5.4 光合作用的原理和应用 教学设计

第五章　光合作用与能量转化
第4节　光合作用的原理和应用
一、教材分析：
《光合作用的原理和应用》是人教版高中生物【生物】新人教版一《分子与细胞》第5章第4节的第二课时的内容。“光合作用”一节在绿色植物的新陈代谢以及整个生态系统的物质循环和能量流动中，具有十分重要的意义。主要学习光合作用的概念和过程原理。教材结合鲁宾、卡尔文等科学家的实验，介绍了同位素标记法这一生物学经常使用的研究方法。
二、学情分析：
学生对光合作用的反应物、生成物及意义在初中进行了浅浅的学习认知，但是其中很多的化学变化，高一新生在“有机化学知识”方面是近乎空白的，同时在物理的“能量转换和守衡”知识方面也没学过，对于生物学中的物质和能量观也未形成，要求我们授课时能够尽量运用浅显的语言、直观的图解、恰当的问题引导学生分析和解决问题，降低理解这部分知识的难度。通过学习不仅要让学生通过该阶段相关实验研究的思考和讨论，阐明光合作用的光反应和暗反应的机理，更重要的是培养学生善于思考的学习习惯，在比较两个过程的学习中认识到光合作用是光反应和暗反应的综合过程，认同人类对光合作用的认识过程是逐步的、不断发展的。
教学目标：
1.分析光合作用的过程，比较光反应和暗反应。
2.分析影响光合作用的环境因素。
3.举例说明光合作用原理的实践应用。
教学重难点：
1、教学重点：
（1）阐明光合作用的原理。
（2）说出光合作用原理中的物质和能量变化。
（3）探究环境因素对光合作用的影响。
（4）理解光合作用原理在生产实践中的应用。
2、教学难点： 光合作用过程中物质和能量的变化及相关关系
五、教学过程：
课堂引入：上海世博会上的一款叶子概念车图片，设问：这款叶子概念车的动力原理是什么？请用你学过的知识合理解释它为什么不需要使用汽油呢？
学生：积极思考，回忆光合作用汽车的动力原理，从而激发学生的兴趣。
（一）、光合作用的概念和总反应式
引导学生回忆并说出光合作用的概念和总反应式。
设问：光合作用是如何实现利用二氧化碳和水来合成有机物和氧气的呢？
课件展示：叶绿体结构模式图。
承上启下：1.在叶绿体这个细胞器上是如何完成这样一个看似简单的氧化还原反应的呢？
2.叶绿体中的色素在光合作用过程中有没有作用？有何作用？
3.光如何起作用？
4.物质如何转变？
5.能量为何这么转变？……
带着这些问题，我们一起来学习光合作用的原理。
（二）、光合作用的原理
关于光合作用的原理，很多的科学家都经过很长时间的研究，本节课让我们利用众多的科学家的研究事实共同推理验证光合作用的发生原理。
问题设置，激发学生参与：
问题1：光在光合作用过程中如何起作用
课件展示资料1：1937年，英国植物学家希尔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，该化学反应称为希尔反应。
结论：在光下，叶绿体能将水分解成O2和[H]。
课件展示资料2：1954年，美国阿尔农等用离体的叶绿体做实验。在给叶绿体照光时发现，当向反应体系中供给ADP、Pi和H受体时，体系中就会有ATP和[H]产生。
结论：在光下，叶绿体中生成了ATP和[H]。
讲述：通过上述的事实可以推论出光反应的最终产物有O2、ATP、NADPH，该反应是需要在光照条件下才能发生。
问题1：问题2：
设问：光反应我们了解了，那么光合作用是如何将CO2合成糖类的呢？
问题2：光反应的场所是叶绿体的哪里？为什么？
该过程中光能的作用是什么？能量变化是怎样的？
让学生尝试着回答
（光反应是发生在类囊体膜上，因为类囊体上分布有众多色素和酶。）
（光能的作用有两个方面，一方面使水在光下分解，储存部分能量到NADPH;另一方面是在酶的催化下提供能量促使ADP与Pi形成ATP。）
总结：在光下，叶绿体中发生的2个反应：水的光解、ATP的形成。
分析：这两个反应的场所在哪？推断原因？整个过程中能量如何转变？形成的ATP和[H]有什么作用呢？
问题3：在光下叶绿体反应产生的ATP和[H]有什么用呢？
课件展示资料3：1954年，美国阿尔农等用离体的叶绿体继续做实验。在黑暗条件下，只要供给了ATP和[H]，叶绿体就能将CO2转变为糖。
结论：在黑暗条件下，ATP和[H]是CO2转化为糖的必要条件。
问题4：CO2转变成糖类等有机物的反应究竟如何进行？
课件展示资料4：从1946年开始，美国的卡尔文等研究了小球藻等植物进行光合作用时CO2转化为糖类的路线。他们向反应体系中充入一定量的14CO2 ，光照30秒后检测产物，检测到了多种带14C标记的化合物。将光照时间逐渐缩短至几分之一秒时发现， 90％的放射性出现在一种三碳化合物（C3）中。在5秒钟的光照后，卡尔文等同时检测到了含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖（C6）。
结论：C的转移路径是
课件展示资料5：卡尔文及其同事们在实验过程中发现，在有光照和CO2供应的条件下，C3和C5的浓度很快达到饱和并保持稳定。但是，当改变其中一个实验条件后，二者的浓度迅速出现了规律性的变化：停止CO2供应时，C3的浓度急速降低，C5的浓度急速升高。停止光照时，C3的浓度急速升高，C5的浓度急速降低。
分析：C3、C5浓度变化的原因。
课件展示：卡尔文循环示意图
总结：光反应和暗反应的物质变化和能量变化。
问题5：CO2转变成糖类等有机物的反应在哪里进行？
课件展示资料6：用温和方法分离得到的叶绿体结构完整，这样的叶绿体能够完成整个光合作用，包括CO2的固定和糖类的生成。用剧烈方法分离得到的叶绿体含有很少或者根本没有叶绿体基质。这样的叶绿体能在光下产生O2、ATP、[H]、但是不能固定CO2。
结论：CO2的固定和糖类的生成场所在叶绿体基质。
结合以上的6个资料推论，尝试用文字、符号和箭头构建模型。
(投影5个推论）
光
（学生展示成果，师生共同修正）
设问：光合作用过程中物质变化和能量变化是怎样联系的呢？
下面我们通过列表归纳和比较光反应和暗反应，找找两者的区别和联系：
光反应 暗反应
条件 光、色素、酶 酶
场所 叶绿体类囊体膜上 叶绿体基质
物质变化 2H2O 4H+ +O2+4e-ADP+Pi+能量 ATPH+ +2e-+NADP+ NADPH CO2+C5 2C32C3 C5+（CH2O) ATP ADP+Pi+能量NADPH H+ +2e-+NADP+
能量变化 光能→ATP和NADPH活跃的化学能 ATP和NADPH活跃的化学能→有机物中稳定的化学能
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NADP+
实质 两者实质相同：都是合成物质，储存能量。
设问：光合作用对于生物来说有什么意义呢？
（三）光合作用的意义
讲述：光合作用产生的有机物不仅供植物自身利用，还养活了你我在内的所有异养生物。光能通过驱动光合作用而驱动着生命世界的运转。
（四）光合作用原理的应用
1．光合作用强度
(1)概念：植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。
(2)表示方法：用一定时间内原料消耗或产物生成的数量来定量表示。
(3)影响因素
①光合作用的原料——水、CO2。
影响CO2供应的因素：环境中CO2浓度和叶片气孔开闭情况等。
②动力——光能。
③场所——叶绿体。
影响叶绿体的形成和结构的因素：无机营养和病虫害。
④酶：影响酶活性的因素，如温度。
3．在生产实践中的应用
实例 原理
间作套种 不同植物对光照的需求不同
冬季大棚温度白天适当提高，晚上适当降低 白天提高温度，促进光合作用，夜间降温，抑制呼吸作用
“正其行、通其风” 增大CO2浓度，有利于光合作用的进行
合理灌溉 水缺少导致气孔关闭，CO2供应不足
六、随堂练习：
1．在实验室中，如果要测定藻类植物是否完成光反应，最好是检验其(　　)
A．氧气的释放量 B．ATP的生成量
C．二氧化碳的消耗量 D．葡萄糖的合成量
2．用同位素分别标记二氧化碳和水，做了如下实验，就实验结果、结论的叙述不正确的是(　　)
A．结果：物质A和物质B都是氧气
B．结果：物质A和物质B均无放射性
C．结论：物质A和物质B的相对分子质量之比为9∶8
D．结论：光合作用释放的氧气中氧元素来源于水
3．某科学家用含14C的二氧化碳来追踪光合作用中碳原子转移途径，能正确表示碳原子转移途径的是(　　)
A．CO2→叶绿素→ADP B．CO2→C3→葡萄糖
C．CO2→酒精→葡萄糖 D．CO2→叶绿素→ATP
4．光合作用是生物界最基本的物质代谢和能量代谢。如图为绿色植物光合作用图解，下列叙述正确的是(　　)
A．①是光合色素，分布在细胞质基质中
B．②是氧气，在类囊体薄膜上产生
C．③是C5，能被还原为(CH2O)
D．④是ATP，在叶绿体基质中生成
5．光合作用过程包括光反应和暗反应，下图表示光反应与暗反应的关系，据图判断下列叙述不正确的是(　　)
A．光反应为暗反应提供ATP和NADPH
B．停止光照，叶绿体中ATP和NADPH含量下降
C．ATP的移动方向是由类囊体薄膜到基质
D．植物在暗处可大量合成(CH2O)
ATP、NADPH