5.4光合作用与能量转化：捕获光能的色素和结构 (课时1)教学设计 高中生物学人教版（2019）必修1（表格版）

第五章细胞的能量供应和利用
《光合作用与能量转化：捕获光能的色素和结构》(课时1)教学设计
课型： 新授课
教材版本： 人教版（2019）必修1《分子与细胞》
授课年级： 高一
课时安排：1课时
一、教材分析
本节课是第五章《细胞的能量供应和利用》的核心内容之一，是继细胞呼吸之后学习的另一个极其重要的能量代谢过程。本节内容承上启下，既是对前面“细胞膜控制物质进出”、“细胞器功能”等知识的综合应用，后续学习光合作用的过程奠定了坚实的物质和结构基础。
本课时聚焦于“光合作用的物质基础”——捕获光能的色素和结构。教材通过“探究·实践：绿叶中色素的提取和分离”和“恩格尔曼的水绵实验”两大经典探究活动，引导学生掌握光合色素的种类、分布、功能，理解叶绿体作为光合作用场所的结构适应性。内容设计体现了“结构与功能相适应”的生命观念，并通过实验探究培养学生的科学思维与科学探究能力。
二、学情分析
知识基础：学生已学习过细胞的结构与功能，了解叶绿体是光合作用的场所，知道光合作用的基本反应式。对于探究实验的一般流程有初步了解。
认知特点：学生对“色素”有生活经验（如树叶变色），但对具体的提取分离技术、吸收光谱等微观概念感到抽象。对经典实验的设计思路理解不深，需要引导分析。
前概念与误区：学生可能认为所有绿色植物色素都能高效吸收所有光；可能将“叶绿体是场所”等同于“只有叶绿体参与”；可能对实验操作的原理理解不足，导致死记硬背步骤。
三、教学目标
核心素养 教学目标
生命观念 1. 通过分析叶绿体的结构特点与色素分布，认同“叶绿体的结构与光合作用功能相适应”的观点； 2. 理解光合作用是生物圈能量输入与转化的基础。
科学思维 1. 通过对恩格尔曼实验的深入分析，学习科学家严密的实验设计逻辑（选材、对照、观察指标等）； 2. 通过对色素提取分离异常现象的分析，培养逻辑推理与问题解决能力。
科学探究 明确“绿叶中色素提取与分离”实验的目的、原理、步骤及注意事项；能分析实验中的异常现象，并提出改进措施。
社会责任 运用光合色素吸收光谱的知识，解释或解决农业生产中的实际问题（如大棚薄膜选择、补光灯选择），关注科学技术在社会生产中的应用。
四、教学重难点
1. 教学重点：
(1) “绿叶中色素的提取和分离”实验的原理、方法及结果分析。
(2) 光合色素的种类、吸收光谱及其与功能的关系。
(3) 叶绿体的结构如何与其光合作用功能相适应。
教学难点：
(1) 纸层析法分离色素的原理及实验操作细节的理解。
(2) 恩格尔曼实验设计的巧妙之处及其结论的推导过程。
五、教学方法
(1) 实验探究法: 学生动手操作“色素提取与分离”实验。
(2) 问题导学法: 通过层层设问引导学生思考。
(3) 小组合作法: 分组讨论实验设计与结果分析。
(4) 多媒体辅助法: 结合PPT、视频展示实验过程和科学史实.
六、教学手段
媒体课件（PPT）、实验器材（研钵、滤纸、层析液等）、视频资源（实验操作、恩格尔曼实验动画）、实物投影或图片展示。
七、教学准备
教师准备：制作多媒体课件，整合实验步骤图、吸收光谱图、恩格尔曼实验图示、当堂训练题。准备实验演示材料（或提前录制规范的实验操作视频）。
收集植物工厂、现代农业中利用光能知识的图片或视频资料。
学生准备：预习课本第4节第1部分内容。复习有关叶绿体结构和有机溶剂溶解性的化学知识。
八、教学流程
情境导入，初识光合意义:植物工厂案例
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实验探究活动一：绿叶中的色素提取与分离
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探究活动二: 光合色素的吸收光谱
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探究活动三: 叶绿体的结构适于进行光合作用
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小结与当堂训练
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布置作业与预习任务
九、教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
（一）创设情境，导入新课
（约4分钟） 1. 播放或展示“植物工厂”的视频，提出问题探讨中的问题。
2. 引导学生思考：1.靠人工光源生产蔬菜有什么好处？2.为什么要控制CO2浓度、营养液成分和温度条件？
3. 总结：太阳光是生物圈的根本能量来源，而光合作用是捕获和转化光能的唯一生物学途径。引出课题：今天我们先探究进行光合作用的“前哨站”——捕获光能的色素和结构。 1. 观看并思考，回答讨论问题。
2. 明确太阳光能的核心地位。
3. 进入学习情境，明确本课学习目标。 联系现代农业科技，激发兴趣，从宏观应用切入微观机理，体会生物学价值，自然引出课题。
（二）探究活动一：绿叶中的色素提取与分离 （实验探究）
（约15分钟） 1. 问题引入：展示正常玉米与白化苗图片。提问：白化苗为何死亡？叶片绿色与何有关？
2. 组织探究：布置小组学习任务（阅读课本，回答PPT上的问题）。重点引导学生分析：
原理：提取（相似相溶）、分离（溶解度差异）。
关键操作：为何加SiO 、CaCO ？为何滤液细线要细、直、齐？为何不能触及层析液？
3. 播放视频/动画：演示规范实验操作流程。
4. 结果分析：展示标准色素带图谱，引导学生归纳：四种色素的名称、颜色、含量、在层析液中溶解度及扩散速度。教授记忆口诀。
5. 异常分析：呈现“色素过浅”、“色素带重叠”等现象，请学生诊断原因。 1. 观察图片，思考并回答问题，形成“色素与光能捕获有关”的初步假设。
2. 小组合作，阅读课本，讨论并回答问题，理解实验设计原理。
3. 观看视频，形成直观印象，内化操作要点。
4. 观察图谱，完成归纳，学习并运用口诀记忆。
5. 运用刚学知识，进行“实验诊断”，分析异常原因。 通过经典探究实验，将抽象知识具体化。培养学生分析实验原理、理解操作细节的能力，并提升其问题解决的科学思维。避免“纸上谈兵”，增强实践感。
（三）探究活动二：光合色素的吸收光谱
（约7分钟） 1. 演示与推理：展示色散后白光通过叶绿素提取液的现象（或动画演示）。提问：光屏上色光带有何变化？说明了什么？
2. 呈现证据：展示叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱图。引导学生读图得出结论：光合色素主要吸收红光和蓝紫光，对绿光吸收最少。
3. 知识应用：提问：①冬季大棚应选红色还是无色薄膜？②阴天补光应选何种灯光？引导学生运用吸收光谱知识解决实际问题。 1. 观察现象，描述并推理：蓝紫光和红光区域变暗→被吸收。
2. 读图分析，准确描述不同色素的吸收峰，归纳共同点与区别。
3. 运用新知进行决策分析，理解科学知识对生产的指导意义。 从实验现象到科学图谱，培养学生“现象-结论”的科学推理能力。联系生产实际，落实“社会责任”，体现学以致用。
（四）探究活动三: 叶绿体的结构适于进行光合作用
（约10分钟） 1. 结构认知：展示叶绿体结构模式图。提问：
色素分布在哪里？
叶绿体通过什么方式极大地扩展了受光面积？有何意义？ 进行光合作用所必需的酶分布在叶绿体的哪些结构中
2. 功能验证：深入分析恩格尔曼的水绵实验。
实验一：引导学生分析其巧妙之处（好氧细菌作指标、极细光束形成对照、无氧环境排除干扰等）。
实验二：分析三棱镜实验现象，并与色素的吸收光谱相联系，得出“叶绿体能吸收特定波长的光用于光合作用放氧”的结论。 提问: 恩格尔曼在选材、实验设计上有什么巧妙 之处？ 在第二个实验中，大量的需氧细菌聚集 在红光和蓝紫光区域，为什么？ 综合上述资料，你认为叶绿体具有什么 功能？
3. 总结提升：强调叶绿体是进行光合作用的场所，其类囊体薄膜上的色素和酶是捕获和转化光能的结构基础。 1. 观察结构图，回答问题，理解“类囊体堆叠形成基粒以扩展膜面积”这一结构与功能的适应性。
2. 扮演“科学侦探”，一步步分析恩格尔曼实验的设计思路、观察现象、推导结论。理解其严谨性与创造性。回答问题加深对实验的理解与认知。
3. 整合信息，形成“色素位于叶绿体类囊体膜上，负责捕获光能，叶绿体是光合作用车间”的完整概念。 突破“结构与功能相适应”的生命观念。通过对经典实验的深度剖析，培养学生的科学思维和逻辑分析能力，学习科学研究方法。将色素、结构、功能三者有机统一。
（五）知识整合与当堂训练
（约8分钟） 1. 引导梳理：以板书或概念图形式，引导学生回顾本节课核心知识链条：白化苗现象→探究色素（种类、吸收光谱）→色素位于叶绿体（结构）→叶绿体功能（恩格尔曼实验证实）。
2. 习题演练：呈现PPT中的当堂训练题（高考题及变式题），组织学生思考作答。
3. 讲评点拨：针对错误率高的题目（如实验操作正误、吸收光谱理解、实验结论推导）进行精讲，澄清模糊概念。 1. 跟随教师回顾，构建知识框架。
2. 独立思考，完成习题，检验学习效果。
3. 聆听讲评，修正错误理解，深化对重难点的掌握。 及时巩固，查漏补缺。利用高考题和优质模拟题导向教学，提升学生解题能力和知识迁移应用能力。
（六）课堂小结与作业布置
（约1分钟） 1. 课堂小结：重申本课核心：我们学习了捕获光能的四种色素及其吸收光谱，知道了它们分布在叶绿体的类囊体薄膜上，并通过恩格尔曼的实验证实了叶绿体的功能。光合作用的舞台已经搭好。
2. 布置作业：
基础作业：整理本课笔记，绘制色素提取分离实验流程图，标注关键点。
拓展作业：查找资料，解释“秋季树叶变黄或变红”的色素变化原理。
预习作业：预习下一课时“光合作用的原理”，思考光反应与暗反应的可能过程。 1. 参与小结，强化整体认知。
2. 记录作业要求。 总结升华，形成闭环。分层作业满足不同需求，将学习从课堂延伸至课外，联系自然现象，激发持续探究兴趣。
十、板书设计
第4节 光合作用与能量转化—捕获光能的色素和结构
一、实验：绿叶中色素的提取和分离
原理：提取——色素溶于有机溶剂（无水乙醇）
分离——不同色素在层析液中溶解度不同（纸层析法）
结果：（自上而下）
胡萝卜素（橙黄色）—最少、最快
叶黄素（黄色）
叶绿素a（蓝绿色）—最多
叶绿素b（黄绿色）—最慢
口诀：胡黄a b，橙黄蓝绿黄绿。
二、光合色素的功能
吸收光谱：主要吸收红光和蓝紫光（对绿光吸收最少→叶片显绿）
应用：无色大棚膜、红蓝光补光灯。
三、色素的“家”——叶绿体
结构：双层膜、基粒（由类囊体堆叠）、基质
功能定位：光合色素分布于类囊体薄膜。
功能验证：恩格尔曼水绵实验
结论1：叶绿体是光合作用的场所。
结论2：叶绿体能吸收特定波长的光用于光合作用放氧。
十一、教学反思
成功之处：
以“植物工厂”和“白化苗”两个情境贯穿始终，使教学主线清晰，富有探究性。
将“实验探究”、“经典实验分析”与“知识应用”三个板块有机结合，不仅传授了知识，更突出了科学方法和思维的培养。
充分利用多媒体（视频、动画、图谱）化解了实验操作和微观过程的抽象性，提高了教学效率。
当堂训练题选用高考真题和优质模拟题，针对性强，有效检测并巩固了学习效果。
待改进之处与思考：
时间分配：恩格尔曼实验的分析是本课难点和亮点，15分钟的分配可能仍显紧张。部分思维较慢的学生可能难以完全消化其设计的精妙。可考虑将“异常现象分析”部分适当压缩，或将其作为课后思考题。
实验实操：由于课时和条件限制，本节课主要以视频和讲解呈现实验。若条件允许，可尝试将实验改为分组前置学习或课后开放实验室活动，让学生亲身实践，感受会更深刻。
深度拓展：对于学有余力的学生，可以在“吸收光谱应用”部分，引入“光质（不同色光比例）对植物形态建成和品质影响”的简单介绍，激发其深入探究的兴趣。
概念衔接：在总结时，应更明确地点出：本节课解决了光合作用中“谁（色素/叶绿体）在哪里（类囊体膜）捕获什么能（特定波长的光能）”的问题，为下节课学习“如何转化（光反应与暗反应）”做好铺垫，使单元教学更具连贯性。