5.4 光合作用与能量转化 教学设计 高中生物学人教版（2019）必修1

高中生物教学设计
人教版必修1 第5章 第4节《光合作用与能量转化》
（3课时完整版）
一、教材分析
光合作用是地球上最重要的化学反应之一，是生命系统能量流动和物质循环的核心环节。本节内容围绕“结构与功能观”“物质与能量观”展开，通过实验探究与理论分析相结合的方式，帮助学生理解光合作用的机制及其在生态系统中的作用。教材分为三部分：
1. 捕获光能的色素和结构：通过实验探究绿叶中色素的种类与功能，分析叶绿体的结构特点。
2. 光合作用的原理：结合经典实验，揭示光反应与暗反应的物质变化与能量转化过程。
3. 光合作用原理的应用：探究环境因素对光合作用强度的影响，联系农业生产实践。
二、核心素养培养
1. 生命观念：理解叶绿体结构与功能的关系，形成“结构与功能相适应”的生物学观点。
2. 科学思维：通过实验设计与数据分析，培养学生归纳推理、逻辑分析能力。
3. 科学探究：掌握实验操作技能（如色素提取与分离），体验科学家探索光合作用原理的过程。
4. 社会责任：关注光合作用在粮食生产与环境保护中的应用，树立可持续发展意识。
教学重难点
课时 教学重点 教学难点
第1课时 1. 绿叶中色素的种类及功能
2. 叶绿体适于光合作用的结构特点 1. 色素提取与分离实验的操作细节
2. 色素吸收光谱与实际问题的联系
第2课时 1. 光合作用光反应与暗反应的过程
2. 经典实验的科学方法与结论 1. 光反应与暗反应中物质与能量的动态关系
2. C3与C5含量的变化规律
第3课时 1. 探究环境因素对光合作用强度的影响
2. 光合作用在农业生产中的应用 1. 实际光合速率与净光合速率的区别
2. 多因素综合作用的实验分析
第1课时：捕获光能的色素与结构
教学导入（创新性与启发性）
情境创设：
1. 诗歌赏析：展示范仲淹《苏幕遮·怀旧》中“碧云天，黄叶地”的诗句，提问：“绿叶中的色素如何影响叶片颜色？为何秋季叶片会变黄？”
2. 现象对比：展示正常幼苗与白化苗的图片，引导学生思考：“为何白化苗无法存活？光能的捕获与叶片颜色有何关系？”
教学过程
环节1：绿叶中色素的提取与分离实验
1. 实验原理：
提取：色素溶于有机溶剂（无水乙醇）。
分离：层析液中溶解度高的色素扩散速度快。
2. 实验步骤：
研磨叶片：加入二氧化硅（充分研磨）、碳酸钙（保护色素）、无水乙醇（溶解色素）。
过滤与划线：用尼龙布过滤，滤液细线需细、直、齐。
层析分离：滤纸条浸入层析液，观察色素带分布。
3. 结果分析：
色素带排序（由上至下）：胡萝卜素（橙黄）、叶黄素（黄色）、叶绿素a（蓝绿）、叶绿素b（黄绿）。
含量排序：叶绿素a > 叶绿素b > 叶黄素 > 胡萝卜素。
案例1：某小组提取液颜色过浅，可能原因：研磨不充分、绿叶量少、未加碳酸钙。
环节2：色素吸收光谱与实际应用
1. 吸收光谱分析：
叶绿素：主要吸收红光与蓝紫光。
类胡萝卜素：主要吸收蓝紫光。
2. 应用探究：
问题1：“冬季大棚应选用红色、蓝色还是无色薄膜？为什么？”
结论：无色薄膜可透过所有可见光，提高光能利用率。
问题2：“阴天补光应选红光/蓝紫光还是白光？”
结论：红光与蓝紫光更高效。
环节3：叶绿体结构的适应性分析
1. 结构图示：
外膜与内膜：保护与物质运输。
基粒与类囊体：扩大膜面积，分布光合色素与酶。
2. 功能联系：
恩格尔曼实验：需氧细菌聚集于红光与蓝紫光区域，证明叶绿体是光合作用场所。
板书设计
第4节 光合作用与能量转化
一、捕获光能的色素
1. 提取：无水乙醇溶解
2. 分离：层析液扩散
3. 色素种类与含量：叶绿素a > b > 叶黄素 > 胡萝卜素
二、叶绿体结构
1. 双层膜
2. 基粒与类囊体：扩大膜面积
三、功能适应性
1. 色素吸收特定光能
2. 结构支持高效反应
第2课时：光合作用的原理
教学导入（创新性与启发性）
情境创设：播放“叶子概念车”视频，提问：“该车模拟了植物的哪项功能？动力来源与光合作用有何联系？”
教学过程
环节1：光合作用反应式的科学探索
1. 希尔实验：离体叶绿体在光照下释放氧气，证明水分解与氧气释放有关。
2. 鲁宾与卡门实验：同位素标记法证实氧气全部来自水。
案例2：
环节2：光反应与暗反应的动态分析
1. 光反应：
场所：类囊体膜
过程：
2. 暗反应：
场所：叶绿体基质
过程：
案例3：若突然停止CO2供应，C5含量上升，C3含量下降。
环节3：卡尔文循环与碳转移途径
1. 卡尔文实验：
2. 碳转移路径：
板书设计
二、光合作用的原理
1. 光反应：类囊体膜
水光解：H2O → O2 + H+
能量转化：光能 → ATP、NADPH
2. 暗反应：叶绿体基质
CO2固定：C5 + CO2 → 2C3
C3还原：C3 → (CH2O) + C5
第3课时：光合作用原理的应用
教学导入（创新性与启发性）
情境创设：展示全球粮食危机数据，提问：“如何通过提高光合作用效率增加粮食产量？”
教学过程
环节1：探究光照强度对光合作用的影响
1. 实验设计：
自变量：光源距离（控制光强）。
因变量：单位时间叶片上浮数量。
2. 结果分析：光强增大至饱和点前，光合速率随光强增加而升高。
案例4：若实验中小圆形叶片未上浮，可能原因：光照不足、CO2浓度低。
环节2：多因素对光合作用的影响
1. 单因子分析：
CO2浓度：补偿点与饱和点的实际应用（如温室增施CO2）。
温度：通过影响酶活性间接调控反应速率。
2. 多因子综合：
P点限制因素：光照强度或CO2浓度。
应用策略：合理密植、间作套种。
案例5：夏季中午“光合午休”现象分析（气孔关闭导致CO2不足）。
环节3：化能合成作用拓展
1. 实例：硝化细菌利用氨氧化释放的能量合成有机物。
2. 意义：拓宽学生对自养生物的认识，理解生态系统的多样性。
板书设计
三、光合作用的应用
1. 影响因素：
光照强度、CO2浓度、温度、矿质元素
2. 农业生产：
合理密植、增施CO2、适时灌溉
3. 化能合成作用：
硝化细菌：化学能 → 有机物
教学资源
1. 实验材料：菠菜叶片、层析液、无水乙醇、LED灯、打孔器。
2. 多媒体资源：光合作用动画、科学家实验视频、数据图表。
3. 练习题：配套高考真题及变式训练（如2023年广东卷光合作用分析题）。
教学反思
本设计通过实验探究、问题链引导和实际案例分析，将抽象的光合作用原理转化为直观的认知过程，有效培养了学生的科学思维与社会责任感。教学中需注意实验操作的规范性，并针对学生易错点（如C3与C5变化）进行强化训练。