第二章光合作用和生物固氮.docx

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第二章光合作用和生物固氮

第二章 光合作用与生物固氮 教材分析

光合作用和生物固氮在理论上和实践上都有着重要的意义，是植物生理学中的热门研究领域。

对其机理的深入探索，有助于解决当今世界上如何经济有效地利用太阳能量，满足能源需求，解决粮食危机和进行环境保护等重大问题，为人类做出更大贡献。

通过本章教学，可以使学生在原有的学习基础上，运用物理、化学等知识，进一步深入了解光合作用和生物固氮的基础知识以及在农业生产上的应用，提高探索生物奥秘的兴趣，以积极的态度进行实践，保护自然环境。

   本章包括《光合作用》和《生物固氮》两节内容和一个实验：

《自生固氮菌的分离》。

第一节《光合作用》包括光能在叶绿体中的转换。

C3植物和C4植物和提高农作物的光合作用效率三部分内容。

   光能在叶绿体中的转换内容与必修课中的光反应和暗反应阶段及色素的功能，特别是光反应阶段的知识内容衔接，进一步深层次讲述能量转换的三个步骤（光能转换成电能，电能转换成活跃的化学能，活跃的化学能转换成稳定化学能）。

着重在由光能转换成电能，电能转换成活跃的化学能的两个步骤中，突出与必修课中光反应阶段内容的区别，并借助两幅示意图，把光合作用过程中比较复杂抽象的内容形象化，使学生对能量转换过程，更易于理解。

   C3植物和C4植物内容，教材从科学家发现CO2固定新途径的介绍开始，比较C3植物和C4植物在叶片结构上的特点和区别，使学生在此基础上学习C4植物的光合作用过程特点，从而理解C4植物比C3植物对CO2具有更高利用能力和具有较强光合作用效率的原因。

   提高农作物光合作用效率的教学内容，是让学生运用已经学过的相关知识内容，从影响光合作用的光照强弱、二氧化碳的供应、必需矿质元素的供应等因素考虑，多层次、多侧面分析植物光合作用的强弱变化情况，自觉、主动、积极地应用于农业生产实践中，提高农作物的光合作用效率，达到增产增收的目的。

   第二节《生物固氮》讲述固氮微生物的种类和生物固氮的简要过程，生物固氮在氮循环中的意义及在农业生产中的作用。

   通过演示实验让学生观察根瘤和根瘤菌，从感性上了解根瘤和根瘤菌的形态特征以及根瘤菌与寄主植物的互利共生的关系和生理特征。

而自生固氮菌则着重强调其在农业生产中的应用，与后面生物固氮在农业生产实践中的应用知识相对应。

   生物固氮过程简介内容，教材利用生物固氮原理示意图直观简要地介绍，借助对示意图的观察和分析，了解生物固氮原理。

   生物固氮在生态系统的氮循环中具有十分重要的作用，教材在讲述氮循环过程时特别突出生物固氮的作用和地位。

生物固氮在农业生产中的应用是为了满足农作物对氮素的需求，介绍了针对不同农作物所采取的措施，并通过开设的学生分组实验及课外生物科技活动等方式使学生亲自实践，动手操作，加强根瘤菌对豆科植物增产作用的认识，培养学生动手实践和研究探索能力。

本节教材的开始、结尾与课外读“生物固氮研究的前景”，介绍了生物固氮的研究方向，引导学生从基因工程和环境保护方面思考实现非豆科作物固氮对于解决粮食危机的重要性，并认识到科学技术存在着发展空间领域，体会科学家的不懈努力，执著的科学精神和投身生物科学研究的志向。

第一节 一 光能在叶绿体中的转换

教学目标

   1．知识方面

   学生运用高二已学到的光合作用的过程和叶绿体的知识，并通过观察分析示意图和相关资料，知道光能在叶绿体中如何转换成电能，进而转换成活跃的化学能的过程，进一步了解NADPH和ATP中活跃的化学能，在暗反应中转换为储存在糖类等有机物中稳定化学能的过程。

   2．态度观念方面

   通过学生对示意图的观察、分析与讨论，提高学生的合作精神和认真探索知识的严谨科学态度，并激发学生学习生物科学的兴趣及热情。

   3．能力方面

（1）通过光合作用过程中能量转换的示意图，学会利用图文资料进一步理解和获取生物科学基础知识的能力。

（2）借助对示意图的观察和问题的思考，提高学生的科学判断、推理等思维能力和观察力。

   （3）学生通过示意图对光合作用过程中能量在叶绿体中转换的三个步骤的叙述，培养学生的语言表达能力。

   （4）在学习光合作用中的能量转换过程后，学会运用新知识解决和分析实际问题，理论联系实际的能力。

   重点、难点分析

   光合作用是地球上几乎一切生物的存在、繁荣和发展的根本源泉，弄清其机理，在理论和生产实践中有着重要意义。

教材中进一步阐明能量的变化是由光能转换成电能，再由电能转换成活跃的化学能，是教学中的重点。

   光合作用过程中的能量在叶绿体中的转换是一个非常复杂、抽象、快速的过程，并蕴含着许多物理、化学变化和原理，在教学中思考如何把这个过程直观形象地呈现，以帮助学生理解，是在教学中需要解决的难点。

   教学模式 

   针对教学内容和教学目标，选择教学模式为：

提出问题——观察现象——分析探索——交流讨论——得出结论。

   教学手段

   大屏幕和实物投影，计算机课件（光能转换成电能的动画课件；光合作用中形成NADPH和ATP的动画课件），光合作用中能量在叶绿体中转换全过程的示意图。

   课时安排

   一课时。

   设计思路

   本节教学设计内容——光能在叶绿体中的转换，是以充分发挥学生的主体作用和教师的主导作用作为理念，利用学生已有的知识，采用直观的教学手段把抽象的难于理解的瞬时发生的微观变化形象化、动态化，进行模拟展示。

只是提供相关的资料和材料（如多媒体动画课件），通过不同问题的引导，让学生独立观察发现、探索交流并归纳总结，从而获得新知，培养学生的科学思维和观察能力，强化学生求知意识。

   教学过程

   一、创设问题情境

   从当今世界面临的粮食危机对人类生存和发展的严重影响以及我国耕地减少与人口数量大引发的粮食需求的突出矛盾；从提高粮食产量的紧迫性和巨大潜力，引出进一步对光合作用中能量转换和物质变化进行深入研究的必要，从而导入本节的研究内容——光合作用。

   二、学生展示材料，引导发现问题

（一）光能在叶绿体中的转换

   光能转换成电能的转换步骤是本课时教学内容中的重点和难点。

把这一抽象微观的变化转变成直观的现象，更易于学生的理解和进一步深入探索。

先引导学生从对一位中学生所作的生物科学小实验的现象的分析出发，从感性上认识和发现光合作用中光能转变成电能的事实，进而总结出光能在叶绿体中的能量转换的三个步骤，了解本课时需要探索的三个主题。

具体做法是：

由学生利用大屏幕展示并介绍本班生物兴趣小组在课下进行“调查媒体对生物科技发展的报道”的研究性学习中所搜集到的一份资料。

（一篇获得中学生物百项论文一等奖中的生物小实验。

具体内容是：

利用一台正负电荷检验器，贴近在室内生长的花卉以及在室外生长的植物的茎、叶后，检验结果发现有些植物带有负电荷，还有的植物未有此现象；经进一步检测在早、中、晚不同时段植物的带电情况，同时对室内花卉进行暗处理后做对照检测，结果发现：

一些茎叶宽大的植物在有光的情况下均带有负电荷，并且在一天当中以中午和下午3时左右带电最强，无光情况下所有的植物都不带电。

）

   这段资料把抽象化的能量转换变成了具体化的实验现象，学生在对资料简单分析的基础上得出植物在光合作用过程中能够把光能转换成电能的结论。

再启发学生回忆在高二学习中已知的能量转换过程，与新获得的结论结合思考，引导学生推导出光能在叶绿体中转换的三个步骤的发生部位及反应阶段。

并进入下面的三个研究主题。

   1．光能转换成电能。

   观察探索 围绕学生得出的结论“光能转换成电能”，提醒学生复习回忆叶绿体结构，特别是与光能的吸收、传递和转换有关的色素的种类、功能和位置以及与光合作用有关的酶的位置，在学生阅读教材中有关色素内容的基础上，从色素的功能方面对各种色素进行分类总结。

   引导学生观察探索 提出问题“光能是如何转换成电能的”后，组织学生进行探索。

首先利用大屏幕多次展示光能转换成电能的动画示意图，要求学生反复观察，引导学生通过对示意图的观察、分析、讨论，依次解决以下问题：

（1）A、B表示色素，它们分别代表什么色素以及各自的作用。

   思考：

光能在色素分子之间通过什么方式进行传递？

   （提供资料：

光能在色素之间以诱导共振的方式进行传递。

）

（2）特殊状态的叶绿素a在光的照射下发生了什么变化？

   （3）特殊状态的叶绿素a失去的电子是怎样传递的，自身的氧化还原性质的前后变化情况怎样？

   （4）脱离叶绿素a的电子，经过一系列的传递，最后传递给什么物质？

（阅读教材中的小资料。

）

   （5）失去电子的叶绿体a最终从什么物质中获得电子，而恢复稳定状态？

该物质发生了什么变化？

并尝试写出物质变化的反应简式。

   （6）特殊状态的叶绿素a在光照下连续不断失电子和得电子形成电子流，从物理学角度，表示能量形式发生了什么变化？

   （7）能量转换的场所？

（与高二知识内容衔接，提示：

叶绿体的囊状结构即类囊体。

）

   思维发散与开拓 学生自我探索解决光能转换成电能的过程后，要求学生分析回答氧气的来源和产生的原因，回忆氧气来自于水的光解的发现过程和方法。

并启发思考绿色植物这种独有的现象在不同领域特别是宇宙空间、国防现代化和能源发展等方面的广阔应用和研究前景。

鼓励学生各抒己见，用新的视角去看待和思考光合作用，把学生思维的积极性充分调动起来，这是拓宽学生思维，激发学生的创造思维和学习兴趣的有效环节。

   同时提出水的光解中电子的传递和氢离子的去路的问题，以此进入第二个研究主题，即电能转换成活跃的化学能。

   2．电能转换成活跃的化学能

   在叶绿体的囊状结构的薄膜上发生的能量转换的两个步骤，由光能转换成电能，由电能进一步转换成活跃的化学能是连续不可分割的过程，光合作用中光合磷酸化与电子传递是偶联的。

这一转换步骤可借助光合作用中形成NADPH和ATP的动画示意图和对教材中资料的阅读，引导学生分析。

（1）少数特殊状态的叶绿素a分子电荷分离的根本原因。

（2）形成电子流的化学原理。

   （3）水的光解产生的电子和氢离子最终传递给什么物质，并生成了什么物质？

反应需何条件？

尝试写出物质变化的反应式。

   （4）在电子传递过程中还形成了什么物质？

写出其反应式。

   （5）在物质形成过程中，能量形式发生的变化情况。

   （6）电能转换成的活跃的化学能，贮存在什么物质中？

   （7）能量转换的场所？

   要求学生在观察的基础上，判断、推理、讨论后得出结论。

   3．活跃的化学能转换成稳定的化学能

   在暗反应阶段活跃的化学能转换成稳定的化学能这部分内容是学生在高二阶段已经学到的知识，需要在学生原有的知识基础上，通过教学过程，使学生达到温故知新的目的。

思考回忆以下问题：

（1）ATP和NADPH在细胞中的含量？

属于光合作用的什么产物？

（2）ATP和NADPH参与暗反应阶段的什么过程的反应？

   （3）在此过程中能量形式发生的变化以及场所？

   使学生回忆ATP在细胞内数目不多并容易水解释放高能磷酸键所储存的能量的特点，同时介绍NADP+很容易与氢结合而被还原，在需要氢的反应中，有很容易与氢分离的特性。

通过提问的方式强调与高二学习中的有区别的知识内容：

（1）一个被还原的物质再氧化时是吸收能量还是释放能量？

（2）ATP和NADPH在暗反应阶段CO2的还原中各自的作用。

   （3）ATP和NADPH在不同阶段自身不断氧化还原的变化情况以及在光反应和暗反应阶段的联系中所起的作用。

   归纳总结 在分别学习探索光能在叶绿体中的转换的三个步骤后，依据教材中图2-2，要求学生完整叙述在光合作用中能量转换的全过程，引导学生进行前后知识比较，发现光合作用中能量转换和物质变化的相互联系、不可分割、同时进行的关系，以运动变化和联系的观点深入理解光合作用的实质即能量转换和物质变化过程，从而全面深刻地掌握知识，并形成能力。

   迁移深化 通过联系实际，引导学生将生物学知识迁移，形成一个再认识的深化过程。

依据此原则，设计了具有不同难度层次的问题：

（1）甲、乙两个密闭的玻璃钟罩内，分别喂养同样小鼠各一只，和长势良好的同样绿色植物各一盆。

与甲罩不同的是，乙罩内多了一杯氢氧化钙溶液。

两玻璃罩同在阳光下培养一段时间后，甲、乙两个钟罩内的小鼠和植物各发生了什么变化？

分析产生此现象的原因。

需要特别指导分析乙罩内的小鼠死亡的原因和光合作用中的暗反应的联系，深入体会和总结光反应与暗反应之间的关系。

（2）要求学生自己设计试验，突出对学生创造力的培养。

利用一些简单的仪器和设备，如一盆生长良好的天竺葵、电池、电线、碘液和风布等，设计一组实验证明光能、电能与有机物的生成之间的关系。

并在课下进行实际的操作。

   要点提示

   光能在叶绿体中的转换内容中，要点集中为能量转换中的光能转换成电能，电能转换成活跃的化学能这两个能量转换步骤及相应的物质变化。

板书设计

二 C3植物和C4植物

教学目标

   1.知识方面

（1）通过观察C3植物和C4植物叶片的永久横切片，使学生识记C3植物和C4植物在叶片结构上的区别，并以此了解C4植物光合作用的特点（识记）。

（2）C4植物固定二氧化碳的能力明显提高的原因（知道）。

   2．态度观念方面

   通过对C3植物暗反应发现过程的介绍，使学生了解一种科学研究方法—放射性同位素标记法，以此培养学生对科学的热爱和对科学研究的兴趣。

   3．能力方面

   通过本节课的教学，培养学生的实验观察能力、对生命现象及背景材料的分析归纳能力和获取知识的能力。

   重点、难点分析

   重点：

C3植物和C4植物在叶片结构上的区别及C3植物光合作用的特点。

   难点：

C4植物光合作用的特点。

   教学模式 

    实验观察——材料分析——概括归纳。

   教学手段

   实验观察、材料分析和多媒体课件辅助教学。

   课时安排

   一课时

   设计思路

   提供原始材料，使学生了解美国化学家卡尔文对C3植物的暗反应的研究成果，引出C3植物的发现过程。

通过用显微镜观察C3植物和C4植物叶片结构，了解C3植物和C4植物的叶片结构的不同从而进行C3途径和C4途径的教学。

   教学过程

   一、引言

   光合作用是在叶绿体内进行的一个复杂的能量转换和物质变化过程，是地球上最基本的物质代谢和能量代谢。

由于光合作用如此重要，它很早就吸引了许多科学家的兴趣。

一个世纪以来，为了探寻光合作用的具体化学反应过程，科学家进行了大量的研究，诞生出众多的科学巨人，如在必修教材中涉及到的海尔豪特、普利斯特利、萨克斯、恩吉尔曼、鲁宾和卡门等，其中美国化学家卡尔文因揭示了植物光合作用暗反应的机理而获得了1961年的诺贝尔化学奖。

   二、新课

   【教师活动】提供材料：

《卡尔文与地球上最重要的化学反应》。

   卡尔文（Me1vinCa1vin1911～1997）生于美国明尼苏达州，1931年获得密欧根采矿技术学院的化学学士学位，1935年获明尼苏达州大学的博士学位，1944年到1945年在曼哈顿计划中从事铀的研究。

   1940年，鲁宾（S.Ruben）和卡门（M.Kanmen）发现了碳的长寿命同位素14C，使卡尔文有了一种理想的工具来追踪二氧化碳是如何在暗反应中一步步变成碳水化合物的。

在卡尔文的研究过程中，14C成了主要工具，发挥了特别重要的作用。

   卡尔文在一个装置中放入进行光合作用的小球藻悬浮液，注入普通的二氧化碳，然后按照预先设定的时间长度向装置中注入14C标记的二氧化碳，在每个时间长度结束时，杀死小球藻，使酶反应终止，提取产物进行分析。

他通过色谱分析法发现当把光照时间缩短为几分之一秒时，磷酸甘油酸（C3）占全部放射性的90％，这就证明了磷酸甘油酸（C3）是光合作用中由二氧化碳转化的第一个产物。

在5秒钟的光合作用后，卡尔文找到了含有放射性的C3、C5和C6。

   在实验中，卡尔文发现在光照下C3和C5很快达到饱和并保持稳定。

但当把灯关掉后，C3的浓度急速升高，同时C5的浓度急速降低。

如果在光照下突然中断二氧化碳的供应，则C5就积累起来，C3就消失。

   【学生活动】分析材料，结合所学内容回答问题：

   1．在文中，卡尔文运用了哪些研究方法？

（放射性同位素标记法、色谱分析法）

   2．被标记的碳元素首先出现在哪一种化合物中？

（磷酸甘油酸C3）

   3．文中的最后一段说明了什么问题？

（C5是二氧化碳的受体，C3是二氧化碳固定后的产物）

   【教师活动】复习总结C3植物暗反应特点。

介绍C4植物的发现过程。

   澳大利亚科学家M.D.Hatch和C.R.Slack在研究玉米、甘蔗等原产热带地区的绿色植物发现，当向这些绿色植物提供14C时，光合作用开始后的1秒内，90％以上的14C出现在含有四个碳原子的有机酸（C4）中。

随着光合作用的进行，C4中的14C逐渐减少，而C3中的14C逐渐增多。

   【学生活动】分析上述材料。

   结论：

说明在这类绿色植物的光合作用中，CO2中的C原子首先转移到C4中，然后才转移到C3中。

   【教师活动】介绍C3和C4的概念和常见的种类。

   【学生活动】用显微镜观察菠菜叶和玉米叶的永久横切片。

   课堂讨论：

C3植物和C4植物的叶片结构有哪些不同？

   【师生互动】结合教材图2-3和图2-4及多媒体课件分析C3和C4植物叶片结构的区别并将观察结果记录于下表。

植物种类

维管束鞘细胞

叶肉细胞

细胞大小

是否含有叶绿体

排列

是否含有叶绿体

菠菜叶横切（C3）

玉米叶横切（C4）

   （详细内容见板书设计）

   【补充说明】通过研究发现，C3植物的维管束鞘细胞含有没有基粒的叶绿体，这种叶绿体不仅数量多，而且体积大。

C3植物和C4植物之所以具有不同的固定CO2的途径与二者的结构有密切关系。

   【学生活动】以学习研究小组为单位分析选修教材图2-5C4植物光合作用特点示意图和必修教材图3-8并填写下表：

植物种类

CO2的受体

CO2固定后的产物

CO2固定后的场所

CO2还原的场所

ATP和NADPH的作用对象

暗反应的途径

C3植物

C4植物

【师生互动】结上表，得出结论：

   1．C4途径的CO2的受体是磷酸烯醇式丙酮酸（PEP），CO2与PEP结合生成C4的场所是叶肉细胞的叶绿体。

   2．C4形成后进入维管束鞘细胞释放CO2，CO2与C5结合生成2C3进行C3途径。

   3．C3植物仅在叶肉细胞的叶绿体内进行C4途径，C4植物既在叶肉细胞的叶绿体内进行C4途径又在维管束鞘细胞的叶绿体内进行C3途径。

   【总结】C4植物固定CO2的PEP羧化酶与CO2的亲和力比C3途径中C5羧化酶与CO2的亲和力高60倍。

因此，C4植物能够把大气中含量很低的CO2以C4的形式固定下来，并运输到维管束鞘细胞的叶绿体中供C3途径利用。

因此，在热带的高温地区及在夏季炎热的中午，叶片气孔关闭，C4植物能够利用叶片内细胞间隙中含量很低的CO2进行光合作用。

C4植物比C3植物更适于生活在温度较高的热带地区，C4植物比C3植物在进化上更高等。

   要点提示

   1．卡尔文的研究成果在教材中未涉及到，但是在1991年全国高考和1996年的上海高考题中引用了卡尔文的研究过程。

在教学中应尽量给予学生科学研究的第一手资料，使学生在了解C4植物的发现过程中不仅掌握科学研究的结果，还学习到了科学研究的方法和过程。

   2．C4植物和C3植物的叶片结构特点的教学应尽量发挥学生的主体性，使学生通过实验观察先获得感性认识，再讨论归纳总结，这样比较符合学生的认知规律。

   3．要尽量将图片、图表制作成多媒体演示文稿，这样可吸引学生的注意力，并能发挥的主导作用，引导学生的讨论中心，有益于学生知识的建构。

C3植物和C4植物某些光合作用特征和生理特征比较

板书设计

三 提高农作物的光合作用效率

教学目标

   1．知识方面

  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．态度观念方面

（1）通过本节课的教学，使学生能够将所学的知识和农业生产实践结合起来，从而对学生进行STS（科学、技术、社会）的教育。

（2）通过介绍我国古代农业发展史中的成就，对学生进行爱国主义教育。

   3．能力方面

   培养学生对问题的分析能力和综合能力。

   重点、难点分析

   本节课的教学内容并不难，关键是要将必修教材和选修教材联系起来，使学生在整体上建立起知识的联系。

提高农作物的光合作用效率要从光合作用的条件和原料两方面考虑，要使学生将所学知识和生产实践联系起来。

培养学生的STS思想是本节课的重点和难点。

   教学模式 

    设疑激趣——师生互动——建构知识。

   教学手段

   制作多媒体课件辅助教学。

   课时安排

   一课时

   设计思路

   以问题引导学生，以历史文献吸引学生，以生产实践带动学生，进而培养学生的思维和能力。

   教学过程

   一、引言

   民以食为天。

然而人类赖以生存的第一个要素——粮食却面临着日益短缺的严重局面，如何提高农作物的光合作用效率是我们面临的一个严峻的课题。

光合作用效率是指绿色植物通过光合作用制造的有机物中所含有的能量与光合作用中吸收的光能的比值。

   二、新课

   【教师活动】引导学生复习光合作用的概念、过程，得出光合作用总反应式：

         光  

CO2+H2O——→（CH2O）+O2

        叶绿体

   从化学反应式的角度分析光合作用总反应式，若要提高光合作用有机物的生成量，我们可采取哪些积极有效的措施？

   【学生讨论】得出结论：

从光合作用的条件看：

   1．增加光照，可以：

（1）延长光照时间，提高复种指数；

（2）增加光照面积，进行合理密植；（3）控制光照强弱。

   2．增加矿质元素的供应，提高叶肉细胞的叶绿素含量。

   3．控制温度，大棚作物白天可适当降低温度，夜晚适当提高温度。

   从光合作用的原料看：

   1.增加作物周围二氧化碳浓度。

   2.合理灌溉，增加植物体内的水分来增加光合作用的原料。

   【教师活动】肯定学生的结论，确定本节课的中心：

说古论今谈如何增加光合作用效率。

   阳光给人类带来了光明和温暖，阳光被绿色植物吸收利用，使千姿百态的植物界得以郁郁葱葱，植物为人类及所有动物制造有机物，使其得以繁衍和生存。

自古以来我国劳动人民就十分重视阳光与作物生长的关系，对于阳生植物和阴生植物早有记载。

例如：

《周礼》中记载：

“阳木生山南者，阴木生山北者。

”《诗经》中说：

“梧桐生矣，于彼朝阳。

”

   【学生活动】翻译以上两句古汉语，并分析其中的含义。

   “阳木生山南者，阴木生山北者”意为树木有的喜阳光，适宜种在阳光充足的山南，有的喜阴暗，适宜种在光线较弱的山北。

“梧桐生矣，