5.4 光合作用与能量转化（第2课时 光合作用的原理）-教学设计（表格式）--2025-2026学年高一上学期《生物》（人教版）必修1

5.4光合作用与能量转化
第2课时 光合作用的原理 教案
课题 5.4.2光合作用的原理 单元 必修1 学科 生物 年级 高中
教材分析 本节课的主要内容、重点内容是光合作用的原理。对于光反应阶段，教材通过三个实验循序渐进地说明水在光照条件下利用叶绿体水解成氧气，并引出了同位素追踪法。卡尔文循环则是利用同位素追踪的方法得出二氧化碳形成有机物途径的结论。根据光合作用的公式推导影响光合作用的因素。学习本节课需要在理解酶的功能、ATP作用的基础上进行。
教学目标及核心素养 生命观念：1.简述绿叶中色素的种类、颜色、含量、作用和吸收光谱。 2.运用结构与功能相适应的观念，解释叶绿体适于进行光合作用的结构和功能。 科学思维：1.通过对光合作用光反应阶段和暗反应阶段相关实验研究的思考和讨论，说明光合作用过程，并从物质与能量观视角，阐明光合作用原理，认同人类对光合作用的认识过程是逐步的、不断发展的。 2.通过表格归纳、概括，厘清光反应与暗反应的区别与联系，说明光合作用的意义。 科学探究：尝试提取和分离叶绿体中的色素，并能在实践中加以运用。设计并实施实验，探究环境因素对光合作用强度的影响。 社会责任：能够运用色素与光合作用的原理解释生产生活中的相关现象。
重点 1.能说出叶绿体色素的种类、颜色、含量、作用和吸收光谱。 2.叶绿体适于进行光合作用的结构和功能。 3.光合作用的原理。
难点 1.光合作用过程中物质和能量的变化及相互关系。 2.探究影响光合作用强度的环境因素。
第2课时 光合作用的原理
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 情境导入： 中国实现国际上首次从二氧化碳到淀粉的全合成。 1.视频中提到的我国科学家构建出的从二氧化碳到淀粉的合成途径只有多少步化学反应？自然光合作用合成淀粉需要多少步生化反应？ 2.人工合成淀粉体系实现了什么能量之间的转换？ 提出问题：科技的公关离不开基础科学的研究， 光合作用的过程是如何发现的呢？ 新知导入 教师：同学们，上节课我们学习到什么生物能发生光合作用？（绿色植物）光合作用发生在哪里？（叶绿体）光合作用的条件是什么？（光照）光合作用的原料是什么？（二氧化碳和水）光合作用的产物是什么？（有机物和氧气） 讨论并回答问题。 思考。 回忆上节课内容，回答问题。 创设情境，回忆相关知识为学习本节课内容打下知识基础。
讲授新课 光合作用的原理 一、光合作用概念 提出问题：所以你能根据这些条件说出光合作用的概念吗？ 光合作用概念：绿色植物通过叶绿体，利用光能，将二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。 提出问题：那你能通过化学反应式表达光合作用吗？ 提示：水和二氧化碳在光照条件、叶绿体中合成有机物和氧气。 反应式： 实质：合成有机物，储存能量 二、探究光合作用原理的部分实验 设疑：那么光合作用产生的有机物中的碳、氢、氧原子和氧气中的氧元素来自哪里呢？ 为了解开疑问，科学家们做了以下几个实验： 1.光反应阶段 资料1：19世纪末，科学界普遍认为，在光合作用中，CO2分子的C和O被分开，O2被释放，C与H2O结合成甲醛，然后甲醛分子缩合成糖。1928年，科学家发现甲醛对植物有毒害作用，而且甲醛不能通过光合作用转化成糖。 不能通过光合作用实现。 资料2： 希尔实验 1937年，英国植物学家希尔（R.Hill）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。像这样，离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应称作希尔反应。 通过这个实验我们可以得出一个简单的结论：水的光解产生氧气。 讨论以下两个问题： 讨论1：希尔反应是否说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部都来自水？ 提示：不能说明，反应体系中可以还存在其他氧元素供体，该实验没有排除叶绿体滤液中其它物质的干扰，也并没有直接观察到氧元素的转移。 讨论2：希尔的实验是否说明水的光解与糖类的合成不是同一个化学反应？ 提示：能，因为悬浮液中没有CO2，糖类合成时需要CO2中的碳元素。氧气产生和糖类合成不是同一个化学反应，而是分阶段进行的。 资料3 鲁宾和卡门实验 为了进一步探究氧气的来源，来自美国的科学家鲁宾和卡门运用了一种实验方法——同位素追踪法。 补充知识：放射性同位素可用于追踪物质的运行和变化过程。用放射性同位素标记的化合物，其化学性质不会改变。科学家通过追踪放射性同位素标记的化合物可以弄清化学反应的详细过程，这种方法叫做同位素标记法。 1941年，美国科学家鲁宾（S.Ruben）和卡门（M.Kamen）用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源。他们用16O的同位素18O分别标记H2O和CO2，使它们分别变成H218O和C18O2。然后，进行了两组实验：第一组给植物提供H2O和C18O2，第二组给同种植物提供H218O和CO2。在其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是O2，第二组释放的都是l8O2。 请同学们仔细阅读课本102页思考讨论第三段，思考如何运用化学反应式表达出其实验结果。 讨论3：通过该实验，你能得出什么结论？ 提示：光合作用产生的氧气来源于水中的氧元素。 资料4：阿尔农实验 1954年，美国科学家阿尔农（D.Arnon）发现，在光照下，叶绿体可合成ATP。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。 讨论4：通过这三个实验，尝试用示意图表示ATP的合成与希尔反应的关系？ 提问：那么水的光解产生的氢离子去了哪里？ 上述实验表明，光合作用释放的氢气中的氢元素来自水，氧气的产生和糖类的合成不是同一个化学反应，而是分阶段进行的。实际上，光合作用的过程十分复杂，它包括一系列化学反应。根据是否需要光能，这些化学反应可以概括地分为光反应和暗反应（现在也称为碳反应）两个阶段。光反应阶段光合作用第一个阶段的化学反应，必须有光才能进行，这个阶段叫作光反应阶段。光反应阶段是在类囊体的薄膜上进行的。 展示光合作用过程示意图 阅读课文P103—104思考：光反应阶段在所需条件、场所、物质变化、能量转换方面的内容。 叶绿体中的色素吸收太阳光能，一方面将水分解成氢［H］和氧［O2］氧直接以分子形式从叶气孔逸出，而［H］则与NADP+（辅酶Ⅱ）结合，形成NADPH（还原型辅酶Ⅱ），进入叶绿体基质中，作为还原剂参与暗反应。另一方面在有关酶和反应中心色素的作用下，光能进一步转化成活跃的化学能，暂时储存在ATP和NADPH中，为暗反应提供能量。 场所：类囊体薄膜 条件：光、色素、酶 物质变化： 能量变化： 2.暗反应阶段 资料5：卡尔文实验1 1946年开始，美国的卡尔文用用放射性同位素14C标记的CO2供小球藻进行光合作用实验，追踪检测其放射性，探明CO2中的C的转移途径。称为卡尔文循环。 结论：14CO 2中的C进入了C3，再进入C6和C5 资料5：卡尔文实验2 在光照下突然中断CO2供应，C3急剧减少而C5增加；突然停止光照，C3急剧升高而C5减少 结论：C3和C5之间是相互循环的 二氧化碳如何转变变成糖类？请同学们阅读104页第二、三段，写出二氧化碳转化为糖类的化学反应式。这一个过程是光合作用第二个阶段的化学反应，有无光都能进行，叫暗反应阶段，也叫卡尔文循环。 提问：能把暗反应阶段的物质关系在黑板上的示意图填空表示出来吗？ ①CO2的固定： 植物通过叶片的气孔从外界吸收来的CO2先与植物体内的一种五碳化合物（C5）结合形成三碳化合物。 CO2+C52C3 ②三碳化合物的还原： 三碳化合物在有关酶的催化作用下，接受ATP和NADPH释放出来的能量并被NADPH还原，再经过一系列复杂的变化，最终形成糖类等有机物，并重新生成五碳化合物，用以固定CO2，从而使暗反应阶段的化学反应循环往复地进行下去。 梳理暗反应阶段的内容。 ①条件：有光无光都可，需要多种酶 ②场所：叶绿体基质 ③物质变化： ④产物：（CH2O）、ADP、Pi ⑤能量变化：NADPH、ATP中活跃的化学能转化为糖类等有机物中稳定的化学能。 3.光合作用的全过程 问题1.NADPH和ATP的移动途径是什么？ 提示：从类囊体薄膜到叶绿体基质。 问题2.NADP+和ADP的移动途径呢？ 提示：从叶绿体基质到类囊体薄膜。 问题3.NADPH的作用？ ①在C3的还原中作还原剂；②为C3的还原提供能量 4.条件骤变对光合作用中各物质的影响 5.光反应和暗反应的比较与联系 提问：通过以上学习，你能填写表格内容吗？ 光反应暗反应场所条件物质变化能量变化产物
通过表格和黑板上的光合作用示意图，可以知道：光反应为暗反应提供能量，而NADPH又可为有机物合成提供氢元素。 6.化能合成作用 能够利用体外环境中的某些无机物氧化时所释放的能量来制造有机物的合成作用。例如：硝化细菌、硫细菌、铁细菌等少数种类的细菌。 教师提问： 1.什么是自养生物？什么是异养生物？ 自养生物：以无机物转变成为自身的组成物质。 异养生物：只能利用环境中现成的有机物来维持自身的生命活动。 2.自养生物与异养生物的本质区别是什么？ 3.自养生物有哪些类型？它们的主要区别是什么？ 通过教师引导说出光合作用概念，回答问题 产生疑惑，积极讨论，表达的观点，黑板写下答案。做好相关笔记。 通过科学史的学习，探究光反应过程的反应物、产物、反应条件等 小组讨论，回答问题。 阅读课本，思考讨论，回答问题。 尝试构建ATP的合成与希尔反应的示意图。 思考并回答问题。 学生阅读教材，梳理光反应阶段的内容。 通过科学史的学习，探究暗反应过程的反应物、产物、反应条件等 带着问题阅读课本，回答问题。 学生阅读教材，梳理暗反应阶段的内容。 阅读教材，结合课堂内容填写表格。 从物质和能量角度分析光反应和暗反应的联系和区别。 学生阅读P1056归纳总结： 自然界中少数种类的细菌，虽然细胞内没有叶绿素，不能进行光合作用，但是能利用体外环境中的某些无机物氧化时所释放的能量来制造有机物，这种合成作用，叫做化能合成作用，如硝化细菌。 引出光合作用概念，训练化学方程表达能力，加深记忆。 通过实验加深理解光反应过程。学生回答问题增加注意力，加强记忆。 培养学生的信息提取和科学分析能力。让学生具体体验科学研究过程，感受科学家的研究方法。 培养学生的信息提取和科学分析能力。让学生具体体验科学研究过程，感受科学家的研究方法。 增强自学能力、归纳能力。 检测本节课知识。表格归纳知识点简单明了。 从“物质与能量观”的角度理解光合作用，明确光合作用是一个有机的整体 拓展学生视野，重视生物学中的个例
课堂总结 经过这一节课的学习，我们可以通过同位素标记法得知光合作用中水可被水解成氧气，二氧化碳和五碳化合物利用ATP和NADPH提供的能量和氢离子一步步还原成有机物，从而实现光能向能够稳定储存的化学能的转变。这些能量被包括人类在内的生命所利用，从而形成了生机勃勃的地球。
板书设计 5.4.2 光合作用的原理 一、光反应阶段 二、暗反应阶段 三、光合作用过程 四、条件骤变对光合作用中各物质的影响 五、光反应和暗反应的比较与联系 六、化能合成作用
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