資源簡介

碳反應(yīng)
一、教材分析
本節(jié)課選自浙科版高中生物必修1《分子與細(xì)胞》第3章第5節(jié)，是在完成了光合作用概述以及捕獲光能的色素、光反應(yīng)之后的內(nèi)容，依據(jù)新課標(biāo)，碳反應(yīng)是“植物細(xì)胞的葉綠體從太陽光中捕獲能量，這些能量在在二氧化碳和水轉(zhuǎn)變?yōu)樘桥c氧氣的過程，轉(zhuǎn)換并儲存為糖分子中的化學(xué)能”這一重要概念下的子概念，也可以具體表述為“碳反應(yīng)將CO2還原成糖，并將能量最終儲存在糖分子中”，本節(jié)課將圍繞此概念，以科學(xué)史和科學(xué)探究的思路展開，分析生產(chǎn)生活實(shí)踐材料，可培養(yǎng)學(xué)生社會責(zé)任意識。
二、學(xué)情分析
在本節(jié)課之前的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)掌握了“光合作用的概念”、“葉綠體從太陽光中捕獲能量的過程”及“光反應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，并產(chǎn)生氧氣”等內(nèi)容，為學(xué)生學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容提供良好的知識背景，學(xué)生雖然已有“光合作用能將CO2轉(zhuǎn)化為糖”的概念，但對具體CO2轉(zhuǎn)化為糖的過程，特別是這個過程當(dāng)中的物質(zhì)和能量變化的認(rèn)識還比較模糊。高一學(xué)生探究生活現(xiàn)象與規(guī)律的興趣較高，也具備一定的邏輯推理能力，使得探究活動的開展成為可能，但往往會對探究的目的性及過程和結(jié)論的形成缺乏理性的思考，這就需要教師的引導(dǎo)。故本節(jié)課教師可提供相關(guān)科學(xué)史情境，通過對科學(xué)家相關(guān)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，理解并強(qiáng)化概念。
三、教學(xué)目標(biāo)
1.通過重溫卡爾文科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)過程、探究CO2還原成糖的途徑，闡述碳反應(yīng)過程的物質(zhì)轉(zhuǎn)變和能量轉(zhuǎn)化過程，形成結(jié)構(gòu)與功能觀。（生命觀念）
2.通過構(gòu)建碳反應(yīng)過程的概念圖，以文字和圖示的方式說明碳反應(yīng)的過程，發(fā)展模型與建模的能力，根據(jù)概念圖分析條件變化使得五碳糖含量的變化，形成穩(wěn)態(tài)與平衡觀。（科學(xué)思維、生命觀念）
3.重走卡爾文探究碳反應(yīng)之路，親身體驗(yàn)科學(xué)探究的具體過程，領(lǐng)域科學(xué)探究的意義和價值所在。（科學(xué)探究、社會責(zé)任）
四、教學(xué)重難點(diǎn)
1.教學(xué)重點(diǎn)：碳反應(yīng)中的物質(zhì)變化和能量變化
2.教學(xué)難點(diǎn)：NADPH和ATP中的化學(xué)能如何轉(zhuǎn)化到糖分子中
五、教學(xué)過程
（一）提出問題，作出假設(shè)
在學(xué)生已建構(gòu)起光合作用整體概念的基礎(chǔ)上，教師提出問題：光合作用是如何將CO2轉(zhuǎn)化為糖的？學(xué)生通過分析CO2和糖都屬于含碳化合物，作出假設(shè)：CO2是通過許多中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為糖的，也可以將這個過程稱之為光合作用過程中碳的轉(zhuǎn)移途徑
【設(shè)計意圖】學(xué)生在此之前已經(jīng)掌握了光合作用的概念，對光合作用能將CO2轉(zhuǎn)化為糖的概念有著模糊的認(rèn)識，教師通過引導(dǎo)學(xué)生對其進(jìn)行分析，辨析其本質(zhì)上是碳的轉(zhuǎn)移過程，也會后續(xù)提出碳反應(yīng)的概念奠定基礎(chǔ)。
（二）設(shè)計實(shí)驗(yàn)，完成實(shí)驗(yàn)
教師提供背景資料：1912年赫維西提出同位素示蹤技術(shù)，1940年馬丁·卡門發(fā)現(xiàn)同位素14C，提供實(shí)驗(yàn)材料：小球藻，要求學(xué)生思考提出探究小球藻光合作用將CO2轉(zhuǎn)化為糖的過程，如何找出其中間產(chǎn)物？學(xué)生提出想法后，教師展示卡爾文的實(shí)驗(yàn)過程：將培養(yǎng)出來的小球藻放置在含有未標(biāo)記CO2的密閉容器中，然后將14C標(biāo)記的CO2注入容器，培養(yǎng)相當(dāng)短的時間之后，將小球藻浸入熱的乙醇中殺死細(xì)胞，使細(xì)胞中的酶變性而失效并提取到溶液里的分子，然后將提取物應(yīng)用雙向紙層析法分離各種化合物。再通過放射性自顯影技術(shù)分析上面的斑點(diǎn)，并與已知化學(xué)成份進(jìn)行比較。在雙向紙層析放射自顯影圖譜中鑒定出20余種帶有14C標(biāo)記的化合物,包括糖磷酸酯、有機(jī)酸和氨基酸等。
【設(shè)計意圖】教師先為學(xué)生提供同位素示蹤法的背景資料，實(shí)際上也是為學(xué)生設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案提供線索，學(xué)生通過自主思考得出實(shí)驗(yàn)方法后教師再將卡爾文的實(shí)驗(yàn)過程展示出來，能夠使學(xué)生對科學(xué)探究的過程有更深刻的體會。
（三）分析結(jié)果，得出結(jié)論
教師為學(xué)生提供達(dá)爾文實(shí)驗(yàn)的部分結(jié)果及數(shù)據(jù)：（1）0.5秒后取樣，發(fā)現(xiàn)放射性主要集中在三碳酸分子中。（2）2秒后取樣，放射性 70%仍集中在三碳酸中，還有三碳糖、葡萄糖、果糖等物質(zhì)中也存在放射性。（3）5秒后取樣，檢測到了更多帶14C標(biāo)記的化合物，如四碳糖、五碳糖、七碳糖、蔗糖、一些氨基酸等。學(xué)生自主思考，分析得出轉(zhuǎn)化過程可能是CO2到三碳酸到三碳糖，最后到葡萄糖等其他有機(jī)物。
教師進(jìn)一步描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，卡爾文在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將反應(yīng)時間縮短為幾分之一秒時,小球藻中只生成一種有放射性的物質(zhì)—一種三碳化合物,而隨著反應(yīng)時間延長,生成的放射性物質(zhì)種類不斷增加。如果在光下突然中斷CO2的供應(yīng)，三碳化合物的量急劇減少，而一種五碳化合物的量增加。如果反應(yīng)過程中突然停止光照， 則三碳化合物的濃度急速升高，而五碳化合物的濃度急速降低。卡爾文認(rèn)為碳反應(yīng)是一個循環(huán)反應(yīng)。提出問題：CO2在哪個環(huán)節(jié)加入反應(yīng)過程？ 能否推測NADPH和ATP在哪個環(huán)節(jié)被消耗？學(xué)生自主思考后得出CO2的受體很可能為五碳糖。要求學(xué)生以小組為單位，構(gòu)建卡爾文循環(huán)的過程，隨后教師提出碳反應(yīng)的概念。
【設(shè)計意圖】卡爾文的探究過程十分復(fù)雜，受條件和時間限制，在課堂中只能由教師提供資料數(shù)據(jù)讓學(xué)生分析，也正是因?yàn)槿绱耍浞煮w現(xiàn)出科學(xué)探究的不易之處，讓學(xué)生體會到科學(xué)探究的歷程是充滿艱辛的。學(xué)生自主對物質(zhì)的轉(zhuǎn)化順序進(jìn)行分析，發(fā)展基于科學(xué)事實(shí)進(jìn)行推理的能力。課堂中問題的設(shè)置也是模擬了科學(xué)探究的一般過程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和數(shù)據(jù)分析能力。
（四）完善新知，建構(gòu)概念
教師繼續(xù)提供資料：（1）部分三碳糖可以經(jīng)過復(fù)雜的變化轉(zhuǎn)變?yōu)槲逄继牵?）1954年，美國科學(xué)家阿爾農(nóng)用離體的葉綠體做實(shí)驗(yàn)，在有光照和無CO2的條件下，當(dāng)向反應(yīng)體系中供給ADP、Pi和NADP+時，體系中會有ATP和NADPH產(chǎn)生。在黑暗條件下，只要提供了ATP和NADPH，葉綠體也能將CO2轉(zhuǎn)變?yōu)樘穷悺?957年他發(fā)現(xiàn)這一過程總是與水的光解相伴隨。（3）科學(xué)家們深入研究了碳反應(yīng)所需的多種酶，發(fā)現(xiàn)它們都位于葉綠體基質(zhì)中。提出問題：（1）碳反應(yīng)的場所是什么？（2）碳反應(yīng)所需的氫和能量分別由什么物質(zhì)提供？（3）三碳糖的去向是什么？學(xué)生以小組為單位討論問題，得出結(jié)論，構(gòu)建起碳反應(yīng)的概念。
【設(shè)計意圖】在這一環(huán)節(jié)中，學(xué)生以小組為單位進(jìn)行討論交流，解答問題，充分鍛煉了學(xué)生交流與合作的能力。通過碳反應(yīng)過程概念圖的構(gòu)建，進(jìn)一步提升學(xué)生模型和建模的科學(xué)思維，同時也對碳反應(yīng)過程中物質(zhì)和能量的變化有了更深刻的理解。
六、形成性評價
以文字和圖示的方式，在下方構(gòu)建卡爾文循環(huán)的過程。
七、板書設(shè)計

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