光合作用

教學目標 

一、知識方面
1、使學生了解的發現過程。
2、使學生了解葉綠體中色素的種類、顏色及其吸收的光譜；初步學習光合色素的提取方法及其在濾紙上的分布。
3、掌握的概念、實質、總反應式、光反應、暗反應的具體過程、光反應與暗反應的區別與聯系及的意義。
4、應用所學的的知識，了解植物栽培與合理利用光能的關系。
二、能力方面
1、通過葉綠體色素的提取與分離實驗，初步訓練學生的實驗室操作技能及相關儀器、藥品的使用能力。
2、通過探討的氧來源，初步訓練學生的實驗設計能力。
3、通過分析、討論的光反應和暗反應具體過程，培養學生良好的思維品質。
三、情感、態度、價值觀方面
1、通過學生對綠色植物的意義的理解，增強學生保護生態環境的意識。
2、通過學生討論“如何利用的原理提高作物產量”這一問題，加強對科學、技術、社會（STS）的關注。

教學建議

教材分析
因為在綠色植物的新陳代謝以及整個生態系統的物質循環和能量流動中，具有十分重要的意義，所以本節是本章的重點內容之一。教材這一節主要講述了的發現過程、葉綠體和其中的色素（并且安排了葉綠體中色素的提取和分離的學生實驗）、的過程、的重要意義以及植物栽培與光能的合理利用。義務教育初中生物教材已經講述了的基礎知識，安排了綠葉在光下制造淀粉的實驗。本節在此基礎上，更加深入地從產物和場所等方面講述了發現過程中的幾個著名的實驗；講述葉綠體和其中的色素、讓學生學會提取和分離葉綠體色素。
一、教材首先向學生展示了人類研究這種地球上最重要的生理過程的艱苦歷程，同時介紹了在研究過程中的幾個著名實驗，如：1771年，英國科學家普利斯特利證明植物可以更新空氣實驗；1864年，德國科學家薩克斯證明了綠色葉片在中產生淀粉的實驗；1880年，德國科學家恩吉爾曼證明葉綠體是進行的場所，并從葉綠體放氧的實驗；20世紀30年代美國科學家魯賓和卡門采用同位素標記法研究證明釋放的氧氣全部來自水的實驗。介紹這些實驗的目的是使學生懂得實驗是探究生物科學的基本方法，從而培養學生實事求是的科學態度、不斷探求新知識的創新精神。
二、葉綠體中的色素是本節的重點，實驗是本節的難點。
學生必須在搞清楚葉綠體中色素的種類及其吸收光譜，基粒片層結構的垛疊形式、色素在片層上的分布、基粒和基質的關系基礎上，才有可能深刻理解的光反應和暗反應及其相互關系。
教材在介紹葉綠體中的色素時，設計了一個學生實驗，即《葉綠體中色素的提取和分離》，使學生易于對葉綠體色素有一個感性認識。本實驗可以在講授完葉綠體色素后作為驗證實驗處理，也可用于葉綠體色素的探究實驗；另外教材中葉綠體中各色素的吸收光譜也可作為課上學生討論葉綠體色素生理作用的探究課題處理。
三、教材中的過程是本節的重點內容，也是本節的難點。

1、其中的總反應式，即

概括出了的場所、條件、原料、產物及氧氣的來源，但是，該反應式不足以表示的具體過程。因此，教材以圖解的形式簡明扼要地介紹了的兩個重要過程，即光反應和暗反應。
2、光反應階段
教材中光反應階段可概括為光反應場所和光反應過程兩個方面。
（1）光反應場所：葉綠體基粒片層結構的薄膜（類囊體）上進行。
（2）光反應過程：光反應的本質是由可見光引起的光化學反應，可分為兩方面內容：
①水的光解反應：通過光合色素對光能的吸收、傳遞，在其中部分光能作用下把水分解為氫和氧，氧原子結合形成氧氣釋放出去，氫與NADP結合形成NADPH，用[H]表示，叫做還原性氫，作為還原劑參與暗反應。
②ATP的合成反應：另一部分光能由光合色素吸收、傳遞的光能轉移給ADP，結合一個磷酸形成ATP，也就將光能轉變成活躍的化學能儲存在高能磷酸鍵上。
3、暗反應階段
教材中暗反應階段也可概括為暗反應場所和暗合應過程兩個方面。
（1）暗反應場所：葉綠體基質中進行。
（2）暗反應過程：暗反應實際上是一個由多種酶的催化才能完成的酶促反應，光對暗反應沒有影響。主要包括三個步驟：
①二氧化碳的固定：一個二氧化碳分子與一個五碳化合物分子結合形成兩個三碳化合物分子，這個反應的作用在于使反應活性不高的二氧化碳分子活化。
②三碳化合物的還原：在有關酶的催化下，一些三碳化合物接受光反應產生的ATP分解時釋放的能量并被光反應產生的[H]還原，經一系列復雜的變化，形成糖類，一部分氨基酸和脂肪也是由直接產生的。
③五碳化合物的再生：另一些三碳化合物則經復雜的變化，又重新生成五碳化合物，從而使暗反應階段的化學反應不斷地進行下去。
4、教材中的意義可從以下幾個方面歸納：是生物界有機物的來源； 是生物生命活動所需要能量的來源；可調節大氣中氧氣和二氧化碳的含量；在生物的進化具有重要作用，即：使無氧呼吸進化為有氧呼吸成為可能，同時為水生生物進化到陸生生物創造了條件。
教材在最后總結道：“是生物界最基本的能量和物質代謝”，充分概括在生態系統中的地位。
5、植物栽培與光能的合理利用是教材的選學內容，其目的是使學生意識到科學、技術、社會（STS）的理念，這部分內容易于調動起學生的討論熱情。

教法建議
1、引言
因為與相關的問題涉及面非常廣泛，尤其是一些廣為人們關注的話題，所以本節可引入的話題很多，如可從全世界面臨的一些生態危機，如糧食、化石能源、環境污染等，或從花卉、農作物、果蔬的栽培方法或增產的措施；或從一些自然災害，蝗災、沙塵暴等入手；或動物、植物的同化作用區別等等方面切入的。這樣的引入方式，可有意識地培養學生的社會責任感，也可較好地體現科學、技術、社會的教育的精神。
2、的發現
這部分的教學要特別重視，這不僅僅是進行科學史的教育，學生可從科學家二百多年的研究歷程體會到科學發現的艱難；同時還能感受到科學研究方法的重要；實驗設計的巧妙，如1880年德國科學家恩吉爾曼證明葉綠體是進行的場所，并從葉綠體放氧的實驗；以及新技術、新理論的發現和綜合應用在科學發現中的重要作用，再一次體驗科學、技術、社會的理念。例如，沒有核科學的進展，就不會有放射性同位素示技術，也就不會有美國科學家魯賓和卡門采用同位素標記法研究證明釋放的氧氣全部來自水的實驗。
3、引導學生討論葉綠體中的光合色素及其生理功能時，《實驗八 葉綠體中色素的提取和分離》可以在講授完光合色素后作為驗證實驗處理，也可用于光合色素的探究實驗，這樣做不但可使學生學會有關方法，激發學生學習生物學的興趣，還可加深對這部分知識的認識，同時訓練其實驗探究能力；在引導學生討論葉綠體中各色素的吸收光譜時，教材上的光合色素吸收光譜曲線可作為課本探究的素材，以訓練學生分析曲線的能力。
4、過程的的教學是本節的核心內容。教學時可從的總反應式入手，或從與初中階段的總反應式的比較入手，可采用老師講授，或學生討論，或學生根據總反應式提出氧來源假設，即水中的氧是來源于水還是二氧化碳，還是共同來源于二者，條件好的班還可讓學生想辦法證明這些假設，以訓練學生的實驗設計能力。通過總反應式的分析，應使學生明確氧來源這一關鍵問題。
在學生理解了總反應式的基礎上，使學生明確另一個重要觀點，即是非常復雜的多步反應，總反應式不能表示具體的進行歷程，這樣很自然地就引入了的光反應和暗反應的過程的學習。
光反應與暗反應教學時，因為都是較為枯燥的化學反應過程，且又無法在實驗中讓學生看到這些變化，可采取圖解、表解或多媒體動畫的方式展示給學生，這樣學生一是樂于接受，二是學生能“親眼看到”物質的微觀化學變化，也降低了理解這部分知識內容的難度。還應引導學生討論的光反應與暗反應之間的區別和聯系，尤其是二者的聯系應多加注意。
時間允許的話，還可引導學生討論影響的因素，進而討論“如何提高光合效率的途徑”，“采取哪些措施提高農業產量？”等問題，使學生體會到學習生物學理論的實際價值，強化學生學以致用、理論聯系的理念。
5、進行的意義的教學時，可以在課前自己收集或讓學生收集諸如當今世界面臨的糧食、化石能源、環境污染、生物多樣性受到破壞等資料，課上選擇幾個典型的事例，圍繞的生態意義這個中心，引發學生的思考和討論，使學生切實體會到“是生物界最基本的能量和物質代謝”。
6、植物栽培與光能的合理利用的教學，可以綜合性討論題的形式，比如：學生能利用原理，提出在農業生產中提高作物產量的具體措施嗎？這樣的問題容量使學生有更大的想象和思維的空間，也易于在高中學生中展開討論。

教學設計方案

【課題】  第三節

【教學重點】的發現過程；葉綠體中色素的種類；顏色及其吸收的光譜；光合色素的提取方法及其在濾紙上的分布；的概念、實質、總反應式、光反應、暗反應的具體過程；光反應與暗反應的區別與聯系及的意義；植物栽培與合理利用光能的關系。

【教學難點 】光合色素的提取方法及其在濾紙上的分布；光反應與暗反應的區別與聯系及的意義

【課時安排】2課時

【教學手段】板圖、掛圖、多媒體課件、實驗

【教學過程 】

第一課時

1、引言

本節可引入的話題很多，如：

①可從全世界面臨的一些生態危機，如糧食、化石能源、環境污染等入手；

②或從花卉、農作物、果蔬的栽培方法或增產的措施入手；

③或從一些自然災害，蝗災、沙塵暴等入手；

④或動物、植物的同化作用區別等等方面切入；

⑤還可通過教材提供的的發現所列舉的幾個著名實驗為切入點進入的學習，其中較易作為切入點的實驗有：德國科學家薩克斯成功地證明了綠色葉片在中產生淀粉的實驗（學生在初中就做過）；德國科學家恩吉爾曼證明葉綠體是進行場所，且氧由葉綠體釋放出來的實驗；20世紀30年代美國科學家魯賓和卡門采用同位素標記法研究證明釋放的氧氣全部來自水的實驗。

教師應特別重視發現這部分內容的教學，因為通過分析科學家對的研究歷程，學生可以不僅了解到放射性元素示蹤技術在生物學研究中的重要作用，從中也可以深切體會到技術的發現和應用，特別是物理、化學技術的使用對生物學起到的推動作用，因此有人說“技術是人類延長了的手臂”。

2、葉綠體及其光合色素

用板圖或掛圖顯示出葉綠體結構模式圖，提問復習葉綠體的亞顯微結構，教師應適時指出，所以能在葉綠體中進行一是由于其中含有催化的酶系，這些酶分布在葉綠體的基質中和片層的薄膜上；二是在基粒片層的薄膜上，有吸收轉化光能的色素，這樣就引出了葉綠體上的光合色素這一教學內容。

（1）學生做《實驗八  葉綠體中色素的提取和分離》

可作為探究實驗，也可作為驗證實驗，但實驗過程都應讓學生自己看書總結，之后引導學生討論下面的問題：

①“想要做好《葉綠體中色素的提取和分離》實驗，學生應注意哪些問題？

這個實驗是高中生物學實驗難度較大的一個，涉及的藥品多，實驗原理復雜，實驗操作也較煩瑣，而且實驗現象也不是很明顯。如何才能順利地完成這個實驗呢？下面就這個實驗要注意的問題做一些說明。

提取光合色素過程中，關鍵是速度。提取光合色素過程中，因為光合色素都是脂溶性的，因此用丙酮這種有機溶劑作為提取液，因為丙酮易揮發且有一定毒性，因此提取過程要速度要快，同時提取液要用膠塞塞好，以防止其揮發；利用二氧化硅硬度極大的特點，其粉末可增加研磨時磨擦力，加快研磨的速度；又因為葉綠素容易破壞，因此需要保護，而碳酸鈣的作用是防止葉綠素被破壞；把綠葉剪碎的目的也是為了加快研磨速度。

劃濾液細線是本實驗的結果明顯清晰的關鍵。濾液細線必須待第一次完全干燥后才能劃第二遍，重復次數可多一些，濾液細線要齊、細、顏色深，其中齊更重要一些。

用紙層析法分離色素時，特別要注意濾液細線一定要處于層析液的上面，否則光合色素會溶解于層析液中，而不會沿層析液向上擴散、分離，這會使實驗效果極差，甚至不發生分離，導致實驗無效；另外，層析液是石油醚、丙酮、苯等有機溶劑的混合液，具有揮發性且有毒，要注意密閉。

正常的實驗現象從上到下應為：胡蘿卜素（橙黃色）、葉黃素（黃色）、葉綠素（a）、葉綠素（b），一般可看到下面三種色素，最上面的胡蘿卜素如果操作不適當效果可能不很明顯。

還有這個實驗過程用了有毒的有機藥品，因此實驗后要用肥皂把手洗干凈。

在學生觀察的基礎上，教師總結光合色素的種類、色素顏色、色素的吸收光譜及在濾紙條分布。

②學生實驗結束后，教師可給學生演示葉綠體的色素吸收光譜的現象。方法是：用紅、橙黃、綠、藍紫色的薄膜，分別遮住同一光源。把盛有葉綠體的色素提取液的試管，分別放在紅、橙黃、綠、藍紫色光前、讓學生觀察這些光透過色素提取液的情況。可明顯地看到紅和藍紫色光透過的較少（暗），橙黃和綠色光透過的較多（亮）。引導學生分析這些現象，得出葉綠體中的色素，主要吸收紅光和藍紫光。在此基礎上，出示教材中的光合色素吸收光譜曲線，引導學生分析曲線含義，總結光合色素吸收光波的不同特點。

③教師還可引導學生進一步分析葉綠體結構特點與其功能相適應的特點，例如：與有關的各種酶集中分布于葉綠體中，有利于光合反應高效地進行；再如，葉綠體內的片層薄膜，垛疊成基粒，每個基粒由10~100個片層結構組成，這樣的結構可增大葉綠體內的膜表面，擴大色素的附著面，有利于提高光能的利用效率

（2）有條件的學校或班級還可引導學生對色素、光合色素有關的問題做較為深入的討論，比如可討論下面幾個問題：

①學生知道我們平常吃的韭黃和蒜黃是怎么培育出來的嗎？

這個問題涉及到了植物葉綠素合成時的條件問題。

葉綠素是光合色素中最重要的一類色素。綠色植物的葉綠體中有四種色素，綠色植物只在光下才能合成葉綠素，這樣學生已經知道這個問題的答案了。韭黃、蒜黃是在黑暗條件下培育出來的，因為植物此時不能合成葉綠素，只能長成黃化苗，而黃化苗的薄壁細胞比較多，所以吃起來比較嫩，口感比韭菜、蒜苗好一些。但要注意，植物不能長期處于無光條件下，這個道理學生應該是明白的。

葉綠素的形成除了有光照之外，還與什么因素有關呢？葉綠素是一種較復雜有機化合物，其中心存在一個鎂離子，因此葉綠素的形成還與鎂這種礦質元素有關，沒有鎂，葉綠素也是形成不了的。

②如果土壤短期缺鎂，植物的葉片會出現什么現象呢？

可給學生適當的提示，鎂與葉綠素是以不穩定化合物的形式存在的。學生可以想一想我們在植物礦質代謝中學習的內容，還記得嗎？有兩類礦質元素可以移動，一是像氮、磷、鉀這樣以離子態運輸的礦質元素，還有一就是像鎂這樣與不穩定化合態存在的礦質元素；另一類礦質元素不能自由地在植物體內移動，如鈣、鐵這樣以穩定難溶的狀態存在的化合物。能移動的礦質元素才能被重復利用，而且這些礦質元素一般都運輸到植物體生長比較活躍的地方，如莖尖、芽尖、幼葉等處。因此土壤中短期缺乏鎂這種可移動的離子時，整個植物體中的葉片受損傷的程度是不一樣的，此時老葉先受損變黃，而幼葉暫時不會受到缺鎂的損傷，依然鮮綠。反之，如果土壤中缺乏的是鈣、鐵這些不能移動的離子，植物體首先受損傷的則是新葉。

③淺海中自上而下為什么會出現綠藻、褐藻、紅藻等藻類植物的分層分布現象？

這也是一個和光有關的生物學問題。

我們平常看到的物體的顏色實際上是這個物體反射的光，如學生看到葉片是綠色，說明葉片反射綠光，而吸收了其它色光；學生看到一個物體是白色的，說明這個物體不吸收任何光，并全部反射回來；學生看到一個物體是黑色的，說明這個物體把所有光都吸收了，沒有反射任何光。這是理解這個問題的關鍵。通過上面的分析學生可能已經知道，綠藻反射了綠光；褐藻反射了黃光，而紅藻反射了紅光。

綠藻中含有葉綠素等光合色素，紅藻中有藻紅蛋白（藻紅素）和類胡蘿卜素等光合色素。圖1是太陽光的光譜示意圖；圖2中A是藻紅蛋白的吸收光譜示意圖。

圖1

圖2

通過學生所學的物理學知識，知道光子能量E=hυ，光速c =λυ， 則：υ=c/λ，從而E=（h c）/λ，即波長越短，光子的能量越高。由此可知，水層對光波中的紅、橙部分吸收顯著多于對藍、綠部分的吸收，即水深層的光線相對富含短波長的光。

所以吸收紅光和藍紫光較多的綠藻分布于海水的淺層；含藻紅蛋白和類胡蘿卜素，吸收由藍紫光和綠色光較多的紅藻分布于海水深的地方。這是植物在演化過程中，對于深水中光譜成分發生變化的一種生理適應。

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