5.4光合作用的原理和应用教案2022-2023学年高一上学期生物人教版必修1

《光合作用的原理》教学设计
一、教学内容分析
《光合作用的原理》是人教版高中《生物学·必修1·分子与细胞》第5章“细胞的能量供应和利用”的第4节第2课时内容，分为光合作用的原理和应用两部分，根据学情计划分别用两个课时完成。

主要的目的是认识细胞生命活动中物质和能量的统一，探索该过程中发生的物质变化和能量转化。

结合本章第3节“细胞呼吸的原理和应用”，共同体现生命系统的物质与能量观。

二、学情分析授课对象是高一学生，学生通过对前面知识的学习已
经了解了光合色素、叶绿体的结构、酶、ATP等相关知识，在初中阶段的学习已经对光合作用有了大体的认识，如“光合作用制造氧气，制造营养”，但是学生对光合作用详细的过程有待深入探究。

高中学生具备了一定的观察、认知能力以及小组合作能力，分析思维的目的性、连续性和逻辑性也已初步建
立，但还很不完善。

所以在教学过程中，应创设学生活动的机会，并进行适当的引导，让学生成为学习活动的主体。

三、教学目标及重难点
《普通高中生物学课程标准（2017年版）》明确要求学生能“从物质和能量的视角，探索光合作用，阐明光合作用过程中贯穿的物质和能量变化”。

因此，物质与能量观是“光合作用的过程”教学要向学生渗透和阐释的一项重要的生命观念。

依据上述要求，结合学生学情，制订本节课的教学目标如下。

（1）阐明光反应和暗反应阶段的物质和能量变化；认同细胞生命活动过程始终贯穿着物质和能量的变化，形成物质和能量观等生命观念。

（2）分析科学史资料，在问题串的驱动下不断进行小组合作探究，进行光合作用概念的模型建构，深化对概念的理解，培养搜集处理信息以及表达交流能力，发展科学思维。

（3）课外查阅资料和搜集信息，将课堂探究与课外探究相结合，对现实问题进行科学分析，学会科学解决现实生活中的问题，担负社会责任。

四、教学策略本节课通过分析科学家研究光合作用的科学史资料，在问题串的不断驱动下，引导学生自主建构光合作用的概念模型，理解光合作用的原理，提高学生解决问题的能力，发展学生的科学思维。

同时认同绿色植物在改善环境方面的重要性，形成生态意识，生成社会责任。

五、教学过程总体设计思路如下：从光合作用的总反应式入手，提出问题：“CO2 和H2O是如何合成（CH2O）和O2的呢？”和“光能又是怎样储存到有机物中的呢？”。

通过引导学生分析希尔反应、鲁宾和卡门实验得出氧气仅来自于水的结论，并进一步根据阿尔农和贾格道夫的实验分析并推理光反应过程，教师结合视频讲解强化后师生共同总结光反应过程的物质和能量变化。

通过引导学生分析讨论卡尔文实验，逐步认识二氧化碳还原成糖类的过程，总结暗反应过程的物质和能量变化，并依据阿尔农的实验建立其与光反应的
联系。

最后引导学生自主建构光合作用的概念模型，并通过课后作业将课堂探究与课外探究相结合，使学生形成生态意识，生成社会责任。

具体教学过程如下：
【课前准备】提前把学案给课代表，并让其发给每位同学。

教师提前进入录播教室打开多媒体课件并确认课件能够正常打开，图片能够正常显示，视频可以流畅播放。

【导入新课】温故知新，提出问题教师：在初中阶段大家就学习过光合作用，现在请大家回顾初中所学知识，谈谈对光合作用的理解。

（教师注意引导从原料、产物和条件等方面考虑）学生活动：请一位学生回答，其他学生补充，复习初中阶段光合作用的概念。

（预期回答光合作用的概念：光合作用是指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。

）教师：那光合作用如何用化学式来表示呢？请大家完成学案上光合作用总反应式的书写。

（下去看大家写的情况并请一位学生在黑板上进行书写）。

设问：那CO2和H2O是如何合成（CH2O）和O2的呢？光能又是怎样储存到有机物中的呢？这是我们今天主要探究的两个问题。

我们先来解决第一个问题，O2的来源有哪些可能？
学生：①可能来自CO2②可能来自H2O③可能来自CO2和H2O
教师：那到底是哪种可能呢？让我们一起回到19世纪，跟随科学家的脚步来解决这一问题。

【光合作用研究--希尔反应】
（PPT展示“希尔反应”材料，自主阅读学案材料并回答问题）教师：请大家自主阅读学案上“希尔反应”的材料，思考并完成学案上的希尔实验表达式。

（给1min时间，请1位同学分享）
教师：反应式的产物之一是O2，另一个产物如何确定？
学生：Fe3+得电子成Fe2+，电子来自水中的H，H失去电子变成H+。

教师：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？学生：能，因为悬浮液中没有CO2，糖类合成时需要CO2中的碳元素。

教师：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？学生：不能，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中其他物质的干扰，也并没有直接观察到氧元素的转移。

）教师：希尔实验可以证明O2来自H2O。

能否确定O2全部来源于H2O？
若要证明02全部来源于H2O或者也来源于CO2，可采用什么方法？学生：同位素标记法。

教师：那当初的科学家为了探究O2的来源也是运用了同位素示踪的方法，我们来看看他们的实验是怎么做的？【光合作用研究--鲁宾和卡门实验】
教师：（详细讲解）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02的来源。

他们用16O的同位素180分别标记H2O和CO2，使它们分别变成H218O和
C18O2。

随后，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18O2。

教师：分析实验结果，能得出什么结论？学生：光合产物氧气中的氧全部来自于原料中的水。

教师：（对学生回答进行评价）H2O的氧元素变成了氧气，那氢元素去哪里了呢？
【光合作用研究--阿尔农的实验】
（PPT展示阿尔农实验，引导学生阅读学案上的材料二并完成思考题）教师：从阿尔农的实验中我们发现，不同于水的电解过程，水的光解过程中伴随着合成ATP和NADPH的反应。

NADPH 的形成过程需要氢离子的参与，但是并不意味着水光解产生的氢离子全部用于形成NADPH。

之前我们已经学习了ATP是细胞能量的“货币”，所以在物质变化的同时，能量也从光能转变成化学能暂时储存在ATP 和NADPH中。

可是
ATP的合成除了ADP、Pi和ATP合成酶之外，还需要能量，这个能量来自哪里呢？是直接由光能转化的吗？还是有其他的能量形式呢？我们先来看一个实验。

【光合作用研究--贾格道夫的实验】
教师讲解实验过程及结果：①将从叶绿体中分离到的有活性的类囊体置于pH为4的缓冲介质中一段时间后，类囊体膜内外的pH都为4。

将上述部分类囊体取出，转移到pH为8的缓冲溶液中，剩余的类囊体继续置于pH为4的缓冲溶液中。

加入等量的ADP和Pi后在无光条件下放一段时间。

实验结果：A组检测到有ATP生成，B组未检测到
ATP生成。

请大家以小组为单位，思考并讨论完成学案上的3个思考题。

（5min）
1、本实验的自变量是什么？因变量是什么？
2、分析实验结果，可得出什么结论？
3、在叶绿体内，类囊体膜通过__________（主动运输/协助扩散/自
由扩散）的方式才能创造其两侧的H+浓度差。

教师：那我们来回忆一下，主动运输发生的条件。

主动运输是在逆浓度梯度下，借助载体蛋白和细胞内化学反应所释放的能量发生
的。

可是这里H+的运输用的是什么能量呢？我们来看光反应的过程就能明白了。

【光合作用研究--光反应详解】教师结合PPT图讲解水的光解过程：类囊体膜上的色素吸收光能并传递给特殊叶绿素a，使其电子被激发。

电子不断向类囊体膜上连续排列的蛋白质进行传递，形成了电子流。

类囊体膜上的蛋白质分子消耗高能电子的能量，空间构象发生改变，用以将H+从基质泵入类囊体腔内，使膜内侧的H+浓度高于膜外侧（膜内侧的H+类似于水坝高处的水，具有势能）。

类囊膜对H+是高度不通透的，H+只能从ATP合成酶的通道进入基质中。

H+从ATP合成酶中渗透出去，使ADP结合，生成
ATP，由此H+势能转变为ATP中的化学能（类似于水坝高处的水流向低处，带动水轮机转动，势能转化为动能）失去电子的特殊叶绿素a 向另一蛋白D1特殊位点夺取电子，该蛋白继而向水分子夺取电子，同时使水分子裂解，形成分子氧和H+，发生了水的光解。

教师：那我们再来观看一个视频，深化理解这个过程。

（观看视频过程中教师进行讲解）教师：我们一起来总结一下光反应阶段物质和
能量的变化。

（PPT展示）
教师：至此我们已经认识了H2O形成O2的过程和光能转化为ATP和NADPH中的化学能过程，那CO2是如何合成（CH2O）的？ATP和NADPH 中的化学能是怎样储存到有机物中的呢？20世纪40年代，卡尔文和他的同事利用小球藻作为实验材料研究了（CH2O）的合成过程。

（介绍实验装置和卡尔文实验过程，PPT展示实验装置）师生共同
讨论后，教师总结：卡尔文和他的团队花了近10年的时间，最终证实了暗反应的确是一个循环的过程（展示卡尔文循环过程图解）。

从二氧化碳到糖类的中间产物有十几种，是一个复杂的过程，需要多
种方法巧妙配合。

卡尔文因这一伟大发现而获得了诺贝尔奖。

卡尔
文循环呈现了C的转移路径，即有机物的形成过程，与前面研究水
光解产生02的过程是否存在一定的联系？再回到阿尔农的实验继续
研究。

PPT展示补充资料：阿尔农发现，在黑暗条件下，只要供给了ATP 和
NADPH，叶绿体就能将CO2转变为糖类，同时ATP和NADPH的含量急
剧下降。

学生：水的光解为卡尔文循环提供了ATP和NADPH。

教师：ATP和NADPH参与生成C3的过程。

思考光合作用过程中光能
是经过怎样的转化储存到糖类中的？
学生：光能首先被色素吸收，转化成ATP和NADPH中的化学能，再
转移到糖类等有机物中。

总结暗反应过程中物质和能量的变化。

【构建光合作用过程】——通过小组合作，自主构建光合作用过程
教师：请根据本节所学内容，在学案上构建光合作用的过程图。

学
生分组讨论交流，完成学案。

5min后，两名学生在黑板上共同完成
过程图的绘制。

【课后作业】
1、在理解光合作用原理的基础上，思考哪些因素会影响光合作
用，光合作用在农业生产中有哪些具体的应用?
2、关注全球气候问题，搜集有关“碳中和”的资料，思考我们
可以为早日实现“碳中和”做什么努力？从以上内容中任选其一进
行资料搜集，下次上课进行分享。

六、板书设计
光合作用的原理
一、总反应式三、暗反应物质
能量
二、光反应物质
能量
七、教学反思
融入于真实连贯情境中的课堂教学，能够有效提升学生高阶思维，
本节课多层次、多维度地培养学生的生物学核心素养。

但在课堂实
施过程中发现，作为新授课，尤其授课对象为高一学生，他们对文
字和图片信息的提取和分析能力还有待提高，因此要求教师在课前
需做好充分的课堂预设，在课堂实施的过程中充分尊重学生的多维
思考，做好引导和点拨教学。