光合作用

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教学目标

一、知识方面
　　1、使学生了解光合作用的发现过程。
　　2、使学生了解叶绿体中色素的种类、颜色及其吸收的光谱；初步学习光合色素的提取方法及其在滤纸上的分布。
　　3、掌握光合作用的概念、实质、总反应式、光反应、暗反应的具体过程、光反应与暗反应的区别与联系及光合作用的意义。
　　4、应用所学的光合作用的知识，了解植物栽培与合理利用光能的关系。
二、能力方面
　　1、通过叶绿体色素的提取与分离实验，初步训练学生的实验室操作技能及相关仪器、药品的使用能力。
　　2、通过探讨光合作用的氧来源，初步训练学生的实验设计能力。
　　3、通过分析、讨论光合作用的光反应和暗反应具体过程，培养学生良好的思维品质。
三、情感、态度、价值观方面
　　1、通过学生对绿色植物的光合作用意义的理解，增强学生保护生态环境的意识。
　　2、通过学生讨论“如何利用光合作用的原理提高作物产量”这一问题，加强对科学、技术、社会（STS）的关注。

教学建议

教材分析
　　因为光合作用在绿色植物的新陈代谢以及整个生态系统的物质循环和能量流动中，具有十分重要的意义，所以本节是本章的重点内容之一。教材这一节主要讲述了光合作用的发现过程、叶绿体和其中的色素（并且安排了叶绿体中色素的提取和分离的学生实验）、光合作用的过程、光合作用的重要意义以及植物栽培与光能的合理利用。义务教育初中生物教材已经讲述了光合作用的基础知识，安排了绿叶在光下制造淀粉的实验。本节在此基础上，更加深入地从产物和场所等方面讲述了光合作用发现过程中的几个著名的实验；讲述叶绿体和其中的色素、让学生学会提取和分离叶绿体色素。
　　一、教材首先向学生展示了人类研究光合作用这种地球上最重要的生理过程的艰苦历程，同时介绍了在研究光合作用过程中的几个著名实验，如：1771年，英国科学家普利斯特利证明植物可以更新空气实验；1864年，德国科学家萨克斯证明了绿色叶片在光合作用中产生淀粉的实验；1880年，德国科学家恩吉尔曼证明叶绿体是进行光合作用的场所，并从叶绿体放氧的实验；20世纪30年代美国科学家鲁宾和卡门采用同位素标记法研究证明光合作用释放的氧气全部来自水的实验。介绍这些实验的目的是使学生懂得实验是探究生物科学的基本方法，从而培养学生实事求是的科学态度、不断探求新知识的创新精神。
　　二、叶绿体中的色素是本节的重点，实验是本节的难点。
　　学生必须在搞清楚叶绿体中色素的种类及其吸收光谱，基粒片层结构的垛叠形式、色素在片层上的分布、基粒和基质的关系基础上，才有可能深刻理解光合作用的光反应和暗反应及其相互关系。
　　教材在介绍叶绿体中的色素时，设计了一个学生实验，即《叶绿体中色素的提取和分离》，使学生易于对叶绿体色素有一个感性认识。本实验可以在讲授完叶绿体色素后作为验证实验处理，也可用于叶绿体色素的探究实验；另外教材中叶绿体中各色素的吸收光谱也可作为课上学生讨论叶绿体色素生理作用的探究课题处理。
　　三、教材中光合作用的过程是本节的重点内容，也是本节的难点。

1、其中光合作用的总反应式，即

　　

　概括出了光合作用的场所、条件、原料、产物及氧气的来源，但是，该反应式不足以表示光合作用的具体过程。因此，教材以图解的形式简明扼要地介绍了光合作用的两个重要过程，即光反应和暗反应。
　　2、光反应阶段
　　教材中光反应阶段可概括为光反应场所和光反应过程两个方面。
　　（1）光反应场所：叶绿体基粒片层结构的薄膜（类囊体）上进行。
　　（2）光反应过程：光反应的本质是由可见光引起的光化学反应，可分为两方面内容：
　　①水的光解反应：通过光合色素对光能的吸收、传递，在其中部分光能作用下把水分解为氢和氧，氧原子结合形成氧气释放出去，氢与NADP结合形成NADPH，用[H]表示，叫做还原性氢，作为还原剂参与暗反应。
　　②ATP的合成反应：另一部分光能由光合色素吸收、传递的光能转移给ADP，结合一个磷酸形成ATP，也就将光能转变成活跃的化学能储存在高能磷酸键上。
　　3、暗反应阶段
　　教材中暗反应阶段也可概括为暗反应场所和暗合应过程两个方面。
　　（1）暗反应场所：叶绿体基质中进行。
　　（2）暗反应过程：暗反应实际上是一个由多种酶的催化才能完成的酶促反应，光对暗反应没有影响。主要包括三个步骤：
　　①二氧化碳的固定：一个二氧化碳分子与一个五碳化合物分子结合形成两个三碳化合物分子，这个反应的作用在于使反应活性不高的二氧化碳分子活化。
　　②三碳化合物的还原：在有关酶的催化下，一些三碳化合物接受光反应产生的ATP分解时释放的能量并被光反应产生的[H]还原，经一系列复杂的变化，形成糖类，一部分氨基酸和脂肪也是由光合作用直接产生的。
　　③五碳化合物的再生：另一些三碳化合物则经复杂的变化，又重新生成五碳化合物，从而使暗反应阶段的化学反应不断地进行下去。
　　4、教材中光合作用的意义可从以下几个方面归纳：光合作用是生物界有机物的来源； 光合作用是生物生命活动所需要能量的来源；光合作用可调节大气中氧气和二氧化碳的含量；光合作用在生物的进化具有重要作用，即：使无氧呼吸进化为有氧呼吸成为可能，同时为水生生物进化到陆生生物创造了条件。
　　教材在最后总结道：“光合作用是生物界最基本的能量和物质代谢”，充分概括光合作用在生态系统中的地位。
　　5、植物栽培与光能的合理利用是教材的选学内容，其目的是使学生意识到科学、技术、社会（STS）的理念，这部分内容易于调动起学生的讨论热情。

教法建议
　　1、引言
　　因为与光合作用相关的问题涉及面非常广泛，尤其是一些广为人们关注的话题，所以本节可引入的话题很多，如可从全世界面临的一些生态危机，如粮食、化石能源、环境污染等，或从花卉、农作物、果蔬的栽培方法或增产的措施；或从一些自然灾害，蝗灾、沙尘暴等入手；或动物、植物的同化作用区别等等方面切入光合作用的。这样的引入方式，可有意识地培养学生的社会责任感，也可较好地体现科学、技术、社会的教育的精神。

www.jiaoxue51.com　　2、光合作用的发现
　　这部分的教学要特别重视，这不仅仅是进行科学史的教育，学生可从科学家二百多年的研究历程体会到科学发现的艰难；同时还能感受到科学研究方法的重要；实验设计的巧妙，如1880年德国科学家恩吉尔曼证明叶绿体是进行光合作用的场所，并从叶绿体放氧的实验；以及新技术、新理论的发现和综合应用在科学发现中的重要作用，再一次体验科学、技术、社会的理念。例如，没有核科学的进展，就不会有放射性同位素示技术，也就不会有美国科学家鲁宾和卡门采用同位素标记法研究证明光合作用释放的氧气全部来自水的实验。
　　3、引导学生讨论叶绿体中的光合色素及其生理功能时，《实验八 叶绿体中色素的提取和分离》可以在讲授完光合色素后作为验证实验处理，也可用于光合色素的探究实验，这样做不但可使学生学会有关方法，激发学生学习生物学的兴趣，还可加深对这部分知识的认识，同时训练其实验探究能力；在引导学生讨论叶绿体中各色素的吸收光谱时，教材上的光合色素吸收光谱曲线可作为课本探究的素材，以训练学生分析曲线的能力。
　　4、光合作用过程的的教学是本节的核心内容。教学时可从光合作用的总反应式入手，或从与初中阶段的光合作用总反应式的比较入手，可采用老师讲授，或学生讨论，或学生根据总反应式提出光合作用氧来源假设，即水中的氧是来源于水还是二氧化碳，还是共同来源于二者，条件好的班还可让学生想办法证明这些假设，以训练学生的实验设计能力。通过总反应式的分析，应使学生明确光合作用氧来源这一关键问题。
　　在学生理解了光合作用总反应式的基础上，使学生明确另一个重要观点，即光合作用是非常复杂的多步反应，总反应式不能表示光合作用具体的进行历程，这样很自然地就引入了光合作用的光反应和暗反应的过程的学习。
　　光合作用光反应与暗反应教学时，因为都是较为枯燥的化学反应过程，且又无法在实验中让学生看到这些变化，可采取图解、表解或多媒体动画的方式展示给学生，这样学生一是乐于接受，二是学生能“亲眼看到”物质的微观化学变化，也降低了理解这部分知识内容的难度。还应引导学生讨论光合作用的光反应与暗反应之间的区别和联系，尤其是二者的联系应多加注意。
　　时间允许的话，还可引导学生讨论影响光合作用的因素，进而讨论“如何提高光合效率的途径”，“采取哪些措施提高农业产量？”等问题，使学生体会到学习生物学理论的实际价值，强化学生学以致用、理论联系的理念。
　　5、进行光合作用的意义的教学时，可以在课前自己收集或让学生收集诸如当今世界面临的粮食、化石能源、环境污染、生物多样性受到破坏等资料，课上选择几个典型的事例，围绕光合作用的生态意义这个中心，引发学生的思考和讨论，使学生切实体会到“光合作用是生物界最基本的能量和物质代谢”。
　　6、植物栽培与光能的合理利用的教学，可以综合性讨论题的形式，比如：学生能利用光合作用原理，提出在农业生产中提高作物产量的具体措施吗？这样的问题容量使学生有更大的想象和思维的空间，也易于在高中学生中展开讨论。

教学设计方案

【课题】  第三节 光合作用

【教学重点】光合作用的发现过程；叶绿体中色素的种类；颜色及其吸收的光谱；光合色素的提取方法及其在滤纸上的分布；光合作用的概念、实质、总反应式、光反应、暗反应的具体过程；光反应与暗反应的区别与联系及光合作用的意义；植物栽培与合理利用光能的关系。

【教学难点】光合色素的提取方法及其在滤纸上的分布；光反应与暗反应的区别与联系及光合作用的意义

【课时安排】2课时

【教学手段】板图、挂图、多媒体课件、实验

【教学过程】

第一课时

1、引言

　　本节可引入的话题很多，如：

　　①可从全世界面临的一些生态危机，如粮食、化石能源、环境污染等入手；

　　②或从花卉、农作物、果蔬的栽培方法或增产的措施入手；

　　③或从一些自然灾害，蝗灾、沙尘暴等入手；

　　④或动物、植物的同化作用区别等等方面切入光合作用；

　　⑤还可通过教材提供的光合作用的发现所列举的几个著名实验为切入点进入光合作用的学习，其中较易作为切入点的实验有：德国科学家萨克斯成功地证明了绿色叶片在光合作用中产生淀粉的实验（学生在初中就做过）；德国科学家恩吉尔曼证明叶绿体是进行光合作用场所，且氧由叶绿体释放出来的实验；20世纪30年代美国科学家鲁宾和卡门采用同位素标记法研究证明光合作用释放的氧气全部来自水的实验。

　　教师应特别重视光合作用发现这部分内容的教学，因为通过分析科学家对光合作用的研究历程，学生可以不仅了解到放射性元素示踪技术在生物学研究中的重要作用，从中也可以深切体会到技术的发现和应用，特别是物理、化学技术的使用对生物学起到的推动作用，因此有人说“技术是人类延长了的手臂”。

　　2、叶绿体及其光合色素

　　用板图或挂图显示出叶绿体结构模式图，提问复习叶绿体的亚显微结构，教师应适时指出，光合作用所以能在叶绿体中进行一是由于其中含有催化光合作用的酶系，这些酶分布在叶绿体的基质中和片层的薄膜上；二是在基粒片层的薄膜上，有吸收转化光能的色素，这样就引出了叶绿体上的光合色素这一教学内容。

　　（1）学生做《实验八  叶绿体中色素的提取和分离》

　　可作为探究实验，也可作为验证实验，但实验过程都应让学生自己看书总结，之后引导学生讨论下面的问题：

　　①“想要做好《叶绿体中色素的提取和分离》实验，学生应注意哪些问题？

　　这个实验是高中生物学实验难度较大的一个，涉及的药品多，实验原理复杂，实验操作也较烦琐，而且实验现象也不是很明显。如何才能顺利地完成这个实验呢？下面就这个实验要注意的问题做一些说明。

　　提取光合色素过程中，关键是速度。提取光合色素过程中，因为光合色素都是脂溶性的，因此用丙酮这种有机溶剂作为提取液，因为丙酮易挥发且有一定毒性，因此提取过程要速度要快，同时提取液要用胶塞塞好，以防止其挥发；利用二氧化硅硬度极大的特点，其粉末可增加研磨时磨擦力，加快研磨的速度；又因为叶绿素容易破坏，因此需要保护，而碳酸钙的作用是防止叶绿素被破坏；把绿叶剪碎的目的也是为了加快研磨速度。

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　　划滤液细线是本实验的结果明显清晰的关键。滤液细线必须待第一次完全干燥后才能划第二遍，重复次数可多一些，滤液细线要齐、细、颜色深，其中齐更重要一些。

　　用纸层析法分离色素时，特别要注意滤液细线一定要处于层析液的上面，否则光合色素会溶解于层析液中，而不会沿层析液向上扩散、分离，这会使实验效果极差，甚至不发生分离，导致实验无效；另外，层析液是石油醚、丙酮、苯等有机溶剂的混合液，具有挥发性且有毒，要注意密闭。

　　正常的实验现象从上到下应为：胡萝卜素（橙黄色）、叶黄素（黄色）、叶绿素（a）、叶绿素（b），一般可看到下面三种色素，最上面的胡萝卜素如果操作不适当效果可能不很明显。

　　还有这个实验过程用了有毒的有机药品，因此实验后要用肥皂把手洗干净。

　　在学生观察的基础上，教师总结光合色素的种类、色素颜色、色素的吸收光谱及在滤纸条分布。

　　②学生实验结束后，教师可给学生演示叶绿体的色素吸收光谱的现象。方法是：用红、橙黄、绿、蓝紫色的薄膜，分别遮住同一光源。把盛有叶绿体的色素提取液的试管，分别放在红、橙黄、绿、蓝紫色光前、让学生观察这些光透过色素提取液的情况。可明显地看到红和蓝紫色光透过的较少（暗），橙黄和绿色光透过的较多（亮）。引导学生分析这些现象，得出叶绿体中的色素，主要吸收红光和蓝紫光。在此基础上，出示教材中的光合色素吸收光谱曲线，引导学生分析曲线含义，总结光合色素吸收光波的不同特点。

　　③教师还可引导学生进一步分析叶绿体结构特点与其光合作用功能相适应的特点，例如：与光合作用有关的各种酶集中分布于叶绿体中，有利于光合反应高效地进行；再如，叶绿体内的片层薄膜，垛叠成基粒，每个基粒由10~100个片层结构组成，这样的结构可增大叶绿体内的膜表面，扩大色素的附着面，有利于提高光能的利用效率

　　（2）有条件的学校或班级还可引导学生对色素、光合色素有关的问题做较为深入的讨论，比如可讨论下面几个问题：

　　①学生知道我们平常吃的韭黄和蒜黄是怎么培育出来的吗？

　　这个问题涉及到了植物叶绿素合成时的条件问题。

　　叶绿素是光合色素中最重要的一类色素。绿色植物的叶绿体中有四种色素，绿色植物只在光下才能合成叶绿素，这样学生已经知道这个问题的答案了。韭黄、蒜黄是在黑暗条件下培育出来的，因为植物此时不能合成叶绿素，只能长成黄化苗，而黄化苗的薄壁细胞比较多，所以吃起来比较嫩，口感比韭菜、蒜苗好一些。但要注意，植物不能长期处于无光条件下，这个道理学生应该是明白的。

　　叶绿素的形成除了有光照之外，还与什么因素有关呢？叶绿素是一种较复杂有机化合物，其中心存在一个镁离子，因此叶绿素的形成还与镁这种矿质元素有关，没有镁，叶绿素也是形成不了的。

　　②如果土壤短期缺镁，植物的叶片会出现什么现象呢？

　　可给学生适当的提示，镁与叶绿素是以不稳定化合物的形式存在的。学生可以想一想我们在植物矿质代谢中学习的内容，还记得吗？有两类矿质元素可以移动，一是像氮、磷、钾这样以离子态运输的矿质元素，还有一就是像镁这样与不稳定化合态存在的矿质元素；另一类矿质元素不能自由地在植物体内移动，如钙、铁这样以稳定难溶的状态存在的化合物。能移动的矿质元素才能被重复利用，而且这些矿质元素一般都运输到植物体生长比较活跃的地方，如茎尖、芽尖、幼叶等处。因此土壤中短期缺乏镁这种可移动的离子时，整个植物体中的叶片受损伤的程度是不一样的，此时老叶先受损变黄，而幼叶暂时不会受到缺镁的损伤，依然鲜绿。反之，如果土壤中缺乏的是钙、铁这些不能移动的离子，植物体首先受损伤的则是新叶。

　　③浅海中自上而下为什么会出现绿藻、褐藻、红藻等藻类植物的分层分布现象？

　　这也是一个和光有关的生物学问题。

　　我们平常看到的物体的颜色实际上是这个物体反射的光，如学生看到叶片是绿色，说明叶片反射绿光，而吸收了其它色光；学生看到一个物体是白色的，说明这个物体不吸收任何光，并全部反射回来；学生看到一个物体是黑色的，说明这个物体把所有光都吸收了，没有反射任何光。这是理解这个问题的关键。通过上面的分析学生可能已经知道，绿藻反射了绿光；褐藻反射了黄光，而红藻反射了红光。

　　绿藻中含有叶绿素等光合色素，红藻中有藻红蛋白（藻红素）和类胡萝卜素等光合色素。图1是太阳光的光谱示意图；图2中A是藻红蛋白的吸收光谱示意图。

图1

图2

　　通过学生所学的物理学知识，知道光子能量E=hυ，光速c =λυ， 则：υ=c/λ，从而E=（h c）/λ，即波长越短，光子的能量越高。由此可知，水层对光波中的红、橙部分吸收显著多于对蓝、绿部分的吸收，即水深层的光线相对富含短波长的光。

　　所以吸收红光和蓝紫光较多的绿藻分布于海水的浅层；含藻红蛋白和类胡萝卜素，吸收由蓝紫光和绿色光较多的红藻分布于海水深的地方。这是植物在演化过程中，对于深水中光谱成分发生变化的一种生理适应。

　
    

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