濃度差。教師：那我們來回憶一下，主動運輸發(fā)生的條件。主動運輸是在逆濃度梯度下，借助載體蛋白和細胞內(nèi)化學反應所釋放的能量發(fā)生的?？墒沁@里H+的運輸用的是什么能量呢？我們來看光反應的過程就能明白了?！竟夂献饔醚芯?-光反應詳解】教師結合PPT圖講解水的光解過程：類囊體膜上的色素吸收光能并傳遞給特殊葉綠素a，使其電子被激發(fā)。電子不斷向類囊體膜上連續(xù)排列的蛋白質(zhì)進行傳遞，形成了電子流。類囊體膜上的蛋白質(zhì)分子消耗高能電子的能量，空間構象發(fā)生改變，用以將H+從基質(zhì)泵入類囊體腔內(nèi)，使膜內(nèi)側的H+濃度高于膜外側（膜內(nèi)側的H+類似于水壩高處的水，具有勢能）。類囊膜對H+是高度不通透的，H+只能從ATP合成酶的通道進入基質(zhì)中。H+從ATP合成酶中滲透出去，使ADP結合，生成ATP，由此H+勢能轉變?yōu)锳TP中的化學能（類似于水壩高處的水流向低處，帶動水輪機轉動，勢能轉化為動能）失去電子的特殊葉綠素a向另一蛋白D1特殊位點奪取電子，該蛋白繼而向水分子奪取電子，同時使水分子裂解，形成分子氧和H+，發(fā)生了水的光解。教師：那我們再來觀看一個視頻，深化理解這個過程。（觀看視頻過程中教師進行講解）教師：我們一起來總結一下光反應階段物質(zhì)和能量的變化。（PPT展示） 教師：至此我們已經(jīng)認識了H2O形成O2的過程和光能轉化為ATP和NADPH中的化學能過程，那CO2是如何合成（CH2O）的？ATP和NADPH中的化學能是怎樣儲存到有機物中的呢？20世紀40年代，卡爾文和他的同事利用小球藻作為實驗材料研究了（CH2O）的合成過程。（介紹實驗裝置和卡爾文實驗過程，PPT展示實驗裝置）師生共同討論后，教師總結：卡爾文和他的團隊花了近10年的時間，最終證實了暗反應的確是一個循環(huán)的過程（展示卡爾文循環(huán)過程圖解）。從二氧化碳到糖類的中間產(chǎn)物有十幾種，是一個復雜的過程，需要多種方法巧妙配合。卡爾文因這一偉大發(fā)現(xiàn)而獲得了諾貝爾獎?？栁难h(huán)呈現(xiàn)了C的轉移路徑，即有機物的形成過程，與前面研究水光解產(chǎn)生02的過程是否存在一定的聯(lián)系？再回到阿爾農(nóng)的實驗繼續(xù)研究。PPT展示補充資料：阿爾農(nóng)發(fā)現(xiàn)，在黑暗條件下，只要供給了ATP和NADPH，葉綠體就能將CO2轉變?yōu)樘穷悾瑫rATP和NADPH的含量急劇下降。學生：水的光解為卡爾文循環(huán)提供了ATP和NADPH。教師：ATP和NADPH參與生成C3的過程。思考光合作用過程中光能是經(jīng)過怎樣的轉化儲存到糖類中的？學生：光能首先被色素吸收，轉化成ATP和NADPH中的化學能，再轉移到糖類等有機物中。總結暗反應過程中物質(zhì)和能量的變化?！緲嫿ü夂献饔眠^程】——通過小組合作，自主構建光合作用過程教師：請根據(jù)本節(jié)所學內(nèi)容，在學案上構建光合作用的過程圖。學生分組討論交流，完成學案。5min后，兩名學生在黑板上共同完成過程圖的繪制。【課后作業(yè)】在理解光合作用原理的基礎上，思考哪些因素會影響光合作用，光合作用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有哪些具體的應用?關注全球氣候問題，搜集有關“碳中和”的資料，思考我們可以為早日實現(xiàn)“碳中和”做什么努力？從以上內(nèi)容中任選