人教新课标高中生物必修一示范教案（能量之源——光与光合作用第3课时）.doc

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第三课时 光合作用的探究历程和光合作用原理的应用
●教学过程
［课前准备］
1.教师制作多媒体课件；
2.教师设计《生物小组合作学习记录卡》；
小组编号

时间
月 日 第 节
组长

记录员

组员

课题

讨论结果

交流代表

3.准备探究实验《环境因素对光合作用强度的影响》所需的材料用具；
4.组织学生每两人为一组调查和收集有关提高农作物光合作用强度的具体措施，并写好调查报告。
［情境创设］
教师：上节课我们学习了光合作用的具体过程，同学们还记得光合作用分为哪几个阶 段吗？
学生：分为光反应和暗反应两个阶段。
教师：光反应和暗反应各发生了怎样的物质变化和能量变化？
学生：光反应包括两个物质变化，即水的光解和合成ATP，同时光能转变为ATP中活跃的化学能。暗反应也包括两个物质变化，即二氧化碳的固定和三碳化合物的还原，同时，ATP中活跃的化学能转变成糖类等有机物中的化学能。
教师：很好，看来同学们对光合作用的具体过程掌握得不错。但是有哪位同学知道光合作用的过程是怎样被人发现和了解的吗？
教师：这个问题看来大家了解得不多。人们对光合作用的认识经历了一个漫长的过程，科学家们用了200多年的时间经过无数次的实验才对光合作用的过程有了比较清楚的认识。今天这节课我们将沿着科学家们探寻的足迹，去体验他们认识问题的思维过程和科学探索的乐趣。
［师生互动］
1.光合作用的探究历程
教师：首先我们来看一看科学家们是怎样逐渐认识光合作用的？
〔显示板书：（三）光合作用的探究历程〕
教师：这部分内容我们将以小组合作学习的方式来进行。请大家结合课本P 101～P102的内容，快速阅读以下材料，然后分组讨论表格中所提出的问题。请看大屏幕。
多媒体课件出示小组合作学习要求：（1）每个小组推选一名组长，组织本组同学讨论学习；（2）推选一名记录员记录本组同学讨论的结果；（3）推选一名交流代表发言，汇报本组讨论结果；（4）每位同学在讨论时都要积极思维、踊跃发言，帮助本组代表准备好发言提纲。
多媒体课件显示材料内容：
年代
科学家
实验情况
结论
思考
1648年
[比利时]
海尔蒙特
把一棵重2.5 kg的柳树苗栽种到一个木桶里，每天只用纯净的雨水浇灌树苗，五年以后取出柳树，并把柳树和土壤分别称重。结果发现柳树增重80多千克，而土壤却只减少了100 g
①
1.海尔蒙特的实验设计有什么 缺陷？
1771年
[英国]普利斯
特利
密闭的玻璃钟罩内，同时放有点燃的蜡烛和活小鼠，一段时间后，蜡烛不灭，小鼠不死
②
2.他的实验有时成功，有时失败，试想一下可能的原因是什么？
1779年
[荷兰]英格豪斯
密闭的玻璃钟罩内，同时放有点燃的蜡烛和活小鼠，放在光照条件下，一段时间后，蜡烛不灭，小鼠不死；
密闭的玻璃钟罩内，同时放有点燃的蜡烛和活小鼠，放在黑暗中，一段时间后，蜡烛熄灭，小鼠死亡；
重复500多次
③
3.英格豪斯的实验设计与前人相比，改进在什么地方？
1782年
[日内瓦] J.Senebier
（略）
植物在照光时吸收CO2释放O2
4.J.Senebier的这个结论是在什么基础上提出的？
1845年
[德]R.Mayer
（略）
植物在进行光合作用时把光能转变成了化学储存起来
5.R.Mayer得出这个结论的依据是什么?
1864年
[德]萨克斯
暗处理后的叶片一半遮光，一半曝光，后经碘蒸气处理，曝光一半叶变蓝，遮光一半不变
④
6.萨克斯的实验目的是什么？
7.为什么对天竺葵先进行一昼夜的暗处理？
8.为什么让叶片的一半曝光，另一半遮光呢？
20世纪
30年代
[美]鲁宾和卡门
用同位素18O标记水（即H218O），进行光合作用实验，发现生成的氧全部是18O2；如用18O标记二氧化碳（即18CO2），H2成的氧全部是O2

⑤
9.鲁宾和卡门采用了什么先进方法来进行实验？
10.从人类对光合作用的探究历程来看，生物学的发展与物理学和化学有什么联系？与技术手段的进步有什么关系？试举例说明。
11.分析人类对光合作用的探究历程，你还有哪些感悟？
学生：分组讨论，由记录员填写生物小组合作学习记录卡。
教师：哪一组同学先来汇报？
教师：好。我们掌声有请第一小组的代表发言。其他小组的同学要注意听，看看本小组讨论的结果是否跟他们的一样。等一下其他小组代表发言的时候，只讲你们的不同结论，并说明原因。
第一小组的交流代表用实物投影仪呈现讨论结果，并作讲解；各小组的代表分别提出本小组的不同看法，并说明原因；其他学生有不同意见也可以提出来；最后由老师进行总结。在师生的共结论同讨论中得到正确答案并逐一呈现。
结论
思考
①建造植物体的原料是水分
1.缺乏对照实验
②植物可以更新空气
2.可能是在无光条件下做的这个实验。因为无光时，植物不进行光合作用，只进行细胞呼吸，所以没有释放氧气，而是释放二氧化碳，所以实验失败
③植物只有在阳光照射下才能更新空气
3.①设计了对照实验；②控制单一变量（即唯一自变量）；③对实验过程进行重复
植物在照光时吸收CO2释放O2
4.在发现了空气的组成的基础提出的
植物在进行光合作用时把光能转变成了化学能储存起来
5.依据是“能量的转换和守恒定律”
④证明绿叶在光合作用中制造了淀粉
6.为了验证光合作用的产物是什么。
7.暗处理是为了将叶片内原有的淀粉运走 耗尽
8.一半遮光一半曝光，是为了进行对照
⑤光合作用释放的氧全部来自水
9.采用了“同位素标记法”来进行实验
10.提示：从人类对光合作用的探究历程来看，生物学的发展与物理学和化学的研究进展关系很密切。例如：直到1785年，由于发现了空气的组成，人们才明确绿叶在光下放出的气体是氧气，吸收的是二氧化碳，这个事实说明生物学的发展与化学领域的研究进展密切相关。又如，基于核科学的进展，鲁宾和卡门利用同位素标记法证明光合作用释放的氧气来自水，而不是来自二氧化碳。这些都说明在科学发展的进程中，相关学科的互相促进，以及技术手段的进步对科学发展有巨大的推动作用。
11.提示：①许多科学家为了研究光合作用进行了辛勤的探索，他们不断地探索研究，从不放弃，坚持到底，这种献身科学的精神值得我们学习；②使我们体验到了科学探究的一般过程是：通过观察、发现问题—提出问题、进行假设—指定计划、设计实验—观察实验、获取证据—检验假设、得出结论，并认识到科学发现的艰难，科学研究方法的重要性，以及综合利用各学科的成果和研究手段的重要性；③科学家所设计的实验不仅有整体的设想、清晰的思路和操作的可行性，而且他们的实验都遵循了对照性原则、控制变量原则、重复性原则等原则，这些科学实验方法都是值得我们借鉴的。
教师：刚才我们体验了科学家们探索发现光合作用的历程，学习了他们的科学研究方法，接下来，我们也来模仿科学家设计实验的方法，看看自己能否创造性地设计实验探究光合作用的奥秘。
〔显示板书：（四）光合作用原理的应用〕
教师：农业生产上有许多提高农作物光合作用强度的措施。上节课已经布置同学们调查和收集有关提高农作物光合作用强度的具体措施有哪些，现在请同学们来汇报一下你们的调查结果。
（显示板书：提高农作物光合作用强度的措施）
学生：用投影仪展示调查报告、相片、图片、资料等。
汇报结果总结如下：
（1）适当提高光照强度、延长光照时间：如冬天或阴雨天可以使用人工光照作为补充等。
（2）适当提高二氧化碳浓度：如施用农家肥、在温室内施干冰等。
（3）适当提高温度：如阳光充足的天气温室内的温度调节在25～30 ℃之间。
（4）适当增加植物体内的含水量：如合理灌溉等。
（5）适当增加矿质元素的含量：如合理施肥等。
教师：很好。现在我们就每两个人为一组，选择其中的一种因素，通过实验来探究它对光合作用的影响。
（显示板书：探究环境因素对光合作用的影响）
教师：首先请大家确定好你们想要研究的课题，然后按以下步骤来实施：
一、确定课题
二、作出假设
你的依据是：
三、设计方案
原理提示：从蚕豆（或其他植物）上选取健壮、叶龄相似的成长叶数片，用直径1 cm的钻孔器，避开叶脉，打小圆片数十片，放于大注射器中注入水，排除空气后，用手指堵住注射器前端小孔，把活塞用力往后拉，即可造成减压环境而逐出叶肉组织中的空气，放开手指，水即进入组织中，如此重复多次，整个叶子圆片全部充满水分而下沉。把下沉的圆叶片连同水倒于小烧杯中，放在黑暗处备用。
植物进行光合作用时，吸收二氧化碳放出氧气，由于氧气在水中的溶解度很小，而在细胞间隙中积累，结果会使原来下沉的叶片上浮。
请根据你们前面提出的假设，思考以下其中一个问题，小组同学通过讨论，设计出你们下一步的实验方案。
1.如果你探究的是光照对光合作用的影响，你如何设置单一的光照变量？根据什么现象观察实验结果？
2.如果你探究的是温度对光合作用的影响，你如何设置单一的光照变量？根据什么现象观察实验结果？
3.如果你探究的是二氧化碳对光合作用的影响，你如何设置单一的光照变量？根据什么现象观察实验结果？
（当然你也可以不参照提示，自己设计一个更合理的方案）
（一）选择你所需要的实验器材：叶片、打孔器、注射器、烧杯、40 W台灯、温度计、可调式控温器、NaHCO3。
（二）方法步骤：
（三）实验结果记录：
请你设计一个简单、合理的表格，记录你的实验结果。
（四）老师选择几组实验方案设计得较好的组别，派代表到讲台宣读，供其他组别参考，经进一步修改完善后便可实施。
四、实施方案
按实验方案进行操作，仔细观察，认真记录。
五、分析与结论
把你的实验结果填写在前面设计的记录表上，并根据实验结果绘出曲线图。小组同学共同分析和讨论实验结果，得出结论。
六、表达与交流
向全班同学展示你们的实验成果，并对其他小组提出的质疑作出合理的解答；认真倾听其他小组的汇报，共同归纳出提高光合作用强度的措施。
［教师精讲］
1.人类是怎样认识到光合作用原理的
人们对光合作用的认识经历了一个漫长的阶段，大约用了近200多年的时间，才对光合作用的生理过程有了一些认识，知道了光合作用的场所、条件、原料和产物。从公元前3世纪古希腊学者亚里士多德提出，土壤是植物体的食物来源，直到20世纪40年代初，美国科学家鲁宾和卡门采用同位素标记法研究，了解了光合作用中各产物组成元素的来龙去脉后，对光合作用才有了一个较彻底的认识。
2.关于变量和单一变量原则
变量，或称因子，是指实验过程中可被操纵的特定因素或条件。根据其在实验中的作用，通常可分为两类：
实验变量与反应变量：
实验变量，也称自变量，指实验中由实验者所操纵的因素或条件。反应变量，亦称因变量，指实验中由于实验变量而引起的变化和结果。通常，实验变量是原因，反应变量是结果，两者是因果关系。
无关变量与额外变量：
无关变量，也称控制变量，指实验中除实验变量以外的其他一切影响实验现象或结果的因素或条件。无关变量并不是对实验结果不产生影响，而是指在实验中不作为实验的研究对象。额外变量，也称干扰变量，指实验中由于无关变量引起的变化和结果。显然，额外变量会对反应变量起干扰作用，造成实验结果的误差。
单一变量原则是处理实验中各种复杂关系的一个基本原则。指实验设计中只能确定一个变量为实验变量，其他变量则为无关变量。单一变量原则包括两层含义：一是确保“单一变量”的实验观测，不论一个实验有几个实验变量，都应做到一个实验变量对应观测一个反应变量。二是确保“单一变量”的操作规范，即实验操作中要尽可能避免无关变量的干扰。
［评价反馈］
1.20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绿色植物的光反应过程。他们用18O分别标记H2O和CO2，使它们分别成为H218O和C18O2，然后进行两组光合作用实验。图5－4－3中容器内为小球藻悬液，并置于光下：

图5－4－3
（1）甲图中的A代表___________________，它来源于________________。
（2）乙图中的B代表___________________，它来源于________________。
（3）甲图中物质A与乙图中物质B的相对分子质量之比是________________________。
（4）本实验能证实_________________________________。
（5）若甲图中供给12 molC18O2，能产生________________氧气。
2.一种水溶液染料对细胞无任何毒害且有O2时会变成蓝色。如图5－4－4装置是研究光合速率与光照强度相对关系的示意图。

图5－4－4
请分析如下问题：
（1）在溶液顶部加一层油的目的是_________________________________________。
（2）为什么要在无色溶液中加一定量的NaHCO3？____________________________
_________________________________。
（3）此实验装置如何改变或调控光照的相对强度？____________________________
_________________________________。
答案：1.（1）O2 H2O （2）18O2 H182O （3）8∶9 （4）光合作用中产生的氧气来自于水 （5）12 mol
2.（1）由于空气中存在O2，为避免空气中的氧影响实验结果，因此加一层油 （2）维持装置中CO2浓度的相对恒定，以保证光合作用对CO2的需要 （3）光照强度的控制可以通过移动台灯来实现
[课堂小结]

［布置作业］
1.完成课本P103思考与讨论1～2；
2.完成课本P106基础题1～8。
［课后拓展］
1.光合作用的探究历程给我们什么样的启示和借鉴?
这些科学家所设计的实验不仅有整体的设想、清晰的思路和操作的可行性，更值得我们借鉴的是，他们的实验都遵循了以下原则：①科学性：实验设计的原理必须有充分的科学根据，不是凭空想象，比如德国科学家萨克斯的实验依据的实验原理是淀粉遇碘变蓝；恩格尔曼的实验依据的原理是氧气多则好氧型细菌聚集数量就多；鲁宾和卡门的实验所依据的原理是释放的氧中有没有放射性与标记的原料的对应关系。因此，我们设计实验时要以前人的实验、定理、定律和已知的经验为基础，进行科学设计。②严谨性：实验中要设计对照实验，便于实验前后对比或组间对比或不同部分之间的对比，得出明确的结论。还有的实验要建立在严谨的逻辑推理基础之上。如萨克斯的叶片一半曝光，一半遮光；鲁宾和卡门的实验一组标记的是H218O，另一组标记的是C18O2；恩格尔曼的实验则是建立在严谨的逻辑推理基础之上的巧妙设计。因此，我们在进行实验设计时，要通过对照实验使结论无懈可击，以确保实验的严谨性和逻辑性。③实验条件的一致性：实验时，要保证对照实验只要一个条件不同，我们称为单一变量（即实验变量或自变量），其他条件均要相同，这样才能说明对照实验结果的不同是由单一变量引起的，从而确保实验结果的准确性。
2.植物栽培与光能的合理利用
光能是绿色植物进行光合作用的动力。在植物栽培中，合理利用光能，可以使绿色植物充分地进行光合作用。合理利用光能主要包括延长光合作用时间和增加光合作用面积。合理利用光能主要包括延长光合作用时间和增加光合作用面积两个方面。
延长光合作用时间就是最大限度地利用光照时间，提高光能的利用率。措施有：①提高复种指数。复种指数是指一年中收获作物的面积与土地总利用面积之比。如果一年一熟，复种指数就是1，一年三熟，复种指数就是3。从提高光能利用的角度看，尽可能种几熟的作物。②合理地间作套种。利用不同作物光饱和点的差异，在同一季节里、同一土地上种植高矮不同的植物。如高光饱和点的玉米田里间种低光饱和点的大豆。在一季作物成熟前，播种下一季作物称为套种。套种的结果是后季作物幼苗在前季作物中度过，大大减少了由播种出苗造成的光能浪费。
增加光合面积的一项重要措施就是合理密植。合理密植是指在单位面积的土地上，根据土壤肥沃程度等情况种植适当密度的植物。如果种植得太稀，光能就得不到充分的利用；如果种植得太密，植物互相遮挡，植物也不会茁壮地生长。
3.实验设计：证明温度对光合速率的影响。
（1）实验目的：了解温度是光合速率的因素之一。
（2）实验材料、试剂：金鱼藻，NaHCO3，清水，试管，烧杯，铁架台，温度计，水族箱，可调式加温器，棉花和小刀。
（3）实验步骤：
①在水中剪下生长健壮的没有损伤的金鱼藻嫩枝后，切口向上插入已经装满清水的试管内，并用棉花裹住管口，放在盛有清水并放有NaHCO3的烧杯内，同样准备三套装置。
②在烧杯里插入可调式加温器，对水加温，分别将三个装置的水温调节到15 ℃、25 ℃、35 ℃，用温度计测定水温。
③把三个装置都放到距灯光20 cm处进行光照，数分钟后可以看到在金鱼藻的切口处冒气泡。观察并记录在不同水温下释放气泡的速度。
（4）结果分析：光合作用的强度受到外界温度的影响，在一定范围内，高温能促进光合作用，而低温却能使光合作用的反应速度减慢。
（5）结论：光合作用是一个复杂的碳素同化过程，每一反应都需要酶的参与，温度的不同使酶的活性发生变化，从而改变反应进行的速度。
4.实验设计：请自选材料用具，设计一个实验证明“植物的光合作用需要二氧化碳”。
实验题目：验证“植物的光合作用需要二氧化碳”。
实验材料：
实验方法和步骤：
实验结论：
●板书设计
第三课时 光合作用的探究历程和光合作用原理的应用
（三）光合作用的探究历程
1.海尔蒙特的盆栽柳条实验
2.普利斯特利的实验
3.英格豪斯的实验
4.萨克斯的实验
5.鲁宾和卡门的实验
（四）光合作用原理的应用
1.提高光合作用强度的措施
2.探究环境因素对光合作用的影响

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