資源簡介

“光合作用的原理和應(yīng)用”教學(xué)設(shè)計
《光合作用的原理和應(yīng)用》教學(xué)設(shè)計
【教材分析】
本節(jié)是人教版生物必修一第五章第4節(jié)第二課時的內(nèi)容，主要介紹光合作用的具體過程和原理。本節(jié)內(nèi)容承接前一課時中關(guān)于捕獲光合色素和結(jié)構(gòu)的介紹，具體闡述光合作用的過程，為學(xué)生樹立完整的物質(zhì)與能量觀，結(jié)構(gòu)與功能觀打下基礎(chǔ)。
【學(xué)情分析】
1.知識基礎(chǔ)：學(xué)生通過對前面知識的學(xué)習(xí)已經(jīng)了解了光合色素、葉綠體的結(jié)構(gòu)、酶、ATP等相關(guān)知識，在初中階段的學(xué)習(xí)已經(jīng)對光合作用有了大體的認(rèn)識，如“光合作用制造氧氣，制造營養(yǎng)”，但是學(xué)生對光合作用詳細(xì)的過程有待深入探究。
2.認(rèn)知能力：高中學(xué)生具備了一定的觀察、認(rèn)知能力以及分析實驗設(shè)計實驗的能力，思維的目的性、連續(xù)性和邏輯性也已初步建立，能夠在教師的引導(dǎo)下掌握教材中所給出的實驗，進(jìn)而探究得出光合作用的原理。本節(jié)較為抽象，對學(xué)生的思維能力要求較高，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程當(dāng)中可能會感到偏難。
【前沿知識分析】
光合作用歷來都是生命科學(xué)前沿研究的熱點領(lǐng)域，對光合作用的研究曾先后8次獲得諾貝爾獎。根據(jù)最新的研究進(jìn)展，本節(jié)內(nèi)容選擇了“人造葉綠體[46]”“從CO2到淀粉的人工合成[47]”作為融入教學(xué)的前沿知識，結(jié)合中學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展程度適當(dāng)?shù)丶右越榻B。
【教學(xué)目標(biāo)】
1.通過對光合作用相關(guān)科學(xué)史資料的閱讀分析，小組合作探究，自主構(gòu)建光合作用概念模型。
2.通過自主構(gòu)建光合作用模型，能從物質(zhì)與能量觀的視角，闡明光合作用過程中物質(zhì)變化與能量轉(zhuǎn)化的過程，說明光合作用原理和意義。
3.通過對光反應(yīng)與暗反應(yīng)過程的比較歸納，及對光合作用過程的總結(jié)，領(lǐng)悟科學(xué)探究方法，體會人類對光合作用的認(rèn)識過程是逐步的、不斷發(fā)展的。
【教學(xué)重難點】
1.教學(xué)重點
光合作用的光反應(yīng)、暗反應(yīng)的物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)換。
2.教學(xué)難點
光反應(yīng)、暗反應(yīng)過程的比較。
【教學(xué)過程】
教學(xué)環(huán)節(jié) 教師活動 學(xué)生活動 設(shè)計意圖
新課導(dǎo)入 【前沿知識】 2020年，科學(xué)家通過將菠菜植物的采光機(jī)械與9種不同生物體的酶結(jié)合起來，可以制造出一種人造葉綠體[46]。這種葉綠體可以在細(xì)胞外工作，收集陽光，并利用由此產(chǎn)生的能量將二氧化碳（CO2）轉(zhuǎn)化成富含能量的分子。 根據(jù)以上資料初步描述光合作用的過程是怎樣的？ 閱讀資料，思考并回答：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(zhuǎn)化成儲存著能量的有機(jī)物，并且釋放出氧氣的過程。 教師聯(lián)系社會科技，使學(xué)生認(rèn)同科學(xué)研究的意義，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)光合作用的生理機(jī)制。
構(gòu)建光合作用的概念 教師講述光合作用的概念 從光合作用的場所、反應(yīng)式、有關(guān)探究實驗、過程幾方面進(jìn)行講解，幫助學(xué)生理解光合作用的概念。 （1）光合作用的場所——葉綠體，結(jié)構(gòu)分為外膜、內(nèi)膜、類囊體和基質(zhì)。 （2）反應(yīng)式： 傾聽、記錄 通過對光合作用的細(xì)致講解，加深對光合作用概念的理解。
探索光合作用原理的部分實驗 光合作用有關(guān)實驗的討論 【科學(xué)史1——探究O2的來源】 引導(dǎo)學(xué)生閱讀思考討論第一段，根據(jù)反應(yīng)式猜測O2的來源（CO2、H2O、CO2和H2O）。 提出問題：基于上述資料，你對O2的來源有何猜想？ 【科學(xué)史2——希爾反應(yīng)】 引導(dǎo)學(xué)生閱讀思考討論第二段，給出反應(yīng)式： 提出問題： ①思考、為使離體的葉綠體保持活性，對懸浮液的要求是？ ②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(xué)反應(yīng)？ ③希爾反應(yīng)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 【科學(xué)史3——魯賓卡門實驗】 引導(dǎo)學(xué)生閱讀思考討論第三段，美國科學(xué)家魯賓和卡門用同位素示蹤的方法，研究了光合作用中O2的來源。 【科學(xué)史4——阿爾農(nóng)的發(fā)現(xiàn)】 引導(dǎo)學(xué)生閱讀思考討論第四段，給出阿爾農(nóng)用體葉綠體做實驗的實驗設(shè)計圖。 嘗試用示意圖來表示ATP的合成與希爾反應(yīng)的關(guān)系： 【科學(xué)史5——賈格道夫?qū)嶒灐?賈格道夫在黑暗處將離體葉綠體類囊體置于pH為4的酸性緩沖液中，使腔內(nèi)pH降低，然后將類囊體轉(zhuǎn)移至含有ADP和Pi的pH為8的酸性緩沖液中，發(fā)現(xiàn)有ATP的生成。 學(xué)生了解甲醛對植物有毒害作用，而且甲醛不能通過光合作用轉(zhuǎn)化為糖，猜想O2的來源可能是水。 閱讀科學(xué)史資料，回答問題：①等滲溶液；②能，因為懸浮液中沒有CO2，糖類合成時需要CO2中的碳元素。③不能，反應(yīng)體系中可以還存在其他氧元素供體。 分析魯賓卡門實驗，得出結(jié)論：光合作用釋放的氧氣中的氧元素全部來源于水，而并不來源于CO2。 學(xué)生基于上述資料，寫出此反應(yīng)的表達(dá)式：NADP++H++2e-→NADPH；ADP+Pi+能量→ATP。得出結(jié)論：結(jié)論：光照下，葉綠體可以合成ATP，這一過程總與H2O的光解相伴隨） 學(xué)生基于資料分析推理出：驅(qū)動ATP合成的動力來自類囊體膜內(nèi)外測的H+濃度差。 教師還原歷史情境，使學(xué)生像科學(xué)家一樣思考，提出質(zhì)疑、尋求證據(jù)、推理判斷、驗證假設(shè)、分析現(xiàn)象、得出結(jié)論。 學(xué)生真實完整地體驗了科學(xué)探究的過程，加深了對光反應(yīng)過程中物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)移的理解，進(jìn)而構(gòu)建次位概念“光反應(yīng)”，體會物質(zhì)與能量觀。
光反應(yīng)過程 【過渡】 光合作用的過程十分復(fù)雜，它包括一系列化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)是否需要光照，這些化學(xué)反應(yīng)可以概括地分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個階段。 ①光反應(yīng)階段 光反應(yīng)從光合色素吸收光能激發(fā)開始，經(jīng)過水的光解，電子傳遞，最后是光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，以ATP和NADPH的形式貯存。 教師引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建出光反應(yīng)的概念模型 學(xué)生基于上科學(xué)史的分析、推理、判斷，歸納總結(jié)出光反應(yīng)的大致過程在葉綠體結(jié)構(gòu)示意圖上標(biāo)注光反應(yīng)的場所、條件、物質(zhì)變化及能量轉(zhuǎn)化。 加深對光反應(yīng)過程中物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)移的理解，建立物質(zhì)與能量觀
暗反應(yīng)過程 ②暗反應(yīng)階段 CO2是如何轉(zhuǎn)變?yōu)樘穷惖模?【科學(xué)史6——卡爾文循環(huán)】 1946年，美國科學(xué)家卡爾文將14C標(biāo)記的CO2提供給小球藻，給予充足的光照，每隔一段時間取樣，并立即殺死小球藻，同時提取產(chǎn)物并分析，以追蹤14C的轉(zhuǎn)移路徑。照光30 s后，檢測到14C存在于幾十種化合物，縮短到5 s后，14C同時出現(xiàn)在C5、C6中。 提出問題：想要探究14C首先轉(zhuǎn)移到哪種化合物中，該怎么做？ 教師補(bǔ)充：卡爾文發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光照縮短至幾分之一秒時，發(fā)現(xiàn)90%的放射性物質(zhì)是C3 教師提問：14CO2的受體是哪種物質(zhì)？ 補(bǔ)充科學(xué)史：卡爾文經(jīng)過反復(fù)實驗，并未發(fā)現(xiàn)C2化合物。他還發(fā)現(xiàn)，在有光照和CO2供應(yīng)下，C3和C5的濃度很快達(dá)到飽和并維持穩(wěn)定，但含有放射性的糖類卻不斷增加。 教師提出問題：C5會是CO2的受體嗎？怎樣證明？ 補(bǔ)充科學(xué)史：卡爾文通過改變實驗條件，發(fā)現(xiàn)C5含量呈現(xiàn)規(guī)律性變化：當(dāng)停止CO2供應(yīng)時，C3含量急劇下降，C5含量急劇升高；當(dāng)恢復(fù)CO2供應(yīng)時，C3含量急劇升高，C5含量急劇下降。 教師講述卡爾文循環(huán)的簡要過程，展示流程簡圖，說明該過程所需要的酶以及發(fā)生場所是葉綠體基質(zhì)。 【引入前沿知識】 對于光合作用的研究一直是生命科學(xué)領(lǐng)域的熱點問題，2020年，我國科學(xué)家實現(xiàn)了CO2到淀粉人工合成的重大突破，播放視頻，讓學(xué)生了解相關(guān)研究 思考分析后，回答：不斷地縮短光照時間后，殺死小球藻，同時提取產(chǎn)物并分析。直到最終提取物中只有一種放射性產(chǎn)物，該物質(zhì)即是CO2轉(zhuǎn)化成的第一種產(chǎn)物。 基于上述實驗結(jié)果，學(xué)生得出結(jié)論：14C首先轉(zhuǎn)移至C3中，然后再轉(zhuǎn)移至C5和C6 分析推測：C5很有可能繼續(xù)參與反應(yīng)，被消耗，此過程是循環(huán)的。 討論，得出實驗的設(shè)計思路：停止供應(yīng)CO2，然后檢測C3和C5濃度的變化。 基于實證分析，演繹推理，寫出卡爾文循環(huán)的表達(dá)式： 觀看視頻，了解我國關(guān)于合成生物學(xué)的最新研究進(jìn)展，體會人工合成淀粉在解決糧食危機(jī)和全球變暖等問題上的前景 促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)發(fā)展離不開技術(shù)的支持，探索光反應(yīng)和暗反應(yīng)時都依靠了同位素標(biāo)記法，引導(dǎo)學(xué)生置身于科學(xué)歷史的氛圍中體悟科學(xué)家鍥而不舍、堅持不懈的精神！ 通過對視頻的分析，培養(yǎng)學(xué)生選擇和提取有用信息的能力并培養(yǎng)民族自豪感
光反應(yīng)和暗反應(yīng)的區(qū)別與聯(lián)系 教師: 水的光解為卡爾文循環(huán)提供了ATP和NADPH ，ATP和NADPH參與生成C3，C5，C6的過程。思考光合作用過程中光能是經(jīng)過怎樣的轉(zhuǎn)化儲存到糖類中的？ 教師: 教師展示光合作用過程中物質(zhì)變化的示意圖，引導(dǎo)學(xué)生嘗試說明光反應(yīng)與暗反應(yīng)在物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)化之間的聯(lián)系。 通過列表的方式，請同學(xué)們討論交流光反應(yīng)和暗反應(yīng)在所需條件、進(jìn)行場所、發(fā)生的物質(zhì)變化和能量轉(zhuǎn)化等方面有哪些區(qū)別？ 光反應(yīng)暗反應(yīng)所需條件必須有光有光或無光均可進(jìn)行場所類囊體膜葉綠體基質(zhì)物質(zhì)變化將水光解為O2和H+；有ATP和NADPH的合成有CO2的固定；C3的還原；同時有ATP和NADPH的分解能量轉(zhuǎn)化是將光能轉(zhuǎn)化為ATP和NADPH中的化學(xué)能將ATP和NADPH中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為有機(jī)物中穩(wěn)定的化學(xué)能
在物質(zhì)聯(lián)系方面：光反應(yīng)生成的ATP和NADPH供暗反應(yīng)C3的還原，而暗反應(yīng)為光反應(yīng)提供了ADP、Pi和NADP+。在能量聯(lián)系方面：光反應(yīng)為暗反應(yīng)提供了活躍的化學(xué)能，暗反應(yīng)將活躍的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為有機(jī)物中穩(wěn)定的化學(xué)能。 思考并回答：光能首先被色素吸收,轉(zhuǎn)化成ATP和NADPH中的化學(xué)能,再轉(zhuǎn)移到糖類等有機(jī)物中。 學(xué)生思考并自主完成比較，總結(jié)出光反應(yīng)和暗反應(yīng)的緊密聯(lián)系，能量轉(zhuǎn)化和物質(zhì)變化密不可分。 進(jìn)一步加深對兩個概念的理解，掌握光反應(yīng)和暗反應(yīng)之間的區(qū)別與聯(lián)系
小結(jié) 教師總結(jié)：首先，分析討論了探索光合作用過程的部分實驗。此外，重點學(xué)習(xí)了光合作用的光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個階段。在光反應(yīng)階段，光能被類囊體膜上的色素捕獲后，將H2O裂解為O2和H+等，形成ATP和NADPH，于是光能轉(zhuǎn)化為ATP和NADPH中的化學(xué)能。ATP和NADPH驅(qū)動在葉綠體基質(zhì)中進(jìn)行的暗反應(yīng)，將CO2轉(zhuǎn)變?yōu)閮Υ婊瘜W(xué)能的糖類等有機(jī)物。 聆聽、思考。 幫助學(xué)生理清學(xué)習(xí)脈絡(luò)，理解重要概念，深化物質(zhì)與能量觀，形成生命觀念
【板書設(shè)計】
光合作用的原理和應(yīng)用

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