細胞的能量供應和利用

1.教學內容

《捕獲光能的色素和結構》是人教版高中生物第一冊《分子與細胞》第5章第4節《能量之源──光與光合作用》的第1節課教學內容，主要學習葉綠體的結構和色素的種類，掌握提取、分離色素的實驗技巧，學習科學家探索光合作用原理的科學思維和科學方法。

2.學生分析

學生在初中生物已經學過光合作用的有關知識；在高中生物第一冊第3章中又學習了葉綠體的顯微結構及其功能，以及第4章的《細胞的能量“通貨”──atp》一節知道光合作用是合成atp重要途徑之一，至此，學生已經具備進一步學習葉綠體的亞顯微結構和光合作用原理的知識基礎和興趣。

在實驗操作方面，學生已經能進行研磨、過濾等操作，但紙層析法是首次進行，需老師仔細指導。

由于學生缺乏對基粒（類囊體）微觀結構的直觀認識，本節課又涉及到物理（光學）、化學知識，對于理解色素吸收色光，掌握有關化學試劑的使用方法與技巧，可能存在一定的難度。

3.設計思想

（1）以問題引發興趣。整個教學過程要設置好問題，層層展開，層層遞進，讓新知識與舊知識融為一個整體，讓學生在步步上升中攀登到知識的頂峰。

（2）以實驗說明結論。生物學的教學就是實驗的教學過程，實驗的展示形式有學生分組實驗、老師示范實驗、動畫和圖片演示實驗等，讓實驗現象說明問題，而不是直接讓學生記住結論。

（3）科學探究的思想貫徹始終。用科學家的經典實驗來學習科學的實驗方法和思維，在學生分組實驗中學習設計實驗的基本原則，學會分析實驗，改進實驗，學會科學地評價自己。

4.教學方法

學生自主、探究、合作學習與師生共同探究相結合（含自學、實驗、談話、討論、講授等）。

5.教學目標

知識與技能

掌握綠葉中色素的提取和分離的方法及操作技巧。

概述綠葉中色素的種類和作用。

概述葉綠體的結構和功能。

過程與方法

通過實驗（含設計）及相關科學方法的學習，培養學生基礎的實驗操作能力、初步的研究能力和運用相關學科知識解決生物學問題的能力。

通過恩格爾曼的水綿實驗的學習，嘗試運用科學家的科學思維和科學方法。

通過影響色素的環境因素的學習，加強理論聯系實際的能力。

情感態度與價值觀

通過恩格爾曼的水綿實驗的學習及實驗設計與實施，形成科學態度及創新、合作的科學精神。

借助葉綠體的結構與功能的聯系分析，形成普遍聯系的辨證唯物主義觀點和結構與功能相統一的觀點。

借助影響色素的環境因素的學習，形成生態學觀點，從而學會理論聯系實際。

借助實驗的自我評價，形成生命科學的價值觀，能正確認識自我，評價自我。

6.教學的重點和難點

綠葉中色素的提取和分離的操作技巧。

對實驗進行自我評價，總結成功與失敗之處。

綠葉中色素的種類和作用。

學習科學家的科學思維和科學方法和探索精神。

7.教學過程

教學
內容

教學
環節

活動
時間

教學活動

設計
意圖

教師活動

學生活動

1.引入新課

1）提出問題：

自然界中的植物葉片多為綠色，是因為葉肉細胞中含有哪一結構呢？這一結構是不是有什么特殊結構或物質存在？

（答：細胞含有葉綠體）

2）示范實驗：

光學顯微鏡觀察金魚藻葉肉細胞及細胞內的葉綠體。引發問題：“葉綠體為什么是綠色的？”

（答：葉綠體中有綠色的色素）

復習舊課，引入新課。

3 min

引導學生觀察，提出問題。

示范實驗，引導觀察。

回憶舊知識，思考、回答問題。

直觀認識到葉綠體是綠色的，思考、討論問題。

通過桌面上的綠色葉片和顯微鏡下看到的葉肉細胞及葉綠體，結合已有知識，引發學生探究葉綠體中色素種類的興趣。

2.新課學習

1）實驗《綠葉中色素的提取和分離》的原理。

今天我們就來做一個實驗，探究綠葉中含有幾種色素和學習對色素進行提取和分離的方法。

問題：我們已經推測色素在葉綠體中，而葉綠體又在葉片中，那怎么把色素提取出來呢？（答：磨碎葉片，再過濾，色素在濾液中）

問題：怎么能保證色素一定存在于濾液中？（答：用能溶解色素的溶劑，也就是有機溶劑）

問題：常用的有機溶劑是什么？（答：無水乙醇）

其實，還有其他有機溶劑也可以，例如丙酮、石油醚、苯、汽油等都可以。我們今天是用無水乙醇。

問題：得到色素的濾液后，如何讓各種色素分離開來呢？（答：因為色素在層析液中的溶解度不同，而且由于溶解度不同而導致隨層析液在濾紙上擴散的速度 不同，這樣，一段時間后，色素就會在濾紙上分離開來）

這就是實驗的原理。今天我們用的材料是綠葉，大紅花（朱槿）葉；藥品有無水乙醇、層析液、還有二氧化硅和碳酸鈣。后兩種藥品有什么作用呢？（答：二氧化硅可以加快研磨，而碳酸鈣的作用是保護色素）

在研磨過程中，細胞的結構如何變化了？（答：破碎了）所以，液泡里面的有機酸也就出來了，而葉綠素在酸性環境下很容易被破壞，所以碳酸鈣的作用是——（答：中和酸性），也就可以保護色素了。

新課教學──“實驗原理和藥品、材料等”

5 min

引導學生了解實驗的原理及有關藥品的作用。

檢查預習情況。

思考、回答有關問題。

通過問答，學習實驗原理、藥品的作用，這樣既可以檢查學生預習的情況，也可以激發學生的興趣。

2）實驗步驟：

現在就來學習實驗的步驟了。第一步，提取色素。剛才已經了解了提取的主要步驟是研磨和過濾。但還有什么細節需要注意的？提取主要分為這幾步：碎葉，加入藥品，研磨，過濾，得濾液。加入哪些藥品？（學生回答）是不是加得越多越好？研磨的速度應該快還是慢？得到的濾液對著光觀察是什么顏色？帶著這些問題大家開始第一部分的實驗吧!

（學生開始“色素的提取”實驗，老師隨堂指導）

實驗討論：色素提取液的顏色應該是綠色；研磨過程應該較快；藥品應加得適量。

實驗的第二階段是分離色素，怎么分離呢？我們剛才學習了，應該是讓色素隨層析液在濾紙上進行擴散。所以我們應該在濾紙上劃一條濾液細線，再放入層析液中進行層析分離�，F在有一個問題希望大家能想辦法解決，就是怎樣在濾紙上劃一條又細又直，色素含量又多的濾液細線？

（學生討論）

現在提供給大家的用具有毛細吸管和蓋玻片。想到辦法了嗎？（答：用毛細吸管吸取濾液，再劃到濾紙上或是用蓋玻片蘸取少量濾液，再印到濾紙上，劃或印都要重復多次）

好，同一組兩位同學相互比較一下，看哪一種方法效果更好。

劃好濾液細線后，就可以將濾紙條放入層析管中，等待層析。有兩點要特別注意的：一是試管口要塞好棉花，二是層析液的液面與濾液細線的關系如何？層析液的液面不能超過濾液細線。

好，現在我們就開始做色素的分離。

（學生進行實驗，老師隨堂指導）

好，在等待層析結果的過程中，我們來分析一下步驟中的某些要點，第一，為什么要塞好試管口的棉塞？（答：防止層析液揮發，層析液還有一定的毒性）

第二，為什么層析液的液面不能超過濾液細線？（答：如果超過，色素會溶解在層析液中，就不會在濾紙上擴散開來，實驗就會失敗。）

實驗最后的結果并不是最重要的，重要的是大家在實驗的過程中，是不是真的學到了應該學到的知識和應該得到鍛煉的能力�，F在大家把實驗的評價表中有關實驗過程的部分給自己做個比較中肯的評價。如果成功了，要知道自己成功在哪里才是真正的成功。如果失敗了，只要知道了自己失敗在哪里，也是成功。后面實驗結果及進一步探究部分請大家課后完成。再收回，我也會給大家一個評價。

現在我們來看看大家的結果，濾紙條上出現了幾種顏色的色帶？排序如何？

（答：四種，從上到下依次為橙黃色、黃色、藍綠色、黃綠色）

色帶的寬窄如何？（答：藍綠色的最寬，橙黃色的最窄）

排序體現什么？（答：色素擴散的速度）寬窄體現了什么？（答：色素的含量）

新課教學──實驗“色素的提取和分離”

15 min

引導學生掌握實驗的操作方法，提出問題，激發學生探究問題的興趣。

指導學生進行實驗。

對實驗過程及結果進行評價。

對學生不熟悉的操作，仔細分析、強調要點，用同組比較的方法讓學生在實踐中得出結論。

指導學生進行實驗。

對實驗過程及結果進行評價。

引導學生進行正確的自我評價。強調評價應該是多方面的，體現多種能力的，而不僅僅是一個最標準的實驗結果。

總結實驗結果。

學習步驟，完成實驗，思考問題。

進行實驗。

對實驗過程及結果進行自我評價。

學習步驟，思考問題。

進行實驗。

對實驗過程進行自我評價。正確地從知識的掌握、能力的鍛煉、思維的練習等多方面評價自己。

隨著老師的引導，觀察結果，思考、回答問題。

先學后實踐，學生獨立完成實驗的第一階段，鍛煉學生的動手操作能力。

學生對第二階段的實驗操作要點不熟悉，需要老師仔細指導。第二階段實驗重在學習層析的方法和正確的進行實驗評價。

3）綠葉中色素的種類和作用

從剛才的實驗結果我們可知，綠葉中的色素主要有四種，它們的名稱分別應該是什么呢？（答：橙黃色的是胡蘿卜素，黃色的為葉黃素，藍綠色的為葉綠素a，黃綠色的為葉綠素b）由于結構上的相似性，它們可以被分為兩大類，即胡蘿卜素和葉黃素共歸為類胡蘿卜素，葉綠素a和葉綠素b共歸為葉綠素。類胡蘿卜素總體上呈黃色，葉綠素總體上呈綠色，使葉片呈現許多美麗的顏色。那為什么葉片多數為綠色的呢？（答：葉綠素的含量比類胡蘿卜素多）

那為什么許多植物到了秋天葉子就變黃了？（答：秋天氣溫低，葉綠素不穩定，容易分解，這樣黃色就呈現出來了。）

你知道還有哪些因素可能影響葉綠素的結構？

（提示：碳酸鈣的作用——ph值，無機鹽（mg2+）的作用等）

楓葉為什么是紅色的呢？

（楓葉的顏色不是由于葉綠體中的色素，而是由于液泡中的花青素的作用）

這些就是綠葉中的色素的種類，它們都能捕獲光能，那么它們倒底吸收哪些顏色的光呢？我們給大家介紹一個實驗。

介紹實驗裝置……

將色素的提取液放于光源與三棱鏡之間，觀察光屏上顏色的變化。為什么這樣能夠確定色素吸收哪些光呢？我們給大家介紹一下原理。

所有的可見光（答：即白光）通過三棱鏡會發生什么變化？（答：形成七色光的一個連續光譜）如果我在各種色光前進的途中放入色素溶液，又假設色素能吸收黃色光，那么光屏上原來黃光的位置會發生什么變化？（答：沒有光了，即表現為暗帶）所以我們只需觀察光屏上哪一位置出現暗帶，即意味著什么？（答：意味著那種色光被吸收了）

現在我們回過頭去看看實驗情況。當把色素提取液放于光源與三棱鏡之間，光屏上發生了什么現象？（答：紅光區和藍紫光區出現了暗帶）說明什么？（答：葉綠體中的色素主要吸收紅光和藍紫光。）

如果想知道各種色素吸收色光的不同，可以用不同色素的溶液分別做這個實驗就行了。

但這種方法只能大概測定色光，具體的吸收量就不能測定了�，F在有更好的儀器可以用來測定，就是分光儀。它的原理與剛才的裝置非常相似。介紹分光儀。

通過分光儀及相關儀器的檢測，我們可以得到各種色素的吸收光譜。如：葉綠素a，從圖中可以看出葉綠素a主要吸收的光是哪些光？（答：紅光和藍紫光）吸收最少的是？（答：綠光）與此類似，其他色素的吸收光譜是這樣的，我們請同學來分別歸納一下各種色素吸收光的情況。（答：葉綠素b主要吸收紅光和藍紫光，胡蘿卜素和葉黃素主要吸收藍紫光）

這就是色素吸收光能的情況。

根據你剛剛學習的內容，判斷一下，溫室的頂棚用紅色玻璃還是綠色玻璃好？

（答：紅色玻璃好。因為太陽光或者說白光通過紅色玻璃后只剩下紅光，植物吸收紅光能進行較強的光合作用；如果用綠色玻璃只剩下綠光，而植物吸收綠光很少，幾乎得不到光能，不能正常進行光合作用）

新課學習——綠葉中色素的種類和作用（吸收光能）

13 min

歸納色素的種類及顏色。

分析色素與葉片顏色的關系以及影響葉綠素的環境因素。

展示實驗：色素的吸收光譜的測定方法。

分析實驗原理，介紹實驗裝置，如三棱鏡、分光儀等。

分析色素吸收光能的吸收光譜，總結其差異性和相似性。

聯系實際，引導學生運用知識。

回憶實驗結果，歸納色素種類。

思考、回答問題。

思考、討論、回答問題。

應用物理學科的知識，了解連續光譜和吸收光譜的知識。

思考、回答問題。

看吸收光譜圖，歸納各色素吸收色光的差異性。

系實際，思考、討論、運用知識。

從實驗的結果，歸納色素的種類比較容易，通過聯系生活中的常見實例，更好地掌握色素的性質以及與葉片的顏色關系。激發學習的興趣。

色素的作用部分涉及一些物理的光學知識，需做一定的鋪墊再講述，學生較易接受。通過學習三棱鏡的色散作用、分光儀的原理以及色素的吸收光譜，讓學生學習看圖、并能從實驗現象得出推論的能力。

聯系實際，增強學生學習知識的興趣，更好地理解、運用知識。

4）葉綠體的結構和作用

色素存在于細胞中的哪一結構呢？（答：葉綠體，這是由薩克斯通過光學顯微鏡發現的）那么把葉綠體放到電子顯微鏡下又會觀察到什么樣的結構呢？

展示圖片：葉綠體的亞顯微結構

所謂亞顯微結構就是指在電子顯微鏡下看到的結構�？梢钥吹饺~綠體大概分為四個部分，你能說出它們的名稱嗎？（答：1是內膜，2是外膜，3是基質，4是基粒）對。哪里是綠色的呢？（答：基粒）基粒又是怎樣的結構呢？（展示圖片：基粒的結構）可以看到基粒是由一個個小圓餅堆疊而成。每一個小圓餅其實是一個囊狀結構，我們稱之為類囊體�；�粒是綠色是因為類囊體是綠色的，類囊體是綠色又是由于什么物質的存在呢？（答：色素就存在于類囊體的膜上）現在我們學到的葉綠體比前面在第三章學的更微觀。

正是由于葉綠體中含有色素，所以葉綠體能夠吸收光能。那么葉綠體就只能吸收光能了嗎？有沒有其他功能呢？

有很多科學家也對此產生了疑問，并且通過自己的思考、實驗得出一些結論。我們來學習一下他們的成果。

資料一，恩格爾曼的水綿實驗。展示水綿結構圖，介紹其葉綠體。恩格爾曼設計了一個非常巧妙的實驗。大家閱讀一下資料一，思考兩個問題，一是從實驗中可以得出什么結論？二是這個實驗的巧妙之處在哪里？

學生閱讀教材，思考并回答問題，老師評價、總結。結論：氧氣是由葉綠體產生的，葉綠體是進行光合作用的場所。巧妙之處有：一是實驗材料選擇好。水綿有帶狀的葉綠體，方便觀察；用好氧細菌標記氧氣產生較多的部位。二是實驗條件控制好。放在沒有空氣的黑暗環境中，排除了氧氣和光的干擾；用極細的光束照射，葉綠體上可分為光照多和光照少的部位，相當于一組對比實驗；臨時裝片暴露在光下的實驗再一次驗證實驗結果，等等。

我們知道，一項科學研究的成功，離不開一定的技術手段，但在科技水平有限時，如果有科學、巧妙的方法，也能達到同樣的效果。

恩格爾曼的成功當然也離不開前人的經驗，在下一節課我們會和大家一起來學習光合作用探索的歷史。這節課后大家可以先預習一下這一部分，著重學習科學家是如何設計實驗，如何得出恰當的結論的。

還有第二個資料，葉綠體的基質和基粒上都含有進行光合作用必需的酶。說明什么？（答：葉綠體是進行光合作用的場所）

現在我們來總結一下，葉綠體有哪些功能？（答：吸收光能，進行光合作用）具有這些功能的結構基礎是什么？（葉綠體的基粒的類囊體的膜上有色素，基粒和基質中都含有光合作用所必需的酶）葉綠體有什么適于分布酶和色素的結構？（答：基粒及其類囊體形成巨大的膜結構，為色素和酶的分布提供了附著位點）

新課學習──葉綠體的結構和作用

7 min

引導學生復習葉綠體的顯微結構。

用圖片展示葉綠體的亞顯微結構，重點是類囊體。

用兩個資料學習葉綠體具有進行光合作用這一功能。重點介紹水綿實驗，引導學生思考、討論、學習水綿實驗設計的巧妙之處。學習科學家的科學思維和科學方法。

布置預習作業，激發學生科學探究的意愿。

總結葉綠體的功能，及其相應的結構基礎。

復習舊知識，回答問題。

學習葉綠體的亞顯微結構。

閱讀資料一，思考、討論、回答有關問題。

學習科學家科學的思維和科學的方法。

跟隨老師總結。

從舊知識“葉綠體的顯微結構”到學習新知識“葉綠體的亞顯微結構”，遵循學習知識的規律，能夠較易掌握。

從資料分析葉綠體的其他功能，有實驗現象作支持，較易接受。

通過讓學生閱讀學習資料，培養學生閱讀資料、從資料中獲取信息的能力。

從經典實驗的介紹，學習實驗設計的科學性、巧妙性。

5）小結和練習

2 min

引導學生完成小結和練習

進行小結。完成練習。

鞏固知識，建構知識網絡。

附：中山二中生物實驗評價表

注：本文選自“人教版普通高中生物課程標準實驗教材教學經驗交流會（.9.青島）會議交流材料”。