高中生物 第四節(jié)能量之源 綠色植物的光合作用教案2 新人教版必修1

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1、 綠色植物的光合作用 教學(xué)目標(biāo) 1.使學(xué)生了解葉綠體的結(jié)構(gòu)以及其中的光合色素,理解其中的色素與光合作用的關(guān)系;理解光合作用的光反應(yīng)和暗反應(yīng)的基本過程和相互關(guān)系;理解光合作用的生理意義以及在生物界中和對人類生產(chǎn)生活的意義。 2.讓學(xué)生初步學(xué)會提取、分離葉綠體中色素的方法和技能;通過引導(dǎo)學(xué)生分析光反應(yīng)和暗反應(yīng)的過程,概括物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化的本質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生分析概括的能力。 3.通過光合作用的意義的教學(xué),使學(xué)生在理解綠色植物在維持環(huán)境穩(wěn)定中的作用,理解光合作用產(chǎn)物對人的生活和生產(chǎn)的意義。在此基礎(chǔ)上,增強(qiáng)學(xué)生關(guān)心愛護(hù)綠色植物,關(guān)心發(fā)展農(nóng)業(yè)的意識從而對學(xué)生進(jìn)行生命科學(xué)價值觀的教育。 重點、難點分析

2、 1.葉綠體的結(jié)構(gòu)特點以及其中的光合色素的種類和作用,是本課題教學(xué)的重點之一。因為: (1)葉綠體是光合作用的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),且這種結(jié)構(gòu)和成分與其光合作用具有一定的適應(yīng)關(guān)系。如,葉綠體中色素的種類及其吸收光譜,色素在片層上的分布、基粒片層的垛疊形式、基粒和基質(zhì)的關(guān)系等,都利于光合作用的進(jìn)行。學(xué)生清楚地知道這些結(jié)構(gòu)和成分,才能順利地理解光合作用的光反應(yīng)和暗反應(yīng)發(fā)生的場所。 (2)在第一章細(xì)胞部分,學(xué)生接觸了葉綠體色素種類的知識,另外學(xué)生在生活中也經(jīng)??吹交蚵牭竭^有關(guān)葉綠素和胡蘿卜素的知識,但沒有提取和實際看到過各種葉綠體中的色素。因此學(xué)生對親自從葉片中提取和分離葉綠體色素具有濃厚的興趣和渴望。做

3、好葉綠體中色素的提取和分離實驗,不但可使學(xué)生學(xué)會有關(guān)方法,還可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)的興趣,加深對有關(guān)知識的認(rèn)識。 2.光合作用的過程的內(nèi)容,是教學(xué)的又一重點。因為: (1)光合作用過程是本課題的核心內(nèi)容。學(xué)生只有認(rèn)識了光合作用的光反應(yīng)和暗反應(yīng)的過程,才能理解從光能、ATP分子中活躍的化學(xué)能到糖類等有機(jī)物分子中的穩(wěn)定的化學(xué)能這一能量轉(zhuǎn)移過程,掌握光合作用的能量和物質(zhì)變化的本質(zhì)。使學(xué)生對光合作用的認(rèn)識水平,在初中的基礎(chǔ)上前進(jìn)一步。 (2)學(xué)生只有知道光合過程的各個環(huán)節(jié),才能理解內(nèi)外因素對光合作用的影響,才能進(jìn)一步研究如何提高光合效率的途徑,提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的技術(shù)。因此,學(xué)習(xí)光合作用的過程,是深入

4、聯(lián)系生產(chǎn)實際的理論基礎(chǔ)。 3.光合作用的意義,也是教學(xué)的重點。因為: (l)通過光合作用的意義的教學(xué),可使學(xué)生理解,當(dāng)今世界面臨的糧食、化石能源、環(huán)境污染等重大問題的解決與研究光合作用的關(guān)系。知道人類需要的農(nóng)產(chǎn)品,歸根結(jié)底要靠光合作用去生產(chǎn)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究,應(yīng)該把培育高光合效率的農(nóng)作物品種,發(fā)明提高農(nóng)作物充分利用光能的時間、空間的技術(shù)等途徑作為研究方向。知道增加植被面積和質(zhì)量,是改善環(huán)境的有效途徑等。這些,是學(xué)生必備的科學(xué)素養(yǎng)。因此,光合作用的意義,是培養(yǎng)學(xué)生關(guān)心生物科學(xué)及其發(fā)展,關(guān)心社會問題的解決等意識的好材料,應(yīng)充分重視。 (2)從生物界看,光合作用是最基本的物質(zhì)代謝和能量代謝。

5、光合作用制造的有機(jī)物,不僅供綠色植物本身利用,也是地球上絕大多數(shù)生物體中有機(jī)物的來源,是生態(tài)系統(tǒng)中的生產(chǎn)者。這些,是學(xué)生學(xué)習(xí)呼吸作用、生態(tài)系統(tǒng)等內(nèi)容的基礎(chǔ)。 4.光合作用中的物質(zhì)和能量變化,是教學(xué)的難點。因為,學(xué)生對有關(guān)的物理和化學(xué)知識木熟悉,特別是有機(jī)化學(xué)知識,高二第一學(xué)期多數(shù)學(xué)校本學(xué)習(xí)到。對光合作用中的光能到電能、電能到不穩(wěn)定的化學(xué)能、從不穩(wěn)定的化學(xué)能到穩(wěn)定的化學(xué)能的轉(zhuǎn)變的必要性的理解,對暗反應(yīng)中的二氧化碳的固定、三碳酸的還原等的必要性的理解都有一定的難度。 教學(xué)過程設(shè)計 一、本課題的參考課時為二課時。 二、第一課時: 教學(xué)過程的設(shè)計思路: 介紹有關(guān)證明葉綠體是光合場所的實驗,

6、引入對葉綠體的分析。 從綠色植物的水分、礦質(zhì)代謝引入有機(jī)物和能量的代謝,然后提出光合作用。 通過學(xué)生做葉綠體色素的提取和分離的實驗,使學(xué)生理解掌握有關(guān)內(nèi)容。 演示或介紹葉綠體色素吸收光譜的現(xiàn)象??偨Y(jié)葉綠體成分、結(jié)構(gòu)與功能的適應(yīng)性。 2.關(guān)于教學(xué)過程的說明: (1)本節(jié)教學(xué)課題的引入,可有多種不同的形式。一種是通過綠色植物的水分和礦質(zhì)代謝引到有機(jī)物和能量代謝。如,綠色植物在生活中,除了要從環(huán)境中吸收水分和二氧化碳,以及礦質(zhì)元素離子等無機(jī)營養(yǎng)外,還需要有機(jī)物,如糖類、脂類、蛋白質(zhì)等。這些有機(jī)物是從哪里得到的呢?怎樣制造的?由此引出課題。接著介紹能說明光

7、合作用的場所是葉綠體的有關(guān)實驗,引入對葉綠體的分析,如德國科學(xué)家恩吉爾曼用水綿進(jìn)行光合作用的實驗。也可以從光合作用的意義或光合作用的發(fā)現(xiàn)過程,引入本課題和光合作用的場所的研究。提出:為什么光合作用能在葉綠體中進(jìn)行?這與葉綠體內(nèi)特有的成分和結(jié)構(gòu)有關(guān)。引入本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容。 (2)通過提問,復(fù)習(xí)葉綠體的亞顯微結(jié)構(gòu),用板圖或掛圖顯示出葉綠體的外膜、內(nèi)膜、基質(zhì)、基質(zhì)片層和基粒等結(jié)構(gòu)及成分。附圖不僅可以強(qiáng)化學(xué)生對葉綠體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識,也可使學(xué)生直觀地認(rèn)識色素和酶的存在部位。在此,教師應(yīng)特別指出,光合作用所以能在葉綠體中進(jìn)行,一是由于其中含有催化光合作用的酶系,這些酶分布在葉綠體的基質(zhì)中和片層的薄膜上;二是

8、在基料片層的薄膜上,有吸收轉(zhuǎn)化光能的色素。由此引出色素的提取和分離實驗。 (3)關(guān)于葉綠體中色素的提取和分離的學(xué)生實驗: ①本節(jié)課內(nèi)容多時間緊,課前要做好實驗準(zhǔn)備??砂讶~片稱好后,分發(fā)給學(xué)生,免去學(xué)生稱量的過程。 ②在學(xué)生進(jìn)行色素提取實驗前,教師應(yīng)對實驗原理給予簡要說明。如,根據(jù)葉綠體中的色素,在有機(jī)溶劑(乙醇、丙酮等)中溶解的特性,用丙酮可將色素從葉片中提取出來;葉綠素在酸性條件下,其中的鎂可被氫離子取代,使葉綠素成為褐色的去鎂葉綠素。在研缽內(nèi)加入少許的碳酸鈣,可中和細(xì)胞液中的有機(jī)酸。 ③提醒學(xué)生,整個提取的操作過程,速度要快。減少丙酮的揮發(fā),減輕對教室環(huán)境的污染。為減少丙酮的污染和

9、節(jié)省時間,可簡化該實驗。如,教師在實驗前,選取新鮮綠色的葉片(菠菜葉、菜豆葉等),烘干后磨成粉末狀,分別裝入小試管中(約占試管的五分之一),然后分發(fā)給學(xué)生。實驗開始,學(xué)生直接量取丙酮,倒入小試管中(約至試管的五分之三)。輕輕振蕩后,過濾即得葉綠體色素濾液。對研磨葉片的過程簡單介紹即可。 關(guān)于色素的分離。為節(jié)省時間,教師在實驗前,把濾紙條制備好。 對操作過程不必過多解釋,先讓學(xué)生按教材要求進(jìn)行操作。但要提醒學(xué)生在劃濾液線時,多重復(fù)幾次(5~6次),所劃的細(xì)線,應(yīng)呈深綠色。待學(xué)生按教材要求完成實驗操作后,在等待層析結(jié)果的過程中,教師與學(xué)生討論實驗原理和操作要求。關(guān)于層析原理,應(yīng)使學(xué)生清楚:

10、不同的色素,在層析液中的溶解度不同以及在濾紙上的吸附力木同,故在濾紙上的運動快慢不同,使不同色素分離開。層析法是分離混合物的常用方法之一。關(guān)于操作要求,可提出以下問題討論:濾液細(xì)線為什么細(xì)一些、齊一些好?為什么不要讓層析液設(shè)及濾紙上的濾液細(xì)線? ⑤結(jié)果觀察。在學(xué)生觀察的基礎(chǔ)上,總結(jié)共板書(如圖)。在此,教師應(yīng)指出,在通常情況下,葉綠素的含量是類胡蘿卜素的4倍,因此,在春夏季節(jié)我們所見到的葉子通常是綠色。 ③關(guān)于色素吸收光譜特點。教師可演示葉綠體的色素吸收光譜的現(xiàn)象。方法是:用紅、橙黃、綠、藍(lán)紫色的薄膜,分別遮住同一光源。把盛有葉綠體的色素提取液的試管,分別放在紅、橙黃、綠、藍(lán)紫色光前,讓學(xué)

11、生觀察這些光透過色素提取液的情況??擅黠@地看到,紅和藍(lán)紫色光透過的較少(暗),橙黃和綠色光透過的較多(亮)。引導(dǎo)學(xué)生分析這些現(xiàn)象,得出葉綠體中的色素,主要吸收紅光和藍(lán)紫光。在此基礎(chǔ)上,教師再介紹,人們用更加精密的儀器測定得知,類胡蘿卜素主要吸收藍(lán)紫光,葉綠素主要吸收紅光和藍(lán)紫光。并板書(如圖2-9)。 (4)在分析葉綠體中色素的種類和吸收光譜的特性后,回過頭再進(jìn)一步分析,葉綠體的成分和結(jié)構(gòu)特點與光合作用的關(guān)系。如,葉綠體內(nèi)的片層薄膜,垛疊成基粒,每個基粒由10~100個片層結(jié)構(gòu)組成,可增大葉綠體內(nèi)的膜表面,擴(kuò)大色素的附著面,有利于提高光能的利用效率;又如,與光合作用有關(guān)的各種酶集中分布于葉綠

12、體中,有利于光合反應(yīng)高效地進(jìn)行等。使學(xué)生理解生物的結(jié)構(gòu)與功能相統(tǒng)一的特點。 三、第二課時: 1.教學(xué)過程的設(shè)計思路: 復(fù)習(xí)光合作用場所。提出光合作用的總反應(yīng)式,引出對光合作用過程的研究。 分析光反應(yīng)和暗反應(yīng)的關(guān)系,概括光合作用的實質(zhì)。討論光合意義。 通過介紹卡爾文實驗及結(jié)果討論暗反應(yīng)的過程,分析其物質(zhì)和能量變化的實質(zhì)。 講述光合作用的光反應(yīng),分析其能量和物質(zhì)變化。介紹有關(guān)實驗證據(jù)。 2.關(guān)于教學(xué)過程的說明: (1)開始可以提問復(fù)習(xí)上節(jié)課的內(nèi)容。如,為什么在葉綠體中能發(fā)生光合作用?(引導(dǎo)學(xué)生回答出:葉綠體中分布有光合作用有關(guān)的酶、色素種類)這些酶和

13、色素分布在葉綠體的什么部位?(使學(xué)生回答出:酶分布在片層薄膜上和基質(zhì)中、色素分布在基粒片層薄膜上。) (2)在復(fù)習(xí)的基礎(chǔ)上,提問學(xué)生光合作用的反應(yīng)式(如果學(xué)生不能完整答出,教師要給予提示),并板書。接著指出,該反應(yīng)式概括了光合作用的條件、原料和產(chǎn)物。在葉綠體中,是怎樣利用二氧化碳和水合成有機(jī)物的?引出光合作用的過程。 (3)關(guān)于光反應(yīng)的過程,可以教師講解為主。邊講解邊板圖(如圖2-10)。說清以下幾點: ①光合作用是從葉綠體色素吸收光能啟動的。色素吸收光能傳遞給部分葉綠素a,葉綠素a接受一定量的光能后,迅速射出一個高能電子(光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽藭r該葉綠素分子被激發(fā),出現(xiàn)電子虧缺,并形

14、成強(qiáng)烈的奪得電子的能力,導(dǎo)致水分子分解成O2和H+,使該色素分子得到電子。 ②射出的高能電子,經(jīng)過一系列的傳遞,最終與H+一起被某種受體接受(可如圖2-10表示人在傳遞過程中,釋放能量并把ADP和Pi轉(zhuǎn)變成ATP。這樣就把電能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能儲存在ATP中。從葉綠體的色素吸收光能開始到此,依賴于光能的推動,因此,把上述反應(yīng)稱為光反應(yīng)。 ③概括光反應(yīng)。把水分解為O2、[H];把光能轉(zhuǎn)變成活躍的化學(xué)能貯存在ATP中。光反應(yīng)在葉綠體內(nèi)基粒片層的薄膜上進(jìn)行。(板書) ④如果有時間,教師可介紹有關(guān)證明光合作用釋放的氧來自水的實驗。如,美國科學(xué)家魯賓和卡門用氧的同位素18O,標(biāo)記H2O和CO2,使它們分

15、別成為H。18O和C18O 2,然后向一組植物提供H218O和C O2;向另一組植物提供H對和C18O 2。在相同的條件下,植物進(jìn)行光合作用,并對其產(chǎn)生的氧氣進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)前者釋放的氧氣中的氧全是“O2,后者釋放的氧氣中的氧都是O2。證明,光合作用釋放的氧全是來自水。 接著教師指出,光反應(yīng)產(chǎn)生的[H]和ATP是非常活躍的,在葉綠體中不能大量積累,它們具有很強(qiáng)的還原能力,推動光合作用的下一步的進(jìn)行。由此,引出暗反應(yīng)。 (4)關(guān)于暗反應(yīng)的過程,可以從CO2的利用入手,逐步分析其固定、還原、五碳化合物的再生以及光合產(chǎn)物形成過程。如果學(xué)生條件較好,可以通過介紹卡爾文的實驗,討論暗反應(yīng)的過程。在討論

16、中注意講解以下幾點: ①邊講邊板圖(如圖),和光反應(yīng)過程的圖解聯(lián)系成整體圖,幫助學(xué)生直觀地理解這一過程。 ②CO2的固定是在酶的作用下,將葉片吸收的或自身呼吸釋放的一分子CO2,首先和五碳化合物(二磷酸核酮糖)結(jié)合,再分解為兩分子的三碳化物(磷酸甘油酸),這樣氣體CO2被固定。 ③還原過程,是三碳化合物在ATP供能和加氫的情況下,變成三碳糖的過程。在此過程中,原屬CO2中的C進(jìn)入糖的分子中,并把活躍的、不穩(wěn)定的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的化學(xué)能貯存在糖分子中。 ④兩個三碳糖經(jīng)過一系列的復(fù)雜的變化,一部分再形成五碳化合物補充原消耗的五碳化合物,一部分最終形成葡萄糖等有機(jī)物。 ⑤概括暗反應(yīng)。在

17、此反應(yīng)指出:暗反應(yīng)是在葉綠體的基質(zhì)中,需要多種酶催化進(jìn)行的;在光反應(yīng)產(chǎn)生的[H]和ATP的推動下,把CO2原成有機(jī)物并把活躍的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的化學(xué)能貯存在有機(jī)物中。把概括的內(nèi)容,簡捷地板書出來。 (5)在暗反應(yīng)過程學(xué)習(xí)后,以討論的形式,分析光合作用過程中的光反應(yīng)和暗反應(yīng)的關(guān)系。在此,教師可利用已有的板圖,討論出:沒有二氧化碳的固定形成的三碳酸,光反應(yīng)的產(chǎn)物[H]和ATP就會積累,使光反應(yīng)很快停止;沒有光反應(yīng)提供[H]和ATP,三碳酸就不能還原成三碳糖,就木會有五碳化合物的木斷再生以及最終有機(jī)物的合成。五碳化合物迅速減少和三碳酸的積累,必然導(dǎo)致二氧化碳固定的停止。即沒有光反應(yīng),暗反應(yīng)無法持續(xù)

18、地進(jìn)行。所以,光反應(yīng)和暗反應(yīng)是光合作用全過程的兩個階段,它們是相互依存的。 (6)對比完兩個反應(yīng)后,要引導(dǎo)學(xué)生概括光合作用的全過程的物質(zhì)和能量變化,對照反應(yīng)式,指出原料和產(chǎn)物之間的來龍去脈,由學(xué)生配平光合作用的總反應(yīng)式。指出光合作用的物質(zhì)和能量變化的本質(zhì),也由此引出光合作用的意義。 (7)關(guān)于光合作用的意義的教學(xué),可以討論的形式,概括出以下幾點: ①光合作用是生物界最基本的物質(zhì)代謝和能量代謝。通過討論植物、動物等其它生物體中的有機(jī)物及其中的化學(xué)能,歸根結(jié)底是光合作用制造的。在生態(tài)系統(tǒng)中,通過食物鏈和食物網(wǎng),逐級進(jìn)入各種生物體中。因此,綠色植物是生態(tài)系統(tǒng)中的產(chǎn)生者。 ②光合作用制造的有機(jī)

19、物,是人類食品、醫(yī)藥以及需要農(nóng)產(chǎn)品為原料的工業(yè)品中的有機(jī)物和能量來源。人類普遍使用的化石燃料,也來自光合作用的產(chǎn)物。 ③地球上各種生物和人的呼吸要消耗氧氣,呼出二氧化碳。各種燃燒要消耗大量的氧氣,排出二氧化碳。維持大氣中的氧氣和二氧化碳的平衡,依賴于光合作用。綠色植物是“自動的空氣凈化器”。 在討論意義時,要多聯(lián)系人類生產(chǎn)、生活以及人類生存發(fā)展所面臨的問題??膳e例說明。 四、本課題教學(xué)中應(yīng)注意的問題: 1.在教學(xué)中,盡可能地聯(lián)系學(xué)生已有的知識,聯(lián)系學(xué)生生活和生產(chǎn)、環(huán)境,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。 2.在分析光合作用的過程中,根據(jù)學(xué)生的可接受程度,決定深入的程度。 3.由于本課題難點較多,

20、可留些課外作業(yè),鞏固學(xué)習(xí)內(nèi)容,如列表對比光反應(yīng)和暗反應(yīng)的區(qū)別與聯(lián)系等。 小資料 一、植物的光合作用速率: 光合作用速率是光合作用強(qiáng)度的指標(biāo),通常以每小時每平方分米葉面積吸收二氧化碳毫克數(shù)表示。由于植物進(jìn)行光合作用吸收二氧化碳的同時,還進(jìn)行呼吸作用,釋放二氧化碳,這些二氧化碳未出植物體又被光合利用,所以,在光照下測定的二氧化碳的吸收量只是光合作用從外界吸收的量,稱為表觀光合速率。真正光合速率是指植物在光下實際把二氧化碳轉(zhuǎn)化成有機(jī)物的量,即在單位時間內(nèi)、葉面積從外界吸收和自身呼吸釋放二氧化碳的量。 二、影響光合速率的因素: 1.影響光合速率的內(nèi)部因素。據(jù)研究,植物的種類不同,光合速率不同

21、;同一植物在不同的生長發(fā)育階段、同一植株不同部位的葉片(圖2-12)、同一葉片的不同生長發(fā)育時期,光合速率都有明顯差異。 2.影響光合的環(huán)境因素。 (l)光照強(qiáng)度。光是光合作用的能量來源,光照強(qiáng)度直接影響光合速率。在其它條件都適宜的情況下,在一定范圍內(nèi),光合速率隨光照強(qiáng)度提高而加快。當(dāng)光照強(qiáng)度高到一定數(shù)值后,光照強(qiáng)度再提高而光合速率不再加快,這種現(xiàn)象叫光飽和現(xiàn)象。開始達(dá)到光飽和現(xiàn)象的光照強(qiáng)度稱為光飽和點。在光飽和點以下,隨著光照強(qiáng)度減弱,光合速率減慢,當(dāng)減弱到一定光照強(qiáng)度時,光會吸收二氧化碳量與呼吸釋放二氧化碳的量處于動態(tài)平衡,這時的光照強(qiáng)度稱為光補償點(圖2-13),此時植物制造有機(jī)

22、物量和消耗有機(jī)物量相等。據(jù)研究,不同類型植物的光飽和點和補償點是不同的。陽性植物的光飽和點和補償點一般都高于陰性植物。 (2)二氧化碳濃度。二氧化碳是光合作用的兩種原料之一,因此,環(huán)境中二氧化碳的濃度與光合速率有密切關(guān)系。在自然條件下,陸生植物主要從空氣中吸收二氧化碳,水生植物或暫時浸泡在水中的植物體,吸收溶于水中的二氧化碳。 空氣中二氧化碳含量占空氣體積的0.033%左右,據(jù)研究,這一含量對植物光合作用來說是比較低的,在較強(qiáng)的光照下,它限制了光合速率。例如,將棉花、玉米放在二氧化碳為0.064%的空氣中與0.033%的自然條件下進(jìn)行比較,結(jié)果棉花的光合速率提高了1.5倍,玉米的光合速率提高了15%。 (3)溫度的高低。溫度對光合作用的影響比較復(fù)雜,它一方面可以直接影響光合作用中各種酶的活動、光合結(jié)構(gòu),還通過影響其它相關(guān)的代謝活動而影響光合作用。不同植物對溫度反應(yīng)不同,一般最適溫度在25℃。 6 用心 愛心 專心

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