5.4光合作用的原理和應(yīng)用教案2022-2023學(xué)年高一上學(xué)期生物人教版必修1

《光合作用的原理》教學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容分析《光合作用的原理》是人教版高中《生物學(xué)·必修1·分子與細(xì)胞》第5章“細(xì)胞的能量供應(yīng)和利用”的第4節(jié)第2課時(shí)內(nèi)容，分為光合作用的原理和應(yīng)用兩部分，根據(jù)學(xué)情計(jì)劃分別用兩個(gè)課時(shí)完成。主要的目的是認(rèn)識(shí)細(xì)胞生命活動(dòng)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(zhuǎn)化。結(jié)合本章第3節(jié)“細(xì)胞呼吸的原理和應(yīng)用”，共同體現(xiàn)生命系統(tǒng)的物質(zhì)與能量觀。學(xué)情分析授課對(duì)象是高一學(xué)生，學(xué)生通過對(duì)前面知識(shí)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(shí)，在初中階段的學(xué)習(xí)已經(jīng)對(duì)光合作用有了大體的認(rèn)識(shí)，如“光合作用制造氧氣，制造營養(yǎng)”，但是學(xué)生對(duì)光合作用詳細(xì)的過程有待深入探究。高中學(xué)生具備了一定的觀察、認(rèn)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(xué)過程中，應(yīng)創(chuàng)設(shè)學(xué)生活動(dòng)的機(jī)會(huì)，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)活動(dòng)的主體。教學(xué)目標(biāo)及重難點(diǎn)《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確要求學(xué)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(xué)要向?qū)W生滲透和闡釋的一項(xiàng)重要的生命觀念。依據(jù)上述要求，結(jié)合學(xué)生學(xué)情，制訂本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)如下。闡明光反應(yīng)和暗反應(yīng)階段的物質(zhì)和能量變化；認(rèn)同細(xì)胞生命活動(dòng)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(xué)史資料，在問題串的驅(qū)動(dòng)下不斷進(jìn)行小組合作探究，進(jìn)行光合作用概念的模型建構(gòu)，深化對(duì)概念的理解，培養(yǎng)搜集處理信息以及表達(dá)交流能力，發(fā)展科學(xué)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(jié)合，對(duì)現(xiàn)實(shí)問題進(jìn)行科學(xué)分析，學(xué)會(huì)科學(xué)解決現(xiàn)實(shí)生活中的問題，擔(dān)負(fù)社會(huì)責(zé)任。教學(xué)策略本節(jié)課通過分析科學(xué)家研究光合作用的科學(xué)史資料，在問題串的不斷驅(qū)動(dòng)下，引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)光合作用的概念模型，理解光合作用的原理，提高學(xué)生解決問題的能力，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。同時(shí)認(rèn)同綠色植物在改善環(huán)境方面的重要性，形成生態(tài)意識(shí)，生成社會(huì)責(zé)任。教學(xué)過程總體設(shè)計(jì)思路如下：從光合作用的總反應(yīng)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(chǔ)存到有機(jī)物中的呢？”。通過引導(dǎo)學(xué)生分析希爾反應(yīng)、魯賓和卡門實(shí)驗(yàn)得出氧氣僅來自于水的結(jié)論，并進(jìn)一步根據(jù)阿爾農(nóng)和賈格道夫的實(shí)驗(yàn)分析并推理光反應(yīng)過程，教師結(jié)合視頻講解強(qiáng)化后師生共同總結(jié)光反應(yīng)過程的物質(zhì)和能量變化。通過引導(dǎo)學(xué)生分析討論卡爾文實(shí)驗(yàn)，逐步認(rèn)識(shí)二氧化碳還原成糖類的過程，總結(jié)暗反應(yīng)過程的物質(zhì)和能量變化，并依據(jù)阿爾農(nóng)的實(shí)驗(yàn)建立其與光反應(yīng)的聯(lián)系。最后引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)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(jié)合，使學(xué)生形成生態(tài)意識(shí)，生成社會(huì)責(zé)任。具體教學(xué)過程如下：【課前準(zhǔn)備】提前把學(xué)案給課代表，并讓其發(fā)給每位同學(xué)。教師提前進(jìn)入錄播教室打開多媒體課件并確認(rèn)課件能夠正常打開，圖片能夠正常顯示，視頻可以流暢播放。【導(dǎo)入新課】溫故知新，提出問題教師：在初中階段大家就學(xué)習(xí)過光合作用，現(xiàn)在請(qǐng)大家回顧初中所學(xué)知識(shí)，談?wù)剬?duì)光合作用的理解。（教師注意引導(dǎo)從原料、產(chǎn)物和條件等方面考慮）學(xué)生活動(dòng)：請(qǐng)一位學(xué)生回答，其他學(xué)生補(bǔ)充，復(fù)習(xí)初中階段光合作用的概念。（預(yù)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(zhuǎn)化成儲(chǔ)存著能量的有機(jī)物，并且釋放出氧氣的過程。）教師：那光合作用如何用化學(xué)式來表示呢？請(qǐng)大家完成學(xué)案上光合作用總反應(yīng)式的書寫。（下去看大家寫的情況并請(qǐng)一位學(xué)生在黑板上進(jìn)行書寫）。設(shè)問：那CO2和H2O是如何合成（CH2O）和O2的呢？光能又是怎樣儲(chǔ)存到有機(jī)物中的呢？這是我們今天主要探究的兩個(gè)問題。我們先來解決第一個(gè)問題，O2的來源有哪些可能？學(xué)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(jì)，跟隨科學(xué)家的腳步來解決這一問題。【光合作用研究--希爾反應(yīng)】（PPT展示“希爾反應(yīng)”材料，自主閱讀學(xué)案材料并回答問題）教師：請(qǐng)大家自主閱讀學(xué)案上“希爾反應(yīng)”的材料，思考并完成學(xué)案上的希爾實(shí)驗(yàn)表達(dá)式。（給1min時(shí)間，請(qǐng)1位同學(xué)分享）教師：反應(yīng)式的產(chǎn)物之一是O2，另一個(gè)產(chǎn)物如何確定？學(xué)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(shí)驗(yàn)是否說明水的光解與糖類的合成不是同一個(gè)化學(xué)反應(yīng)？學(xué)生：能，因?yàn)閼腋∫褐袥]有CO2，糖類合成時(shí)需要CO2中的碳元素。教師：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？學(xué)生：不能，反應(yīng)體系中可以還存在其他氧元素供體。（該實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)移。）教師：希爾實(shí)驗(yàn)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(xué)生：同位素標(biāo)記法。教師：那當(dāng)初的科學(xué)家為了探究O2的來源也是運(yùn)用了同位素示蹤的方法，我們來看看他們的實(shí)驗(yàn)是怎么做的？【光合作用研究--魯賓和卡門實(shí)驗(yàn)】教師：（詳細(xì)講解）1941年，美國科學(xué)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(biāo)記H2O和CO2，使它們分別變成H218O和C18O2。隨后，進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn)：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(shí)驗(yàn)結(jié)果，能得出什么結(jié)論？學(xué)生：光合產(chǎn)物氧氣中的氧全部來自于原料中的水。教師：（對(duì)學(xué)生回答進(jìn)行評(píng)價(jià)）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(shí)驗(yàn)】（PPT展示阿爾農(nóng)實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生閱讀學(xué)案上的材料二并完成思考題）教師：從阿爾農(nóng)的實(shí)驗(yàn)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(yīng)。NADPH的形成過程需要?dú)潆x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(xué)習(xí)了ATP是細(xì)胞能量的“貨幣”，所以在物質(zhì)變化的同時(shí)，能量也從光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能暫時(shí)儲(chǔ)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(gè)能量來自哪里呢？是直接由光能轉(zhuǎn)化的嗎？還是有其他的能量形式呢？我們先來看一個(gè)實(shí)驗(yàn)?！竟夂献饔醚芯?-賈格道夫的實(shí)驗(yàn)】教師講解實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)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(shí)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(zhuǎn)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(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：A組檢測到有ATP生成，B組未檢測到ATP生成。請(qǐng)大家以小組為單位，思考并討論完成學(xué)案上的3個(gè)思考題。（5min）本實(shí)驗(yàn)的自變量是什么？因變量是什么？分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可得出什么結(jié)論？在葉綠體內(nèi)，類囊體膜通過__________（主動(dòng)運(yùn)輸/協(xié)助擴(kuò)散/自由擴(kuò)散）的方式才能創(chuàng)造其兩側(cè)的H+濃度差。教師：那我們來回憶一下，主動(dòng)運(yùn)輸發(fā)生的條件。主動(dòng)運(yùn)輸是在逆濃度梯度下，借助載體蛋白和細(xì)胞內(nèi)化學(xué)反應(yīng)所釋放的能量發(fā)生的?？墒沁@里H+的運(yùn)輸用的是什么能量呢？我們來看光反應(yīng)的過程就能明白了?！竟夂献饔醚芯?-光反應(yīng)詳解】教師結(jié)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(jìn)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(gòu)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(cè)的H+濃度高于膜外側(cè)（膜內(nèi)側(cè)的H+類似于水壩高處的水，具有勢能）。類囊膜對(duì)H+是高度不通透的，H+只能從ATP合成酶的通道進(jìn)入基質(zhì)中。H+從ATP合成酶中滲透出去，使ADP結(jié)合，生成ATP，由此H+勢能轉(zhuǎn)變?yōu)锳TP中的化學(xué)能（類似于水壩高處的水流向低處，帶動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能）失去電子的特殊葉綠素a向另一蛋白D1特殊位點(diǎn)奪取電子，該蛋白繼而向水分子奪取電子，同時(shí)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?cè)賮碛^看一個(gè)視頻，深化理解這個(gè)過程。（觀看視頻過程中教師進(jìn)行講解）教師：我們一起來總結(jié)一下光反應(yīng)階段物質(zhì)和能量的變化。（PPT展示） 教師：至此我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)了H2O形成O2的過程和光能轉(zhuǎn)化為ATP和NADPH中的化學(xué)能過程，那CO2是如何合成（CH2O）的？ATP和NADPH中的化學(xué)能是怎樣儲(chǔ)存到有機(jī)物中的呢？20世紀(jì)40年代，卡爾文和他的同事利用小球藻作為實(shí)驗(yàn)材料研究了（CH2O）的合成過程。（介紹實(shí)驗(yàn)裝置和卡爾文實(shí)驗(yàn)過程，PPT展示實(shí)驗(yàn)裝置）師生共同討論后，教師總結(jié)：卡爾文和他的團(tuán)隊(duì)花了近10年的時(shí)間，最終證實(shí)了暗反應(yīng)的確是一個(gè)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(gè)復(fù)雜的過程，需要多種方法巧妙配合?？栁囊蜻@一偉大發(fā)現(xiàn)而獲得了諾貝爾獎(jiǎng)?？栁难h(huán)呈現(xiàn)了C的轉(zhuǎn)移路徑，即有機(jī)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(shí)驗(yàn)繼續(xù)研究。PPT展示補(bǔ)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(zhuǎn)變?yōu)樘穷?，同時(shí)ATP和NADPH的含量急劇下降。學(xué)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(zhuǎn)化儲(chǔ)存到糖類中的？學(xué)生：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。總結(jié)暗反應(yīng)過程中物質(zhì)和能量的變化?！緲?gòu)建光合作用過程】——通過小組合作，自主構(gòu)建光合作用過程教師：請(qǐng)根據(jù)本節(jié)所學(xué)內(nèi)容，在學(xué)案上構(gòu)建光合作用的過程圖。學(xué)生分組討論交流，完成學(xué)案。5min后，兩名學(xué)生在黑板上共同完成過程圖的繪制?！菊n后作業(yè)】在理解光合作用原理的基礎(chǔ)上，思考哪些因素會(huì)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(yīng)用?關(guān)注全球氣候問題，搜集有關(guān)“碳中和”的資料，思考我們可以為早日實(shí)現(xiàn)“碳中和”做什么努力？從以上內(nèi)容中任選