第五章第4节 能量之源——光与光合作用
二、光合作用的原理和应用
光合作用的探究历程
教学设计
授课教师：柯长茂
授课班级：K一7
时间：2015年12月11日
一、课程目标
1．科学价值：
（1）光合作用探究历程中体现的科学方法
（2）说出光合作用的原料、产物、条件和反应场所。
（3）学会运用科学探究的手段发现问题、解决问题，发展科学探究能力
2．人文价值：
（1）领悟科学方法，提高科学探究能力。培养学生科学素养和逻辑思维能力
（2）体验科学探究历程，体会科学概念是在不断观察、实验、探索和争论中形成；
（3）认同科学家不仅要继承前人的科研成果，而且要善于吸收不同学科中的有关知识，还要具有质疑、创新及勇于实践的科学精神和科学态度；
（4）认识到技术的发展在科学研究中的作用，尊重科学且用发展的观点看待科学、树立辨证的科学观。
二、核心概念
光合作用
三、问题思辨
光合作用的思考起源于亚里士多德，他认为植物营养来源于“土壤汁”，海尔蒙特通过柳树实验否定了这一观点，并提出植物营养来自水。但海尔蒙特也忽略了别的因素，植物不光可以从土壤中获得物质，同样可以从空气中获得。普利斯特利通过实验证明了植物可以更新空气，然而他也忽略了光在其中的作用。英格豪斯通过重复普利斯特利的实验发现了植物需要在有光的条件下才能更新空气。之后，随着人类对空气组成的了解逐步深入，我们认识到植物吸收的是二氧化碳，产生的是氧气。梅耶依据能量守恒定律提出植物生长的能量来自光能，同时也指出光合作用会存在一种物质来承载光量转变而来的化学能。萨克斯的半叶法实验则证明了光合作用还可以产生淀粉。恩格尔曼通过精巧的实验运用显微镜观察好氧菌在水棉周围的分面，证明光合作用的场所在叶绿体上。之后同位素标志法的出现，鲁宾和卡门进一步证明了产生的氧气来源于水。卡尔文运用相同的办法发现了碳在植物光合作用中的途径。至此，光合作用的过程基本被大家所熟知，然而光合作用的探究历程并未就此停止，人类对它的探索还在不断加深。
四、知识建构
1.知识与思想建构
(1)通过设置问题情境，学会提出假设、并设法求证的科学研究方法。
(2)运用其中的科学方法, 解释一些光合作用现象，提高科学探究能力。
2.问题解决方案
问题陈述
活动预期
活动设计
设计实验证明在有光条件下光合作用才能产生氧气
学生加深对对照实验的理解及单一变量的控制，以及实验的设计思想
学生先独立完成，再让学生展示答题思维过程，教师适时点拔。
半叶法测得的两部分叶片重量的差值代表的内容。
学生通过运用半叶法解决实验探究的问题，以加深对半叶法内涵的理解和应用能力的加强。
用不同放射量的水和二氧化碳供给植物，请回答光合作用产生的水的放射性大小。
通过对光合作用本质的思考加深对光合作用内涵的理解。
五、教学设计：
第一课时 光合作用的探究历程
(一)预习检查、总结疑惑
检查落实了学生的预习情况并了解了学生的疑惑，使教学具有了针对性。
（二）情景导入、展示目标。
【多媒体】展示一组优美的配乐风景图片。
【教师】植物的每一片绿叶就好像是一个 “绿色工厂”源源不断地生产者有机物。在自然界中绿色植物随处可见，你看到过植物正在进行光合作用吗？没有。那么，科学家们到底是怎样发现光合作用这一生理过程的呢？（创设问题情境，激发兴探究兴趣，导入新课。）
【教师】这节课我们就来学习光合作用的探究历程。我们来看本节课的学习目标。多媒体展示学习目标，强调重难点。
（三）合作探究、精讲点拨。
1. 植物为什么会生长的探究：
（1）亚里士多德的观点：
【教师】植物种在土壤，能不断的生长。植物为什么会生长呢？如果你是公元前的某个人你可能会怎样想？
【学生推测】植物种在土壤，植物的生长当然来源于土壤。
【教师】公元前3世纪，古希腊学者亚里士多德以为，小小的种子之所以能够长成参天大树，完全依靠于土壤。果真是来自土壤吗？我们要分析是怎样得出此结论的。
【学生思考后回答】亚里士多德的结论实际上只是一个经验上的推测，并没有进行相应的科学实验。（使学生认识科学的生物学结论的得出需要严谨得科学实验位基础。）
（2）海尔蒙特的实验:
【多媒体】展示材料1（图片和文字）：海尔蒙特的实验过程。
【教师】如果亚里士多德的结论是正确的，你推测一下，5年后柳树增加的重量与土壤减少的重量是怎样的关系？（让学生学会科学推测。）
学生推测后，教师展示海尔蒙特的实验结果：柳树重量增加了73.7kg而土壤只减少了约0.06 kg。
根据这一事实海尔蒙特会提出什么观点？ 据你了解该结论完全正确吗？
（培养学生分析问题和交流的习惯和能力，以及面对现象提出合理假设的能力。）
【学生讨论并回答】1.海尔蒙特根据试验得出的观点：建造植物体的原料是水分。
2.当时他没有考虑到空气的作用。
2.植物放出氧气之谜的探究：
【教师】是谁首先想到植物的生长与空气的作用有关的呢？1771—1777年，英国科学家约瑟夫·普利斯特利。
【多媒体】展示材料2：普利斯特利的实验图示。
由重复了普里斯特利实验的部分兴趣小组同学结合图示讲解实验过程、实验现象。
【教师】这个实验说明了什么问题呢？
【学生分析回答】植物能够净化因燃烧或呼吸而变混浊的空气。
【多媒体】展示材料3：
当时又有多位科学家参照普利斯特利的实验过程重复实验，却发现他们的实验结果有时与普利斯特利相同，但也有很多时候与普利斯特利不同，甚至是完全相反的，即与植物同时放在密闭钟罩中的蜡烛熄灭的时间比不与植物同时放在密闭钟罩中的蜡烛熄灭得更快；与植物同时放在密闭钟罩中的小鼠比不与植物同时放在密闭钟罩中的小鼠存活时间更短。由此他们认为植物也能是空气变污浊。
【教师】这又是什么原因？
【学生分析讨论并回答】没有认识到光在其中的关键作用。（培养学生严谨的科学态度。）
【教师】是谁发现了光在其中的关键作用？
【多媒体】展示材料4：
1779年，荷兰的英根豪斯做了500多次植物更新空气的实验，结果发现：普利斯特利的实验只有在光下才能成功；植物体只有在光下才能更新污浊的空气。
【教师】由于当时科学发展水平的限制，普利斯特利仅仅联想到植物可以更新空气，但不知道是空气中的哪种成分在起作用，也没有认识到光在其中的关键作用。直到1785年，化学家们发现了空气的组成，人们才明确植物在光下吸收的是CO2，放出的是O2。
（使学生体会科学的研究需要不懈的努力，认识科学是逐渐发展的过程，不同学科在科学发展过程中相互促进。）
3.植物进行光合作用的条件、产物和场所的探究：
（1）光合作用的条件、产物探究：
【教师】光是植物光合作用的必要条件。那么在这个过程中光能到哪里去了？
1845年，德国科学家梅耶指出：植物在进行光合作用时，把光能转换成化学能储存起来。
【教师】光能转换成化学能，贮存于什么物质中？ 部分兴趣小组的同学进行了探究。
【多媒体】展示材料5：部分兴趣小组的同学重复萨克斯实验实验的录像
【教师】为什么对天竺葵先进行暗处理？ 为什么让叶片的一半曝光，另一半遮光呢？这个实验的说明什么问题？
【学生回答】暗处理是为了将叶片内原有的淀粉耗尽。部分遮光部分曝光，是为了进行对照。碘遇淀粉变蓝，结果证明绿叶在光下制造了淀粉；光合作用需要光。
（进行实验设计能力的培养。）
（2）光合作用场所的探究：
【教师】1880年，德国的又一位科学家恩吉尔曼也进行了一个光合作用的实验。
【多媒体】展示材料6（图片和文字结合）：恩吉尔曼的水绵实验过程和现象
【教师】简介水绵和好氧型细菌的特点。
提问： ①为什么选用水绵做为实验材料？②为什么选用黑暗并且没有空气的环境？③为什么先用极细光束照射水绵，而后又让水绵完全曝露在光下？④好氧细菌集中于叶绿体所有受光部位的周围，这说明了什么问题呢？
【学生分析资料讨论回答】①选用水绵作为实验材料，是因为水绵不仅有细而长的带状叶绿体，而且螺旋分布于细胞中，便于进行观察和分析研究。②先选用黑暗并且没有空气的环境，是为了排除实验前环境中光线和氧的影响，确保实验的准确性。③先选极细光束，用好氧细菌检测，能准确判断水绵细胞中释放氧的部位；而后用完全曝光的水绵与之做对照，从而证明了实验结果完全是光照引起的，并且氧是由叶绿体释放出来的。④氧是由叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。（培养学生分析问题和语言表达能力。）
【教师】恩吉尔曼的实验巧妙地证明了光合作用的场所是叶绿体。
通过上述探究历程，可以归纳光合作用是怎样过程？
【学生】归纳得出光合作用的概念、反应式： CO2 + H2O——→(CH2O) + O2
4.释放的O2 来自于H2 O还是CO2、有机物是如何合成的探究：
（1）释放的O2 来自于H2 O还是CO2探究：
【教师】光合作用释放出的氧气到底来自水，还是二氧化碳？
可以提示：在绪论中曾介绍的同位素示踪法，应标记哪一种元素？如何设计这个实验呢？
【学生讨论设计】用氧的同位素18O分别标记 H2O和CO2，使它分别成为H218O和C18O2，然后进行两组光合作用的实验：第一组向绿色植物提供H218O和CO2；第二组向同种绿色植物提供H2O和 C18O2。在相同的条件下，对两组光合作用实验释放出的氧进行分析。
【多媒体】展示实验结果：第一组释放的氧全部是18O2，第二组释效的氧全部是O2。
结论：光合作用中释放的氧全部来自水。
（2）有机物是如何合成的探究：
【教师】由原先写的光合作用的化学表达式，提问产物（CH2O）中C来自反应物中的什么?怎样研究其形成有机物的过程？
【学生】借鉴鲁宾和卡门的实验，很快想到用同位素示踪法。
【多媒体】展示材料7：20世纪40年代美国科学家卡尔文实验的过程，最终探明了碳转化成有机物中碳的过程，称为卡尔文循环。
5.近代科学家对光合作用的研究：
【多媒体】展示材料8：部分兴趣小组学生收集的近代科学家对光合作用的研究、因光合作用的研究获得诺贝尔奖的科学家，并由兴趣小组学生进行简单介绍。例如:1954年D.I.阿尔农的循环光合磷酸化的研究；英国的R.希尔光反应系统的研究；1982年西德生化学家H.米舍尔生物膜上的色素复合体的成功分离； 德国的蛋白质晶体结构分析专家R.休伯和J.戴维森这个复合体的复杂的蛋白质结构的测定等。
并引导学生分析预测光合作用的研究对农业、能源、国防、军事、航天等领域的重要作用，对人们生产、生活的影响。
6.对科学家对光合作用探究历程的归纳：
（1）在多媒体上对光合作用的探究历程中主要科学家、年代、研究结论等内容进行列表归纳。
【教师】从1771年至今科学家们历经三百多年，才对光合作用的生理过程有了比较清楚的认识。可见，科学的发展道路是很艰难，这里不仅包含着科学家们的艰辛劳动与智慧，还与社会科学技术的进步与发展密切相关。科学的结论来源于长期科学的研究。
（2）由上述实验归纳光合作用的场所、动力、原料、产物，得出光合作用的反应式。
【学生】场所：叶绿体；动力：光；原料：CO2 和H2O；产物：糖类等有机物和氧气。
光合作用的概念、反应式： CO2 + H2O×——→(CH2O) + O2×
（三） 光合作用有关问题的自主探究设计：
【教师】请学生思考有关光合作用的场所、动力、原料、产物，是否还有需要研究的问题、如何研究，并以小组合作的方式讨论、设计、汇报、修正实验方案。
【学生】以四人小组为单位，讨论研究的问题，共同设计探究实验，选择四组学生代表在实物投影仪上展示探究问题及实验方案。（例如探究光合作用需要CO2吗？）
其他小组可以提出问题进行质疑，通过交流、讨论修正实验方案。
（四）反思总结，当堂检测。
教师组织学生反思总结本节课的主要内容，并进行当堂检测。
设计意图：引导学生构建知识网络并对所学内容进行简单的反馈纠正。
（五）发导学案、布置预习。
我们已经学习了光合作用的探究历程，那么，光合作用是如何进行的呢？在下一节课我们一起来学习光合作用原理和应用。这节课后大家可以先预习这一部分，着重分析光合作用的过程。并完成本节的课后练习及课后延伸拓展作业。
六、板书设计
<一>、光合作用的探究历程
1、1627年，海尔蒙特（比利时），原料：水
2、1771年，普利斯特利（英），植物可以更新空气
3、1779年，英格豪斯（荷），条件：光照
4、1864年，萨克斯（德），产物：淀粉
5、1880年，恩格尔曼（美），场所：叶绿体 小结：CO2+H2O O2+ CH20 6、1939年，鲁宾和卡门（美），H2*O *O2
7、1948年，卡尔文（美），*CO2 2*C3 *CH2O
七、教学反思
光合作用探究历程中的经典实验，从一定程度上反映了科学探索的一般方法，是培养生科学素质的好素材。但是在教学过程中如果仅仅只是照本宣科介绍几个科学家的实验，学生学习的兴趣不能激发,学习的主动性不能调动。要结合学校的实际将部分经典实验设计为兴趣学生亲自动手做的验证实验，课堂上由兴趣小组学生呈现给全体同学,再加上与多媒体的有机结合，达到既培养学生科学精神和创新思维能力的目的，就充分调动学生的学习能动性。
课件17张PPT。新叶沐浴着和煦的阳光，
鸟儿在绿叶间尽情欢唱：
“是你给了我生命的甘露，
是你给了我无穷的能量！”光合作用的探究历程 ——光合作用的原理和应用 （节选高中生物必修1 分子与细胞）光合作用的探究历程1771年 普利斯特利实验1779年 英格豪斯实验1843年 梅 耶 实 验1864年 萨 克 斯 实 验1939年鲁宾与卡门实验1771年1779年1845年1864年1939年公元前
3世纪1648年1880年1980年 恩格尔曼实验1648年 海尔蒙特实验公元前3世纪亚里士多德亚里士多德认为：植物体由“土壤汁”构成，即植物生长发育所需的物质完全来自土壤。
土壤减少的重量=植物增加的重量问题：植物为什么长大?所需的营养物质来自何处？亚里士多德(Aristotle)1771年1779年1845年1864年1939年1648年公元前
3世纪五年后一、1648年比利时科学家海尔蒙特+74.53kg－0.06kg结论：植物生长所需要的养料主要来自水,而不是土壤。76.8kg89.94kg5年后实验前后的差值1771年1779年1845年1864年1939年公元前
3世纪1980年1648年结论：植物可以更新污浊的空气。二、1771年英国科学家普利斯特利甲乙1779年1845年1864年1939年公元前
3世纪1648年1980年1771年三、1779年荷兰的科学家英格豪斯500多次植物更新空气的实验，又有何新发现？结论:植物体只有绿叶在光下才能更新污浊的空气。甲乙1771年1845年1864年1939年公元前
3世纪1629年1980年1779年1771年1779年1864年1939年公元前
3世纪1648年1980年能量守恒定律：能量既不会消失，也不会创生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变。四、1845年德国科学家梅耶1845年结论理论依据光合作用时将光能转变成化学能1771年1779年1843年1939年公元前3
世纪1648年1980年五、1864年德国科学家萨克斯1864年一半曝光，一半遮光结论:⑴光是光合作用的必要条件 ；
⑵光合作用的产物除了氧气外还有淀粉。目的：消耗掉叶片中的营养物质1771年1779年1843年1864年1939年公元前
3世纪1648年1880年六、1880年美国科学家恩格尔曼实验 七、1939年美国科学家鲁宾和卡门实验 1771年1779年1843年1864年公元前
3世纪1648年1980年1939年H2O C18O2H218O CO2 O2 O2
O2O2 O2
O2O2 O2
O2O2 O2
O2O2 O2
O2O2 O2 O2
O2O2 O2 O2
O218O2 18O2
18O2 18O2 18O2
18O2 18O2 18O2
18O2 18O2 18O2
18O2 18O2 18O2
18O2 18O2 18O2
18O2 结论：光合作用释放的氧全部来自水。光合作用发现过程发
现
内
容发现年代公元前3世纪植物生长所需物质来自土壤（古希腊：亚里士多德）植物生长需要的物质是水H2O（比利时：海尔蒙特）1648年植物可以更新空气（英国：普里斯特利1771年植物更新空气需要光照（荷兰:
英格豪斯）1773年绿色植物通过光合作用吸收CO2释放O2（瑞士：塞尼比尔）1782年绿色植物通过光合作用制造了淀粉（德国：萨克斯）1864年叶绿体是光合作用的场所（美国：恩格尔曼）1880年光合作用释放的O2全部来自H2O（美国：鲁宾和卡门）1939年光合作用的发现史光合作用的概念绿色植物通过叶绿体，利用可见光中的光能，把二氧化碳和水合成为储存能量的有机物（通常指糖类中葡萄糖）并且释放出氧气的过程。光合作用的探究到此结束了吗？20世纪40年代，美国科学家卡尔文用同位素标记法发现了卡尔文循环，探明了二氧化碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径.纸上谈兵：小组合作设计实验装置图，证明植物需要光才能制造O2？怎样检验O2？
（备选实验材料和器材：金鱼藻、大烧杯、漏斗、试管等） 半叶法（拓展） mB-mA代表什么？
A、光合作用积累的有机物
B、光合作用合成的有机物
C、呼吸作用消耗的有机物 1、在光合作用实验里，如果所用的水中有0.2%的
水分子含18O，二氧化碳中有0.68%的二氧化碳分子含
18O ，那么，植物进行光合作用释放的氧气中，含18O
的比例为[ ]
不要灰心，再来一次！恭喜你，答对了！再接再厉！课堂练习C．0.88%
不要灰心，再来一次！不要灰心，再来一次！A．0.20%B．0.48%D．0.68%
注：答题请单击选项 21世纪是生命科学的世纪,科学技术发展的车轮在不断前进!
希望同学们能站在先人的肩膀上成为”车轮”前进的有力推动者!教师寄语:
