第1節光合作用

一、光能在葉綠體中的轉換

光能在葉綠體中的轉換

【教學目標】

知識目標

1.知道光能在葉綠體中如何轉換成電能，進而轉換成活躍的化學能的過程

2.瞭解nadph和atp中活躍的化學能，在暗反應中轉換為儲存在糖類等有機物中穩定化學能的過程

情感目標

通過學生對課件的分析與討論，提高學生的合作精神和認真探索知識的嚴謹科學態度，並激發學生學習生物科學的興趣及熱情

能力目標

1.理解和獲取生物科學基礎知識的能力

2.提高學生的科學判斷、推理等思維能力和觀察力

3.學會運用新知識解決和分析實際問題，理論聯繫實際的能力

【教學重點】1.光能轉換成電能2.電能轉換成活躍的化學能

【教學難點】光能轉換成電能

【教學方法】討論法、講授法、演示法相結合

【教具】多媒體課件。

【課時按排】一課時

【教學過程】

引言

（課件展示）從當今世界面臨的糧食危機對人類生存和發展的嚴重影響以及我國耕地減少與人口數量大引發的糧食需求的突出矛盾；從提高糧食產量的緊迫性和巨大潛力，引出進一步對光合作用中能量轉換和物質變化進行深入研究的必要，從而導入本節的研究內容——光能在葉綠體中的轉換。

教學過程

<師生共同活動>概括複習必修課《光合作用》一節的內容

<教師啟發學生回憶>在高二學習中已知的能量轉換過程，與本節第一段結合，引導學生推導出光能在葉綠體中轉換的三個步驟的發生部位及反應階段（課件展示），並進入下面的三個研究主題。

一、光能轉換成電能

<學生活動>觀察、回憶葉綠體結構，特別是與光能的吸收、傳遞和轉換有關的色素的種類、功能。

< 小結>從色素的功能方面對各種色素進行分類總結。

<教師活動>“光能是如何轉換成電能的”？課件展示光能轉換成電能的動畫示意圖，要求學生反覆觀察，引導學生通過對示意圖的觀察、分析、討論，依次解決以下問題：

１．a、b表示色素，它們分別代表什麼色素以及各自的作用？２．特殊狀態的葉綠素a在光的照射下發生了什麼變化？

３．特殊狀態的葉綠素a是怎麼失去電子的？４．失去電子的葉綠素a是什麼性質？

５．失去電子的葉綠素a從哪裏奪取電子？試寫出水分子光解的反應式？６．脱離葉綠素a的電子去哪裏了？

７．最終的電子供體和電子受體分別是？

<小結>在光的照射下，少數處於特殊狀態的葉綠素a，連續不斷地丟失電子和獲得電子，從而形成電子流，使光能轉換成電能。

二、電能轉換成活躍的化學能

<教師活動>提出水的光解中電子的傳遞和氫離子的去路的問題，以此進入第二個研究主題，即電能轉換成活躍的化學能。（展示課件）光合作用中形成nadph和atp的動畫示意圖和對教材中資料的閲讀，引導學生分析：

１．水的光解產生的電子和氫離子最終傳遞給什麼物質，並生成了什麼物質？反應需何條件？嘗試寫出物質變化的反應式。

２．在電子傳遞過程中還形成了什麼物質？寫出其反應式。３．在物質形成過程中，能量形式發生的變化情況？

４．電能轉換成的活躍的化學能，貯存在什麼物質中？５．能量轉換的場所？

要求學生在觀察的基礎上，判斷、推理、討論後得出結論。

三、活躍的化學能轉換成穩定的化學能

<學生活動>回憶必修課中暗反應的知識，比較本節與必修的關係回答：

１．atp和nadph參與暗反應階段的什麼過程的反應？

２．在此過程中能量形式發生了什麼變化以及場所在哪？

<教師補充>１．一個被還原的物質再氧化時是吸收能量還是釋放能量？

２．atp和nadph在不同階段自身不斷氧化還原的變化情況以及在光反應和暗反應階段的聯繫中所起的作用。

小結：光能在葉綠體中的轉換內容中，要點集中為能量轉換中的光能轉換成電能，電能轉換成活躍的化學能這兩個能量轉換步驟及相應的物質變化。（課件展示全過程及列表比較各過程中物質和能量變化）

反應階段能量變化物質變化

光反應光能轉換成電能水在光下分解

電能轉換成活躍的化學能ｎａｄｐh和ａｔｐ的形成

暗反應ｃｏ２的固定

活躍化學能轉換成穩定的化學能ｃｏ２的還原及糖類等有機物的形成

課堂練習（見課件）

二、c3植物和c4植物

教學目標

1.知識方面

（1）通過觀察c3植物和c4植物葉片的永久橫切片，使學生識記c3植物和c4植物在葉片結構上的區別，並以此瞭解c4植物光合作用的特點（識記）。

（2）c4植物固定二氧化碳的能力明顯提高的原因（知道）。

2．態度觀念方面

通過對c3植物暗反應發現過程的介紹，使學生了解一種科學研究方法—放射性同位素標記法，以此培養學生對科學的熱愛和對科學研究的興趣。

3．能力方面

通過本節課的教學，培養學生的實驗觀察能力、對生命現象及背景材料的分析歸納能力和獲取知識的能力。

重點、難點分析

重點：c3植物和c4植物在葉片結構上的區別及c3植物光合作用的特點。

難點：c4植物光合作用的特點。

教學模式：實驗觀察——材料分析——概括歸納。教學手段：實驗觀察、材料分析和多媒體課件輔助教學。

課時安排：一課時

設計思路

提供原始材料，使學生了解美國化學家卡爾文對c3植物的暗反應的研究成果，引出c3植物的發現過程。通過用顯微鏡觀察c3植物和c4植物葉片結構，瞭解c3植物和c4植物的葉片結構的不同從而進行c3途徑和c4途徑的教學。

教學過程：

一、引言

光合作用是在葉綠體內進行的一個複雜的能量轉換和物質變化過程，是地球上最基本的物質代謝和能量代謝。由於光合作用如此重要，它很早就吸引了許多科學家的興趣。一個世紀以來，為了探尋光合作用的具體化學反應過程，科學家進行了大量的研究，誕生出眾多的科學巨人，如在必修教材中涉及到的海爾豪特、普利斯特利、薩克斯、恩吉爾曼、魯賓和卡門等，其中美國化學家卡爾文因揭示了植物光合作用暗反應的機理而獲得了1961年的諾貝爾化學獎。

二、新課

【教師活動】提供材料：《卡爾文與地球上最重要的化學反應》。

卡爾文（me1vin ca1vin 1911～1997）生於美國明尼蘇達州，1931年獲得密歐根採礦技術學院的化學學士學位，1935年獲明尼蘇達州大學的博士學位，1944年到1945年在曼哈頓計劃中從事鈾的研究。

1940年，魯賓（n）和卡門（en）發現了碳的長壽命同位素14c，使卡爾文有了一種理想的工具來追蹤二氧化碳是如何在暗反應中一步步變成碳水化合物的。在卡爾文的研究過程中，14c成了主要工具，發揮了特別重要的作用。

卡爾文在一個裝置中放入進行光合作用的小球藻懸浮液，注入普通的二氧化碳，然後按照預先設定的時間長度向裝置中注入14c標記的二氧化碳，在每個時間長度結束時，殺死小球藻，使酶反應終止，提取產物進行分析。他通過色譜分析法發現當把光照時間縮短為幾分之一秒時，磷酸甘油酸（c3）佔全部放射性的90％，這就證明了磷酸甘油酸（c3）是光合作用中由二氧化碳轉化的第一個產物。在5秒鐘的光合作用後，卡爾文找到了含有放射性的c3、c5和c6。

在實驗中，卡爾文發現在光照下c3和c5很快達到飽和並保持穩定。但當把燈關掉後，c3的濃度急速升高，同時c5的濃度急速降低。如果在光照下突然中斷二氧化碳的供應，則c5就積累起來，c3就消失。

【學生活動】分析材料，結合所學內容回答問題：1．在文中，卡爾文運用了哪些研究方法？（放射性同位素標記法、色譜分析法）2．被標記的碳元素首先出現在哪一種化合物中？（磷酸甘油酸c3）3．文中的最後一段説明了什麼問題？（c5是二氧化碳的受體，c3是二氧化碳固定後的產物）

【教師活動】複習總結c3植物暗反應特點。介紹c4植物的發現過程。

澳大利亞科學家h和k在研究玉米、甘蔗等原產熱帶地區的綠色植物發現，當向這些綠色植物提供14c時，光合作用開始後的1秒內，90％以上的14c出現在含有四個碳原子的有機酸（c4）中。隨着光合作用的進行，c4中的14c逐漸減少，而c3中的14c逐漸增多。

【學生活動】分析上述材料。結論：説明在這類綠色植物的光合作用中，co2中的c原子首先轉移到c4中，然後才轉移到c3中。

【教師活動】介紹c3和c4的概念和常見的種類。【學生活動】用顯微鏡觀察菠菜葉和玉米葉的永久橫切片。

課堂討論：c3植物和c4植物的葉片結構有哪些不同？

【師生互動】結合教材圖2-3和圖2-4及多媒體課件分析c3和c4植物葉片結構的區別並將觀察結果記錄於下表。

【教師補充説明】通過研究發現，c3植物的維管束鞘細胞含有沒有基粒的葉綠體，這種葉綠體不僅數量多，而且體積大。c3植物和c4植物之所以具有不同的固定co2的途徑與二者的結構有密切關係。

【學生活動】以學習研究小組為單位分析選修教材圖2-5c4植物光合作用特點示意圖和必修教材圖3-8並填寫下表：

【教師總結】c4植物固定co2的pep羧化酶與co2的親和力比c3途徑中c5羧化酶與co2的親和力高60倍。因此，c4植物能夠把大氣中含量很低的co2以c4的形式固定下來，並運輸到維管束鞘細胞的葉綠體中供c3途徑利用。因此，在熱帶的高温地區及在夏季炎熱的中午，葉片氣孔關閉，c4植物能夠利用葉片內細胞間隙中含量很低的co2進行光合作用。c4植物比c3植物更適於生活在温度較高的熱帶地區，c4植物比c3植物在進化上更高等。

要點提示

1．卡爾文的研究成果在教材中未涉及到，但是在1991年全國高考和1996年的上海高考題中引用了卡爾文的研究過程。在教學中應儘量給予學生科學研究的第一手資料，使學生在瞭解c4植物的發現過程中不僅掌握科學研究的結果，還學習到了科學研究的方法和過程。

2．c4植物和c3植物的葉片結構特點的教學應儘量發揮學生的主體性，使學生通過實驗觀察先獲得感性認識，再討論歸納總結，這樣比較符合學生的認知規律。

3．教師要儘量將圖片、圖表製作成多媒體演示文稿，這樣可吸引學生的注意力，並能發揮教師的主導作用，引導學生的討論中心，有益於學生知識的建構。

三、提高農作物的光合作用效率

教學目標

1．知識方面：光合作用效率的概念以及提高光合作用效率的主要措施和原理（知道）。

2．態度觀念方面：

（1）通過本節課的教學，使學生能夠將所學的知識和農業生產實踐結合起來，從而對學生進行sts（科學、技術、社會）的教育。

（2）通過介紹我國古代農業發展史中的成就，對學生進行愛國主義教育。

3．能力方面：培養學生對問題的分析能力和綜合能力。

重點、難點：提高農作物光能利用率的主要措施及原理。

分析：本節課的教學內容並不難，關鍵是要將必修教材和選修教材聯繫起來，使學生在整體上建立起知識的聯繫。提高農作物的光合作用效率要從光合作用的條件和原料兩方面考慮，要使學生將所學知識和生產實踐聯繫起來。培養學生的sts思想是本節課的重點和難點。

教學模式：設疑激趣——師生互動——建構知識。教學手段：製作多媒體課件輔助教學。

課時安排：一課時

設計思路：以問題引導學生，以歷史文獻吸引學生，以生產實踐帶動學生，進而培養學生的思維和能力。

教學過程

一、引言

民以食為天。然而人類賴以生存的第一個要素——糧食卻面臨着日益短缺的嚴重局面，如何提高農作物的光合作用效率是我們面臨的一個嚴峻的課題。光合作用效率是指綠色植物通過光合作用製造的有機物中所含有的能量與光合作用中吸收的光能的比值。

二、新課【教師活動】引導學生複習光合作用的概念、過程，得出光合作用總反應式：（略）

從化學反應式的角度分析光合作用總反應式，若要提高光合作用有機物的生成量，我們可採取哪些積極有效的措施？

【學生討論】得出結論：從光合作用的條件看：

1．增加光照，可以：（1）延長光照時間，提高複種指數；（2）增加光照面積，進行合理密植；（3）控制光照強弱。

2．增加礦質元素的供應，提高葉肉細胞的葉綠素含量。

3．控制温度，大棚作物白天可適當降低温度，夜晚適當提高温度。

從光合作用的原料看：

1.增加作物周圍二氧化碳濃度。

2.合理灌溉，增加植物體內的水分來增加光合作用的原料。

【教師活動】肯定學生的結論，確定本節課的中心：説古論今談如何增加光合作用效率。

陽光給人類帶來了光明和温暖，陽光被綠色植物吸收利用，使千姿百態的`植物界得以鬱鬱葱葱，植物為人類及所有動物製造有機物，使其得以繁衍和生存。自古以來我國勞動人民就十分重視陽光與作物生長的關係，對於陽生植物和陰生植物早有記載。例如：《周禮》中記載：“陽木生山南者，陰木生山北者。”《詩經》中説：“梧桐生矣，於彼朝陽。”

【學生活動】翻譯以上兩句古漢語，並分析其中的含義。

“陽木生山南者，陰木生山北者”意為樹木有的喜陽光，適宜種在陽光充足的山南，有的喜陰暗，適宜種在光線較弱的山北。“梧桐生矣，於彼朝陽”意為梧桐生長在那朝陽的地方。

【教師活動】以上兩句古漢語反映了古人對多種植物的陰生和陽生之性已有了明確的認識。有些植物進行光合作用時需要強的光照才能生長髮育良好，才能提高光合作用效率，這類植物屬於陽生植物。有些植物進行光合作用時大強的光照不利於其生長髮育，也就不利於提高光合作用效率，這類植物屬於陰生植物。

【學生活動】就所學知識舉例説明哪些植物是陽生植物，哪些植物是陰生植物。

【教師總結】我們應根據植物的生活習性因地制宜地種植植物。例如，古書中記載：梧桐“陽木也”，“桐之性皆惡陰、寒，喜明、暖，陰寒則難長，明暖則易大。”又如古書中對荔枝、龍眼的陰陽特性也有記載：“荔枝屬火，宜使向陽；龍眼屬水，宜向陰”“當日荔枝，背日龍眼。”可見掌握植物陰陽之性，因地制宜地種植是栽培成功。獲得優質高產的重要因素之一。

【教師活動】提出問題：如何增加二氧化碳的供應呢？

得出結論：綠色植物周圍空氣中的二氧化碳的含量，直接影響綠色植物的光合作用效率。

【教師活動】提出問題：空氣中的二氧化碳一般佔空氣體積的0．03%，當植物旺盛生長時，所需的二氧化碳就更多，若只靠空氣中二氧化碳本身的濃度差所造成的擴散作用滿足不了植物對二氧化碳的需求。那麼，如何提高空氣中二氧化碳的濃度呢？

【學生活動】討論分析（教師要參與學生的討論，引導討論的中心）。

得出結論：作物需要良好的通風，使大量空氣通過葉面，使光合作用正常進行。

【教師活動】肯定學生的分析，並進行歸納總結。

陽光是植物進行光合作用的能量來源，而空氣中的二氧化碳和根系吸收的水分是植物進行光合作用的原料。把植物種成一定規格的行列，相互保持一定的距離，使植物受到充足的陽光照射，使流動的空氣送進農田的四面八方，是提高作物光合作用效率的有效手段。《齊民要術》中提到種植作物要“正其行，通其風”就是這個道理，我國古書中還記載：“種植桃、李、梨、柿三丈一樹，八尺為行，果類相從，縱橫得當。”“通風見日，實大而美。”即改善通風透光條件有利於作物提高光合作用效率，使作物增產。

另外，不同的光質對提高光合作用效率也有影響。例如，在藍紫光下光合產物中蛋白質和脂肪的含量較多；在紅光的照射下，光合產物中的糖類含量較多。

【學生活動】分析在作物壯秧的時候，塑料大棚用什麼顏色的塑料薄膜較好。結論：藍色。

【教師活動】提出問題：隨着農業技術的發展，日光温室種植果蔬已成為我國優質高效農業的一枝奇秀，日光温室中如何提高空氣中二氧化碳的濃度呢？

【學生活動】分組討論，得出結論。

1．施用固體二氧化碳（乾冰）。

2．使用農家肥，可以使土壤中微生物的數量增多，活動增強，分解有機物，放出二氧化碳。

3．植物的秸稈通過深耕埋於地下，也可以通過微生物的分解作用產生二氧化碳。

4．使用nh4hco3肥料，既可以為植物提供銨鹽，又可以為植物提供二氧化碳。

5．温室作物也要合理密植和通風透光。

6．日光温室可與養殖場的雞舍和豬圈相連，動物通過細胞呼吸產生二氧化為植物光合作用提供原料，植物光合作用產生的氧氣可用於動物的細胞呼吸。

【教師補充】温室中還可以使用二氧化碳發生器，二氧化碳發生器的原理是利用硫酸和碳酸鹽反應生成二氧化碳。

提出問題：當全球範圍內空氣中二氧化碳的含量無限制地提高時，會有什麼負面影響？

【學生活動】討論並分析回答。

結論：會促成温室效應的出現，使地球變暖、冰川融化、海面上升、氣候異常。（教師要對學生的討論和分析給予充分的肯定。）

【教師講解】綠色植物進行光合作用時，需要多種必需的礦質元素，如n、p、k、mg等，這些元素在植物的生命活動中都有哪些作用？

【學生活動】討論氮元素在植物生命活動中的作用。

結論：

1．氮元素是蛋白質的主要組成元素，而蛋白質是細胞結構和酶的重要組成成分。

2．氮元素是atp中腺苷的組成元素。

3．光反應的電子受體nadp+含有氮元素。

4．核酸中有含氮的鹼基。

5．吲哚乙酸中含有氮元素。

【教師補充説明】葉綠素中也含有氮元素。由此可見，氮元素在植物的生命活動中佔有重要的地位，故氮元素有生命元素之稱。當氮元素供應充足時，葉片大而鮮綠，光合作用旺盛，產量高，因此種植葉菜類的蔬菜，應多施氮肥。但是氮肥施用過多，會造成葉片徒長，機械組織不發達，易倒伏。如果植物缺氮，則生長緩慢，植株矮小，葉綠素含量少，葉子變黃，直接影響植物的光合作用效率。

【學生活動】討論磷元素在植物生命活動中的作用。

結論：

1．生物膜結構的組成成分磷脂中含有磷元素。

2．磷元素是dna和rna的組成成分。

3．磷元素是atp和nadph的組成元素。

【教師補充説明】磷元素還直接參與糖類的合成和分解，例如，光合作用暗反應產物中的c3和c5都含有磷元素。在有氧呼吸中，葡萄糖首先轉化為葡萄糖-6-磷酸。植物缺磷時，生長緩慢，葉片呈暗綠色，某些植物的葉片還呈紅色和紫色，且在老葉最先表現出來。

鎂元素是葉綠素的組成成分。植物缺鎂時，葉綠素不能合成，在老葉上表現為缺綠，嚴重影響光合作用的效率。

鉀元素能促進糖類物質運輸到儲藏器官，並促進儲藏器官合成多糖，例如，種植馬鈴薯、水稻、小麥等以收穫澱粉為主的作物要多施鉀肥。植物缺鉀時，蛋白質分解，葉綠素破壞，葉色變黃卷曲，莖杆易倒伏，抗旱抗寒能力降低。

提出問題：如何進行合理施肥？

【學生活動】結合教材“生物的新陳代謝與植物的礦質營養”一節討論如何進行合理施肥。

結論：1.根據植物的生長規律和需肥規律施肥。

2.可以進行根外施肥。

3.與豆科植物進行間種和輪作，提高土壤的肥力，使植物獲得更多的氮肥。

4.發展生態農業，動物的糞便、沼氣池的沼渣、養魚塘的塘泥、河水錶面的藻類（因為含有能固氮的藍藻，因此含有大量的氮肥）等均可作為肥料。

5．將植物秸稈尤其是豆科植物的秸稈進行深耕翻壓，也是增加土壤肥力的有效措施。

【教師總結】我國古代農業注重並大量施用有機農家肥料的歷史源遠流長，《齊民要術》中指出豆類植物是作物最好的前茬，如“美田之法，綠豆為上”，並總結了20多種輪作的方法，充分肯定了豆類植物輪作的地位，使我國的傳統農業走上了種地養地的道路。我國有“莊稼要長好，底糞要上飽”，“莊稼上底糞，糧食打滿囤”，“底肥不足苗不長，追肥不足苗不旺”的農諺，足以説明礦質元素對提高農作物光合作用效率的重要作用。但是過多地使用化學肥料會使土壤板結，使水體富營養化，因此應走可持續發展的道路，發展生態農業。

另外，選擇具有優良性狀的雜交品種也是提高光合作用效率的有效措施。被譽為“雜交水稻之父”的我國著名科學家袁隆平研究的三系配套雜交水稻技術已經在世界上幾十個國家推廣和應用，大大提高了糧食的產量，解決了幾億人的吃飯問題。這個內容我們將在下一章進行介紹。

要點提示

1.提高農作物的光合作用效率要從光合作用的條件——光和葉綠體中的色素與光合作用的原料——二氧化碳和水等方面考慮。

2．提高作物周圍的二氧化碳濃度及增加施用礦質元素一定要注意對環境的影響，培養學生的環保觀念和提高環境保護意識。

3．在講礦質元素對光合作用效率的影響時，要注意將必修教材和選修教材的相關內容聯繫起來，並向學生滲透生態農業的思想。