教案：5.4 光合作用与能量转化-【高效备课】高中生物2025-2026学年人教版（2019）必修1同步资源

5.4光合作用与能量转化教案高中生物重在培养学生的科学思维，科学方法，科学精神等生物科学素养。使学生由以前的“学会”到“想学”再到“会学”，故本节课采取“引导——探究”发现式教学法，面向全体学生，倡导探究性学习，以实验探究贯穿整个教学。重视学生对知识的获取，更重视学生获取知识的过程及方法，更突出地培养学生的学习能力。在问题的推动和教师的引导下，学生学习更加主动积极，体现“教为主导，学为主体”的思想。本单元教材依据课程标准中的课程内容是“模块1分子与细胞”：概念2“细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖”。本单元以“能量之源—光合作用”为主题，追溯到细胞能量的源头，追寻生物圈欣欣向荣的能量源泉。课程标准中对本节课的内容要求是“2.2.3说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量，这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中，转换并储存为糖分子中的化学能”，在课程标准的“教学提示”中针对概念2的教学有两条，分别是（4）提取和分离叶绿体色素（5）探究不同环境因素对光合作用的影响。由课程标准要求可知，本节内容侧重引导学生从物质与能量视角探索光合作用，阐明细胞生命活动过程中贯穿着物质与能量的变化。光合作用是植物体最基本的新陈代谢，是生物界物质和能量的基本来源。光合作用知识的掌握为生态系统结构和功能的学习奠定基础，当今人类社会面临的粮食、资源、环境等问题与光合作用有着密切联系，所以光合作用知识在全书教材中占有重要地位，是整个高中阶段的重点，也是高考必考的知识点。本节内容的教学沿着光合作用的发现历程，对光合作用的光反应和暗反应这两个阶段从物质变化和能量转化的高度做深入的探讨和研究，引导学生从物质和能量转变的角度去理解光合作用的实质，同时通过对教材中科学家关于光合作用探究过程的经典实验的学习和分析，使学生体会经典实验所蕴含着科学探究的一般方法，初步建立科学探究的能力。本单元的内容较之前更加抽象和深刻，但是过程生动有趣，与初中知识联系紧密，高一学生对光合作用有一定认知，但不了解光合作用的物质基础和结构基础，无法体会植物精巧结构与复杂生理功能间的协调，同时也不能从物质变化和能量转化的角度认识光合作用，因此无法深刻体会光合作用在生产实践中的应用。但高中生具备一定的观察、认知能力，并具有强烈的探索欲，因此，能理性对探究实验进行分析，进而获得真知。这要求我们授课时能够尽量运用浅显的语言、直观的图解、恰当的问题引导学生分析和解决问题，降低理解这部分知识的难度，同时要设计逻辑严密的课程过程，增强学生对这部分内容的整体和众多细节的认知。根据上述教材结构与内容分析，考虑到学生已有的认知结构特征，制定如下教学目标：生命观念：能从结构与功能观的角度，解释叶绿体的结构是进行光合作用的内在因素。能从物质和能量观的角度，阐明光合作用的原理及其在生态系统中的重要地位。科学思维：能采用归纳与概括、审辨与创新、比较与综合等方法分析、探究、论证与光合作用相关的实验，并能阐明个人观点。科学探究：能基于给定的条件，完成绿叶中光合色素的提取与分离实验，设计与光合作用相关的实验，并对结果进行交流与讨论。社会责任：能利用所学知识参与植物工厂的建设、植树造林的意义等社会事务的讨论与践行。

教学重点：叶绿体适于光合作用的结构特点；光合作用的原理。教学难点：光合作用过程中物质和能量的变化及相互关系；探究影响光合作用强度的环境因素。突破方法：（1）通过由浅入深的讲解，让学生理解光反应和暗反应的过程，区别和联系。（2）通过科学史的讲解，同学们拿到科学家得到的实验结果，推理出相应的结论，培养同学们的推理和论证能力。（3）通过探究活动——环境因素对光合作用强度的影响，让学生掌握光合作用原理在农业生产中的应用。教法：讲解、实验法。用具：课件、视频（绿叶中色素的提取和分离、探究环境因素对光合作用强度的影响）。第1课时学习任务教师活动学生活动设计意图创设情景，导入新课提问：靠人工光源生产蔬菜有什么好处？学生思考，回答：用人工光源生产蔬菜，可以避免由于自然环境中光照强度不足导致作物减产，且人工光源的强度和不同色光是可控的，可以根据植物生长状况进行调节。激发学生兴趣。分析捕获光能的色素和结构阅读教材，讨论正常玉米植株和白化玉米植株的区别，思考“白化苗”能持续正常地生长吗？学生讨论回答：不能，由于“白化苗”不能进行光合作用，待种子中储存的养分耗尽就会死亡。可见植物的生活确实需要色素，依靠色素来吸收光能进行光合作用。提取绿叶中的色素，探究光合色素的种类【探究·实践】绿叶中色素的提取和分离（1）提取绿叶中的色素①称取5g左右的绿叶，洗净，去除粗叶脉，剪碎，放入研钵中。②向研钵中放入少许的二氧化硅和碳酸钙、10ml无水乙醇，进行迅速、充分地研磨。问：加入二氧化硅、碳酸钙的作用是什么？问：研磨时为什么要迅速而充分？③将研磨液迅速倒入玻璃漏斗进行过滤，将滤液收集到试管，及时用棉塞将试管塞严。（2）制备滤纸条将干燥的定性滤纸剪成长与宽略小于试管长与宽的滤纸条，将滤纸条一端剪去两角，并在距这一端1cm处用铅笔画一条细的横线。（3）画滤液细线用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线均匀地画出一条细线。待滤液干后，再画一两次。问：这样操作的原因是？（4）分离绿叶中的色素将3mL层析液倒入试管中，将滤纸条（有滤液细线的一端朝下）轻轻插入层析液中，就不会在滤纸上扩散开来，实验就会失败。问：为什么要用棉塞塞住试管口？（5）观察和记录观察滤纸条上有几条不同颜色的色带？其排序怎样？答：二氧化硅帮助充分磨碎叶片，液泡中含有酸性物质，碳酸钙中和酸性物质，防止色素被酸性物质破坏。答：防止无水乙醇的挥发答：画的细而直是为防止色素带重叠而影响分离效果。画两三次是为了积累更多的色素，使分离后的色素带明显。答：防止层析液中成分挥发，要注意本实验应在通风条件下进行，实验结束时及时用肥皂洗手。因为层析液中一些挥发性物质具有毒性。学生观察结果：胡萝卜素（橙黄色）——叶黄素（黄色）——叶绿素a（蓝绿色）——叶绿素b（黄绿色）引导学生将知识讲解与实验操作相结合，分析实验结果，阐明因果联系，发展分析问题的能力结合叶绿体的结构，掌握光合色素分布的场所叶绿体的结构问：现在，大家仔细观察叶绿体的立体结构示意图，说说它是由哪些结构组成？叶绿体的外表有双层膜，双层膜是一种透明膜，膜是透明的，有什么好处？问：同学们思考一下，叶绿体内有如此多的基粒和类囊体，有什么用？学生阅读书本内容作答答：它包括外膜、内膜、基粒和基质4个部分。答：有利于光线的透过且被色素吸收。答：叶绿体内部有许多基粒，基粒与基粒之间充满基质。每个基粒都是由一个圆饼状的囊状结构堆叠而成，这些囊状结构称为囊状体。吸收光能的四种色素，就分布在类囊体的薄膜上。每个基粒都含有2个以上的类囊体，多者可达100个以上。据计算，1g菠菜叶片中类囊体的总面积竟达60平方米左右。极大地扩展了受光的面积。培养学生的大胆展示自我的精神，培养学生的语言表达能力和分析问题的力。通过恩格尔曼实验，了解叶绿体的功能问：叶绿体的作用仅仅是吸收光能吗？恩格尔曼实验是如何进行的？恩格尔曼实验的结论是什么？（2）恩格尔曼的实验方法有什么巧妙之处？答：1880年，美国科学家恩格尔曼把载有水绵和好氧细菌的临时装片放在没有空气的黑暗环境中，然后用极细的光束照射水绵。他发现细菌只向叶绿体被光束照射到的部位几种；如果临时装片暴露在光下，细菌则分布在叶绿体所有受光的部位。用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域。答：氧是由叶绿体释放出来的，叶绿体是光合作用的场所。叶绿体中的色素主要通过吸收红光和蓝紫光来进行光合作用。答：①实验材料选择水绵和好氧细菌。水绵的优点是叶绿体呈螺旋式带状，便于观察；好氧细菌的优点是可确定释放氧气多的部位。②没有空气的黑暗环境排除了氧气和光干扰。③用极细的光束照射，叶绿体上可分为光照多和光照少的部位，相当于一组对比实验。④临时装片暴露在光下的实验再一次验证实验结果。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。第2课时学习任务教师活动学生活动设计意图通过科学史的学习，探究光反应过程的反应物、产物、反应条件等1.鲁宾和卡门的实验：用18O分别标记了二氧化碳和水，分别检测释放出的氧气是什么类型结论：光合作用释放的氧气中的氧来自水2.希尔实验：给离体叶绿体悬浮液加入氧化剂，不通入CO2，给予光照，以此确定氧气的来源结论：光合作用释放的氧气中的氧来自水而不是二氧化碳3.阿尔农实验（1）：使用离体的叶绿体，加入adp和磷酸，然后给予光照，看能否合成ATP结论：光照下，水光解产生氧气的同时，ADP和磷酸合成了ATP学生阅读教材，梳理光反应阶段的内容：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。H2O2H++2e+O2NADP++2e+H+NADPHADP+Pi+能量ATP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。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1.阿尔农实验（2）：使用离体的叶绿体，供给ATP、NADPH和CO2，在黑暗条件中，叶绿体中有糖类生成。结论：黑暗条件下，CO2合成糖类需要ATP和NADPH。2.卡尔文实验（1）：给小球藻提供用同位素标记的14CO2，不同时间杀死小球藻并纸层析分离，鉴定放射性物质。在产物中先出现14C3，然后是14C5、14C6结论：14CO2中的C进入了C3，再进入C6和C53.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之间是相互循环的学生阅读教材，梳理光反应阶段的内容：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+C52C3②三碳化合物的还原：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。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。从物质和能量角度分析光反应和暗反应的联系和区别从光反应和暗反应的实质、时间、条件、场所、物质转化、能量转化等方面列出表格进行对比，分析光反应和暗反应的联系和区别学生阅读教材，结合课堂内容填写表格从“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第3课时学习任务教师活动学生活动设计意图探究·实践探究环境因素对光合作用强度的影响实验理论讲解阅读教材：“探究实践”活动，并播放演示实验。学生观看视频，分析实验现象培养学生科学探究能力分析各因素对光合作用强度的影响，并用图像表示影响光合作用的因素：光照、、温度、水、矿质元素等。教师分别介绍该因素对光合作用的影响。学生绘制不同因素对光合作用强度影响的图像。培养学生的归纳总结能力。结合农业生产实例思考相关问题如何帮助农民伯伯增加蔬菜中有机物的产生，提高产量？1.增加光照强度，延长光照时间2.提高CO2浓度3.增大昼夜温差与生活实际联系，培养学生的社会责任感补充：化能合成作用教师提问：1.什么是自养生物？什么是异养生物？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？学生阅读P105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。拓展学生视野，重视生物学中的个例第4课时探究·实践探究环境因素对光合作用强度的影响（实验室中进行）影响光合作用强度的因素有很多，你们可以选择其中某种因素，探讨它与光合作用的强度有什么关系。你们可以参考以下案例的思路，通过小组讨论，决定本小组要探究的环境因素和实验方案。【实验原理】：本实验利用了绿色植物通过叶绿体进行光合作用产生氧气的原理。将绿色的嫩叶抽气，使其内部气体全部逸出(真空渗水法)，细胞间隙充满了水，浮力减小，叶片就会沉到水底。【参考案例】探究光照强度对光合作用强度的影响。一、材料用具打孔器，注射器，5WLED台灯，米尺，烧杯，绿叶（如菠菜、吊兰等）。有条件的学校可以使用化学传感器来测量O2的浓度。实验材料：圆形小叶片。注射器的作用：排出圆形小叶片中的气体。二、实验原理再给予叶片一定强度的光照，一段时间后因光反应产生的氧气会充斥在叶片的细胞间隙中，浮力增大，叶片会从水底浮起（O2在水中的溶解度很小）。光照强度不同，光反应产物的多少也不同。可以用相同功率的光源在不同的距离照射水中的嫩叶，来调节光照的强度，形成光照强度不同的条件。通过①观察同一时间内装置中叶片浮起的数量，或②观察不同光照强度下浮起相同数量叶片所需的时间，来探究光照强度对光合作用强度的影响，并由此认识环境因素对光合作用强度的影响。自变量：光照强弱（控制方法：不同瓦数的灯或相同瓦数台灯离实验装置的距离）。因变量：光合作用强度（检测方法：相同时间小圆形叶片浮起的数量）。无关变量：要求相同且适宜（控制方法：如温度，用中间的盛水玻璃柱吸收热量排除干扰）三、方法步骤1.取材：取生长旺盛的绿叶，用直径为0.6cm的打孔器（目的是制备圆形小叶片）打出圆形小叶片30片（避开大的叶脉）。2.排气：将圆形小叶片置于注射器（目的：使圆形小叶片内的气体溢出）内。注射器内吸入清水，待