第二节 光合作用
从容说课
《光合作用》一节主要可以分为光合作用的历史回眸、光合作用的色素及其对光能的捕获、光合作用的过程、影响光合作用的环境因素等四部分内容。
关于光合作用的历史回眸，课本试图通过对光合作用的发现历史反应过程的回顾，以阐明绿色植物光合作用的实质。在教学中，注意让学生以教材中展现的光合作用研究历史中的重要事件为线索，遵循科学家的探索思路，总结出光合作用的探究历程。因为教材上介绍的历史非常经典，所介绍的都是在光合作用探索历程中所出现的典型问题和解决的方法，学生认真了解其重要过程，等于沿着科学家的发现思路作了一次思维的探究，这对于学生认识和掌握光合作用的具体过程是有必要的。
关于光合色素与光能的捕获部分，课本首先借助物理知识中物体颜色的知识，引出绿色植物的叶片颜色为何是绿色的话题，进而引出植物的光合色素可能有哪些种类，然后通过《提取和分离叶绿体中的色素》的实验来理解光合色素的种类与作用，最后通过恩吉尔曼实验提出了光合作用的基本单位是叶绿体。色素提取和分离的实验，除课本所介绍的用具和方法外，也可用成套的微量提取器来做这个实验，这样可以降低操作难度，效果也更明显。实验中要让学生仔细观察分离出的不同色带，注意色带的不同颜色、分布顺序和宽窄，并思考其中的原因。将提取的色素液放在光源和分光棱镜之间，可以发现在红光和蓝紫光部分呈现暗带，说明这部分波长的光被色素吸收，由此让学生思考色素吸收的光用来做什么。有条件的学校还可以让学生观察色素的荧光现象，并简单介绍荧光现象产生的原因，让学生了解色素吸收了光能的事实。色素是植物吸收光能的物质，但是这些物质主要分布在小小的叶绿体内，这是科学家通过实验发现的。可以先将恩吉尔曼的实验介绍给学生，让学生讨论恩吉尔曼的两个设计巧妙的实验说明了什么问题，然后再让学生认识叶绿体的基本结构以及这种结构适于分布色素和多种酶的特点。
关于光合作用的原理和大致过程，重点要学生掌握光反应和暗反应两个过程的区别和联系，特别是光合作用过程中的物质变化和能量变化的过程、发生的部位和条件等知识。教材在遵循科学准确的原则下，利用“光合作用过程”的图群，力求形象、生动地描述有氧呼吸的过程。在教学过程中，建议运用多媒体辅助教学手段，帮助学生建立细胞光合作用的动态模型，通过物质转变与能量转换两条主线，理解细胞有氧呼吸的场所、条件、原料、过程、产物以及产物去向等过程。同时，作为高中学生，应该试图从化学反应的角度看待光合作用的过程，从化学反应发生的变化去认识水和CO2是如何转变成有机物糖类等物质的。同时让学生明确在这两个过程中每一个物质变化的来龙去脉和相应的能量转化的过程，以便从整体上认识和理解光合作用。
在学习光合作用过程的基础上，为了更好地认识光合作用原理在农业生产中的应用，可以结合学生初中已有的知识基础，让学生联系光合作用的原理来分析、解释环境因素对光合作用强度的影响。
本节共设置了1个“回眸历史”、1个“边做边学”、2个“积极思维”、1个“放眼社会”、1个“评价指南”、1个“继续探究”、1个“走近职业”、1个“拓展视野”和相应的图与图群。“边做边学”的题目是《提取和分离叶绿体中的色素》，教学中可以先通过一段实况录像展示叶绿素的提取与分离的过程，以视频的方式呈现给学习者相应的情景，便于学习者模仿，易于在以后的实际操作中正确掌握实验的技能，然后，由实验小组讨论操作要点，在实验过程中，建议学生对实验进行创新，最后展示小组实验成果。“积极思维”的题目有2个：其一是“恩吉尔曼的实验巧妙在哪里”，该部分内容具有很好的思维训练价值，我们建议以综合运用发现教学、合作学习为主的多种教学传递程序，结合采用多媒体辅助教学手段进行恩吉尔曼实验的变式模拟；其二是“哪些环境因素影响光合作用”，我们的教学建议是首先展示一组光照强度影响光合作用速率的问题情景，引导学生讨论光照强度对光合作用速率的影响特征，并从光合作用过程的机理分析其本质，对于CO2对光合作用的影响，则采用学生自主分析、小组讨论、师生共同总结的方法组织教学，并引导学生思考水、矿质元素、温度对光合作用速率可能的影响。本节还有图群3个：光合作用发现过程图、光合作用图解、提取和分离叶绿体中色素的过程；图片8张：物体颜色示意图、可见光谱示意图、恩吉尔曼的实验结果、叶绿素的吸收光谱以及设施农业等；表格1张，函数图3张。教师可根据图的特点合理展示图片，图文结合，帮助学生理解相关知识。最后我们建议学生利用图书馆、网络或其他媒体手段，收集有关光合作用在社会、生活中应用的信息，并做成课题研究报告，进行班级内部交流，或在网上展示。
教学重点
1.光合作用的发现过程。
2.光合色素的作用及种类。
3.光合作用的过程。
4.从生产实践的角度探讨影响光合作用的环境因素。
教学难点
1.控制变量的科学方法。
2.光合作用的发现过程。
3.光合作用的过程。
4.影响光合作用的因素。
教具准备
光合作用过程的多媒体课件、“提取和分离叶绿体中的色素”的视频录像、“提取和分离叶绿体中的色素”的实验器材、教师通过网络等途径收集的一组有关“光合作用的研究最新进展、光合作用与农业”的信息。
课时安排
5课时
三维目标
1.说出人类对光合作用的认识过程。
2.举例说出主要的光合作用色素的种类和作用。
3.概述光合作用的过程，理解光反应、暗反应的过程及其相互作用的关系。
4.能利用实验器材提取和分离叶绿体中的色素。
5.通过对“光合作用”等图群学习，进一步提高图表对比分析能力以及运用恰当的生物学知识有效地表述图表、公式等提供的信息能力。
6.探索光照强度、CO2浓度对光合作用速率的影响，形成归纳与演绎能力、生物学的绘图能力、实验设计能力及数据分析能力。
7.通过亲历实验设计的过程，感知定性实验与定量实验之间的关系。
8.通过阅读分析“解开光合作用之谜”的资料，认同科学是不断进步与发展的；感受伟大的科学家睿智的目光与不屈不挠的探索精神。
9.认同科学家不仅要继承前人的科研成果，而且要善于吸收不同意见中的合理成分，还要具有质疑、创新和勇于实践的科学精神与态度。
10.树立科学、社会、技术相统一的思想（STS）。
11.通过亲历提取和分离叶绿体中色素的过程，培养学生严谨、求实、创新的精神。
12.通过小组学习过程中的合作与交往，培养学生的协作意识与交往的态度。
第1课时 光合作用历史回眸
教学过程
（班级分成若干活动小组，课外设计并完成光合作用兴趣实验，并将实验数据做成多媒体课件，本课时建议安排在多媒体教室）
导入新课
教师通过视频展示一组预先摄制好的录像，展示一学生参观现代化农业示范基地的大棚种植园的过程。以学生的角度观察大棚内的温度控制、人工补充光照、气肥补充、空间合理利用等措施与光合作用的关系，并引导学生从不同角度，考察影响大棚种植的经济效益的因素。
师
有些大棚用红色或蓝色的塑料薄膜代替普通塑料薄膜，在有的温室内悬挂发红色或蓝色光的灯管。
（1）用这种方法有什么好处？不同颜色的光照对植物的光合作用会有影响吗？
（2）为什么不用绿色的塑料薄膜或补充绿色光源？
学生活动：学生思考、讨论。
生
（1）这样的方法可以提高光合作用的产量；同颜色的光照对植物的光合作用可能会有影响，但具体是如何影响的，我们无法知道。
（2）不用绿色的塑料薄膜或补充绿色光源，可能是这样的举措无助于提高植物的光合作用产量。
师
为了解释这样的问题，我们需要来学习光合作用的知识。
师
在自然界中绿色植物随处可见，但是哪位同学曾观察到光合作用是怎样进行的呢？生
没有。师
那么，科学家们到底是怎样发现光合作用这一生理过程的呢？
推进新课
板 书：
一、光合作用历史回眸
课件展示：
（1）我们历来喜好把第一个从事某一领域工作的人称为奠基者。如果光合作用的研究领域也有这样一个人的话，那么他就是比利时人——范·海尔蒙特（呈示海尔蒙特像或相关资料）。
（2）人们说，早期的光合作用的研究是由一批医生、牧师和化学家完成的。着重于研究参加光合作用的原料和光合作用的产物。光合作用的研究伴随着化学、物理学、哲学等学科的发展而不断取得进步；到一定阶段，它又促进了相关学科的发展。
（3）到了近代，对于光合作用的研究则主要集中于对于光合作用机理的研究——光合作用的生物化学过程的研究。这其中以希尔、卡尔文为代表（呈示希尔、卡尔文像或实验资料），这一阶段，许多科学家因致力于光合作用的研究而受到世人瞩目，并获得诺贝尔奖。当然，我们更应记住那些为科学奉献终生而默默无闻的人——一些真正伟大的人！
（4）光合作用的研究是一个漫长、艰苦的过程，我们今天一起来回顾其中一些伟大的科学家的经典的实验，感悟他们精妙的实验设计、准确而客观的实验分析与睿智的目光。
案例一：
师
过去，人们一直以为，小小的种子之所以能够长成参天大树，完全依赖于土壤。事情果真是这样？1648年，一位比利时的科学家范·海尔蒙特对此产生了怀疑，于是他设计了这样一个实验：他把一棵重2.5 kg的柳树苗栽种到一个木桶里，木桶里盛有事先称过重量的土壤。以后，他每天只用纯净的雨水浇灌树苗。为防止灰尘落入，他还专门制作了桶盖。五年以后，柳树增重80多千克，而土壤却只减少了0.1 kg，海尔蒙特为此提出了植物生长所需的养料主要来自于水，而不是土壤这一观点。
师
范·海尔蒙特的“柳树实验”进步之处在什么地方？不足之处又在什么地方？试用你已有的知识加以评价。
生
进步之处是以实验为证据推翻了人们传统认识中“小小的种子之所以能够长成参天大树，完全依靠于土壤”的观点；不足之处是当时他却没有考虑到空气在植物生长（即光合作用）中的作用。
师
那么是谁首先想到植物的生长与空气的作用有关的呢？
案例二：
课件展示：
（1）在光线充足的地方，我们将一支点燃的蜡烛和一只小白鼠分别放到两个不同的密闭的玻璃罩里，看到蜡烛不久熄灭了，小白鼠也很快死去。
（2）将点燃的蜡烛与绿色植物一起放在一个玻璃罩内，置于充足光照条件下，蜡烛不易熄灭。
（3）将点燃的蜡烛与小白鼠一起放在一个玻璃罩内，置于充足光照条件下，小白鼠也不容易窒息而死。
师
（1）根据书本提供的信息，你能否说出这个实验最初是由谁提出并完成的？这位科学家根据这个实验提出了什么观点？
（2）假如用一不透光的纸盒将实验（2）与（3）中的玻璃罩罩住，使它不接受光线，重复做（2）实验，会出现怎样的结果？这又说明了什么？
生甲
最初是由一位英国科学家普利斯特莱在1771年完成的。
生乙
这位科学家认为植物可以通过光合作用吸收CO2，产生O2。
（教师延迟评价）
生丙
这位科学家认为植物可以在光照条件下更新空气的成分。
生丁
我认为学生乙的观点并不正确。因为，据我了解，普利斯特莱所处的时代人们还不了解空气的组成成分，直到1785年，人们才了解了光合作用过程中放出的气体是O2，吸收的是CO2。因此,我赞同丙的观点。
生戊
假如用一不透光的纸盒将实验（2）（3）中的玻璃罩罩住，使它不接受光线，重复做（2）实验，会发现蜡烛不久熄灭了，小白鼠也很快死去。这可以说明植物的光合作用需要光。
……
师
（1）非常感谢前面同学自由的发言，引领了我们的思维，丁同学严密的逻辑与宽广的知识面更让我们感到了科学的美。的确，普利斯特莱根据上述实验，提出了“植物可以更新因蜡烛燃烧或小白鼠呼吸而变得浑浊的空气的观点”。
（2）但是他没有发现植物在更新空气中的作用，而是将空气的更新归因于植物的生长。
（3）当时有人重复普利斯特莱的实验，却得到了完全相反的结论。认为植物与动物一样能使空气变得浑浊，这个结论在当时引起了很多关注。
（4）1779年，荷兰医生扬·英根豪斯（J.Ingenhousz）经过500多次实验，发现了普利斯特莱的实验只有在光照条件下才能成功，而且只有植物的绿色部分才能更新浑浊的空气。
案例三：
师
我们能否设计一个实验以证明植物的光合作用需要光照呢？及吸收CO2并产生O2呢？
学生活动：阅读文本中关于扬·英根豪斯（J.Ingenhousz）实验的介绍，以学习小组为单位，设计、修正实验，并讨论其可行性，利用课后时间完成实验（强调实验的因地取材）。
设计一：证明植物的光合作用需要光照
学生设计实例：
实验原理
根据已有知识可以得知植物光合作用可以产生淀粉，而我们可以利用碘液来鉴定淀粉。
实验器材
生长良好的天竺葵植株，烧杯，碘液，酒精，剪刀，镊子。[高考资源网]
实验步骤
（1）取同种两株生长状况类似的天竺葵，分别标记为A、B，均放在黑暗条件下12小时，进行饥饿处理。
（2）将经过饥饿处理后的A株植株放在光照条件下处理3～4小时，而B株放在黑暗条件下处理相同时间，其他条件均相同。
（3）分别取处理之后的A、B两株植株大小基本相同的两片叶子，用酒精加热脱脂，滴加碘液处理，观察其颜色变化。
实验预测及分析
（1）A、B两株植株的叶片滴加碘液后均为蓝色，则说明植物光合作用并非一定需要光照。
（2）A植株的叶片滴加碘液后为蓝色，B植株的叶片滴加碘液后不显蓝色，则说明植物光合作用需要光照。
（3）A植株的叶片滴加碘液后不显蓝色，B植株的叶片滴加碘液后显蓝色，则说明光照抑制植物光合作用。
实验结果
以实验数据为最后结果。
师
实验中需要注意什么事项？
生
要注意实验之前的饥饿处理，处理时间要相对长一些，以消耗掉其中原有的淀粉；注意实验组与对照组的单因子变量控制。
设计二：证明光合作用需要CO2
学生设计实例：
实验步骤
（1）取两株生长状况良好的普通天竺葵，放在黑暗条件下12小时，进行饥饿处理。
（2）将经过饥饿处理后的植株各取下一片叶片，酒精加热脱脂，滴加碘液处理，观察其颜色变化。
（3）将上述两株植株如右图所示，放在光照条件下处理3～4小时，取处理之后的甲、乙植株各一片叶子，用酒精加热脱脂，滴加碘液处理，观察其颜色变化。
实验预测及分析
（1）若甲装置中天竺葵的叶片滴加碘液后均呈现蓝色，而乙装置中的叶片不显蓝色，则说明光合作用需要CO2。
（2）若甲装置中天竺葵的叶片滴加碘液后不现蓝色，而乙装置中的叶片显蓝色，则说明CO2抑制光合作用。
（3）若甲、乙装置中的叶片均显蓝色，则说明CO2不是光合作用所必需的。
设计三：证明光合作用产生O2
学生设计实例：
实验步骤
（1）取一份生长状况良好的金鱼藻，如右图所示放在充足光照、适宜温度条件下（烧杯中加入一定的NaHCO3），处理3～4小时，并令之为实验组。
（2）取相同的实验装置，不放金鱼藻，其他条件不变的情况下进行相同处理，并令之为对照组。
（3）收集两个装置中所产生的气体，以带火星的卫生香放在试管口，看其是否复燃。
实验预测及分析
（1）若实验组与对照组中卫生香均复燃，则直接说明两支试管均产生了O2，间接说明O2不是植物光合作用产生的。
（2）若实验组中卫生香复燃，对照组卫生香不复燃，则直接说明实验组产生了O2，对照组没有产生O2，间接说明植物光合作用产生O2。
（3）若实验组中卫生香不复燃，对照组卫生香复燃，则直接说明实验组消耗了O2，对照组没有消耗O2，间接说明植物光合作用消耗O2。
案例四：
师
光合作用过程中，绿色植物吸收了光能，那么从能量转化与守恒角度来看，光能到哪里去了呢？
生
转化为有机物中的化学能。
师
那么，你了解的光合作用合成的有机物有哪些呢？
生
淀粉。
师
那么你用什么方法可以证明你的推论？
生
可以进行这样的实验，实验设计如下：
（1）取一株生长状况良好的天竺葵，放在黑暗条件下12小时，进行饥饿处理。
（2）将经过饥饿处理后的植株取下一片叶片，酒精加热脱脂，滴加碘液处理，观察其颜色变化。
（3）将上述植株放在光照条件下处理3～4小时，取处理之后的植株的一片叶子，用酒精加热脱脂，滴加碘液处理，观察其颜色变化。
师
为何要首先对经过饥饿处理后的植株叶片进行碘液处理，观察其颜色变化？
生甲
可以鉴定其中的淀粉是否被完全消耗了。
生乙
还可以说明在第三步中若滴加碘液后产生了蓝色，则其蓝色并非是由叶片中原有物质产生的。
师
我们来回顾一段关于对光合作用产物的探索的一段历程：
（1）光合作用历史中的另一个里程碑就是1854年，一个德国医生Robert Mayer宣布：植物把太阳光能转化为化学能。
因而，在20世纪的中叶，光合作用现象用这样的式子表示：
CO2+H2O+光 O2+有机物质+化学能
（2）1864年，德国植物学家萨克斯（J.von Sachs）（萨克斯还发现植物呼吸）证明了光合作用时有淀粉生成。
萨克斯把一些绿叶放在黑暗的房间中一些时间，使其中的淀粉消失。然后，他使无淀粉的叶子的一半照光，另一半用黑纸遮住，使其仍处于黑暗之中，若干时间之后，整片叶子用碘蒸气处理。结果，由于形成了淀粉—碘络合物，叶子的照光部分呈黑紫色，而另一半则没有颜色。
（3）需要指出的是，在萨克斯的实验中，绿叶在光照条件下处理的时间不能过长；因为植物叶片内的维管系统会把光照部分产生的淀粉运输至黑暗部分的叶片，而导致实验数据不正确。
案例五：
师
在扬·英根豪斯的实验中，发现植物的光合作用是由绿叶来进行的。那么我们能否设计一个实验以证明光合作用需要叶绿体？
教师引导：用多媒体展示一组关于银边天竺葵叶片结构特点的信息。
学生活动：独立设计其中一个实验，小组交流、讨论，分享设计方案。
学生设计实例：
实验步骤
（1）取一株生长状况良好的银边天竺葵，放在黑暗条件下12小时，进行饥饿处理。
（2）将经过饥饿处理后的植株取下一片叶片，酒精加热脱脂，滴加碘液处理，观察其颜色变化。
（3）将上述植株放在光照条件下处理3～4小时，取处理之后的植株的一片叶子，用酒精加热脱脂，滴加碘液处理，观察其颜色变化。
实验预测及分析
（1）若银边天竺葵的银边部分与绿色部分滴加碘液后均现蓝色，说明光合作用不一定需要叶绿体。
（2）若银边天竺葵的银边部分滴加碘液后均现蓝色，绿色部分滴加碘液后不现蓝色，说明叶绿体抑制光合作用的进行。
（3）若银边天竺葵的银边部分滴加碘液后不现蓝色，绿色部分滴加碘液后现蓝色，则说明光合作用需要叶绿体。
师
光合作用中的原料是CO2和H2O，那么光合作用产生的O2究竟是从何而来的呢？
学生活动：阅读文本中“解开光合作用之谜”中鲁宾、卡门与卡尔文研究的相关信息。
课件展示：
(1)放射性同位素可用于追踪物质的运行与变化规律。用放射性同位素标记的化合物，化学性质不会发生改变。科学家通过追踪放射性同位素标记的化合物，可以弄清化学反应的详细过程。这种技术称为同位素示踪技术。
同位素示踪技术是一种生物科学研究的技术手段。同位素示踪技术与X光衍射技术是20世纪初期至70年代的生命科学研究较为成功的两种技术手段。
(2)普通的、无放射性的碳是12C。第一个用作示踪者的同位素碳是11C，但是因为它的半衰期只有20.5秒，因而，它的应用成效有限。
(3)卡门(M.Kamen)和鲁宾(Sam .Ruben)发现了寿命长的14C(它的半衰期为5 720年)，这就使示踪碳从标记物质（如CO2或者重碳酸盐）相继进入有机物质成为可能。因此，同位素14C逐渐成为最重要的碳的示踪者。
（4）借助光合作用的光化学反应中形成的还原剂(NADPH),CO2转变成碳水化合物,这是光合作用中分析得最清楚的一个阶段。
取得这个成就，是因为应用了一种简便的示踪剂——放射性碳同位素14C。根据物理常识,我们知道,这样的示踪者能用来追踪各种元素在化学反应中的途径,其方法是观察不同反应中的中间产物和最终产物,它们特有的放射线的出现。
把这种方法应用于光合作用的研究是一个惊人的成就。为此,在1961年把诺贝尔奖授予了美国加利福尼亚州立大学伯克利分校的M.卡尔文。以奖励他与A.A.Benson、J.Basshan及其同事们，在这个领域取得的极其重大的进展。
师
从上面这些信息，你能否设计一种可以证明光合作用中释放的O2分子究竟是从何而来的？
学生活动：学生讨论，小组合作提出设计方案。
设计案例：
（1）取生长状况良好的小球藻分成均等的两份，分别标记为A、B。
（2）将A置于一盛有同位素18O标记的H2 18O的试管中，同时在容器中充入未被同位素标记的CO2，一段时间后，收集光合作用中所产生的O2，鉴定其放射性。[高考资源网]
（3）将B置于一盛有未被同位素标记的H2O的试管中，同时在容器中充入被同位素18O标记的C18O2，一段时间后，收集光合作用中所产生的O2，鉴定其放射性。
（4）对实验结果进行分析。
师
（1）鲁宾与卡门两位科学家进行了同样的实验，发现在类似于A组的实验中，所收集的O2全部都是具有放射性18O的18O2；而在类似于B组的实验中，所收集的O2全部是无放射性的O2。间接说明了光发合作用所产生O2都来自于参加光合作用的水。
（2）美国科学家M.卡尔文利用小球藻作为实验材料，用14C标记的14CO2进行光合作用，然后追踪其放射性。最终探明CO2的碳在光合作用中转化成有机物的碳途径，这一途径称为卡尔文循环。
师
你知道同位素还可以利用在其他方面吗？
生
同位素还可以检测地层中化石的地质历史年代，其原理是利用“半衰期”法测定。
课堂小结
关于同位素的利用，你还可以与你小组内的同学交流一下自己的看法；或在课后查阅相关资料，以取得更多的信息。
板书设计第二节 光合作用
一、光合作用历史回眸
1.范·海尔蒙特的“柳树实验”——植物生长的养料主要来自于水；
2.科学家普利斯特莱植物与动物的气体交换实验——植物生长需要吸收二氧化碳，同时释放氧气；
3.扬·英根豪斯（J.Ingenhousz）——光合作用需要光照；
4.萨克斯（J.von Sachs）——光合作用时有淀粉生成；
5.鲁宾、卡门——光合作用中释放的氧来自于H2O，糖中的氢也来自于水；
6.M.卡尔文——卡尔文循环。
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