5.4 光合作用与能量转化教学设计2026-2027学年高一上学期生物人教版必修1

该高中生物学教学设计围绕光合作用与能量转化核心知识，涵盖色素提取分离、叶绿体结构、光合作用历程及光暗反应过程。以植物工厂人工光源情境导入，通过实验视频、科学史分析等支架，衔接色素功能、叶绿体结构到光合作用原理，构建完整知识脉络。 资料亮点在于实验探究与科学思维融合，如色素提取实验视频规范操作，恩格尔曼实验分析强化结构与功能观（生命观念），鲁宾-卡门实验解读培养证据推理能力（科学思维）。对比表格梳理光暗反应物质能量转化，助学生构建体系，为教师提供结构化教学流程与丰富资源，提升课堂效率与学生探究实践能力。

教学课题 第5章第4节 光合作用与能量转化 课时安排 1 课时 主备人 参备人 教学班级 教学课型 新授课 备课 分备时间 集备时间 课标要求 说明绿叶中色素的种类和作用；描述叶绿体的结构与功能；理解光合色素对光能的捕获。 教材分析 本节聚焦捕获光能的色素和结构，是学习光合作用过程的基础，包含色素提取分离实验、色素种类。 学情分析 学生知道植物呈绿色、需要光照，但对色素种类、吸收光谱理解不足。 教学目标 1.尝试提取和分离绿叶中的色素，简述绿叶中色素的种类及其功能。 2.运用结构与功能相适应的观念，解释叶绿体适于进行光合作用的结构特点。 3.通过对光合作用光反应阶段和暗反应阶段相关实验研究的思考和讨论，说明光合作用过程，并从物质与能量观视角，阐明光合作用原理，认同人类对光合作用的认识过程是逐步的、不断发展的。 4.设计并实施实验，探究环境因索对光合作用强度的影响。 5.关注光合作用原理的应用。 教学重点 (1 )叶绿体适于光合作用的结构特点。 (2)光合作用的原理。 教学难点 (1)光合作用过程中物质和能量的变化及相互关系。 (2)探究影响光合作用强度的环境因索。 教学方法 实验演示法、图示分析法、归纳法 教学准备 PPT、色素提取分离实验视频、色素吸收光谱图 教学思路 情境导入→色素提取分离实验→色素种类与吸收光谱→巩固练习 教 学 过 程 教学环节 教学内容及教师活动 学生活动 设计意图 新课导入 【问题探讨】 提问：在生活中，你参观或听说过植物工厂吗？植物工厂相较于自然界有哪些优势呢？ 植物工厂可以通过严格的精密仪器来控制光照、温度、湿度、二氧化碳浓度和营养液等成分，而这些都保证了植物工厂中植物的生长要优于自然界，另外，在植物工厂中，对于空间的利用也更加地充分，这些都为植物的生长提供了好的保障。在植物工厂里有时候会使用人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色的光源，这些光源起到什么作用呢？ 思考讨论，激发探究兴趣。 联系实际，导入课题。 新知探究：捕获光能的色素 在植物工厂里，人工光源可以为植物的生长源源不断地提供能量，在自然界，则是万物生长靠太阳。太阳光能的输入、捕获和转化，是生物圈得以维持运转的基础。而光合作用又是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径，绿色植物通过光合作用能直接或间接地为其他生物的生命活动提供养料，因此，有人称光合作用是“地球上最重要的化学反应”。 过渡：无论是在植物工厂里，还是在自然界，植物捕获光能要依靠特定的物质和结构，这个物质和结构是什么呢？ 对于高等植物来说，叶片是进行光合作用的主要器官，这些植物的叶片多数是绿色的，说明其中有绿色的色素，但是有时候我们也会看到不含绿色色素的白化苗。结合图5-10，请同学们推测正常玉米植株和白化玉米植株未来的长势如何呢？ 正常玉米植株由于叶片中含有绿色的色素，能够进行光合作用制造有机物，在条件适宜的情况下，正常玉米幼苗是可以长成植株的。而白化玉米由于叶片中不含绿色的色素，不能进行光合作用制造有机物，待种子中储存的养分耗尽就会死去。由此可见，叶片中的色素可能与光能的捕获有关。 过渡：绿叶中究竟有哪些色素呢？ 【探究.实践】绿叶中色素的提取与分离 1.实验原理 提取原理：绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中，所以可以用无水乙醇提取绿叶中的色素。 分离色素的原理：绿叶中的色素都能溶解在层析液中，但不同的色素溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢。这样，绿叶中的色素就会随着层析液在滤纸上的扩散而分开。 2.实验目的 （1）进行绿叶中色素的提取和分离。 提取方法：过滤法 分离方法：纸层析法 （2）探究绿叶中含有几种色素。 3.材料用具 新鲜的绿叶（如菠菜的绿叶） *新鲜绿叶中色素含量较高 无水乙醇 *溶解色素、提取色素 层析液 *分离色素 二氧化硅 *有助于研磨得充分 碳酸钙 *防止研磨中色素被破坏 4.实验步骤 （1）色素的提取 （2）制备滤纸条 （3）画滤液细线 （4）分离绿叶中的色素 （5）观察与记录 讨论 1.滤纸条上有几条色素带？它们是按照什么次序分布的？ 提示：滤纸条上有4四种不同颜色的色素带，从上到下依次为胡罗卜素（橙黄色）、叶黄素（黄色）、叶绿素a（蓝绿色）、叶绿素b（黄绿色）。 2.滤纸条上色素带的分布情况说明了什么？ 提示：色素带的分布不同，说明不同的色素在层析液中的溶解度不同。 色素带的宽度不同，说明绿叶中不同种类的色素含量不同。 色素带的颜色不同，说明不同的色素吸收了不同波长的光。 归纳总结：绿叶中的色素有4中，可以归为两大类： 提问：这4种色素对光的吸收有什么差别呢？ 阳光是由不同波长的光组合成的复合光，在穿过三棱镜时，不同波长的光会分散开，形成不同颜色的光带，称为光谱。现在分别让不同颜色的光照射色素溶液，就可以得到色素溶液的吸收光谱。 【学科交叉】 光是一种电磁波。可见光的波长是400-760nm。不同波长的光，颜色不同。波长小于400nm的光是紫外光，波长大于760nm的光是红外光。一般情况下，光合作用所利用的光都是可见光。 实验结论：叶绿色a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光 胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光 联系生活实际：植物工厂里为什么不用发绿光的光源呢？ 绿色光源发出绿色的光，这种波长的光不能被色素吸收，因此无法用于光合作用制造有机物。 观看实验，识记步骤与试剂作用。 识记色素名称、颜色、含量、吸收光。 掌握实验原理与操作规范。 建立色素与光能捕获的联系。 巩固新课 小结回顾 梳理：提取分离→色素种类 课堂检测 PPT 原题，当堂订正。 作业设计 基础性作业 完成教材课后练习与应用 拓展性作业 绘制色素分离结果图并标注 板书设计 第4节 光合作用与能量转化 一、捕获光能的色素 1.提取绿叶中的色素 用有机溶剂无水乙醇提取 2.分离绿叶中的色素 纸层析法：用层析液进行分离 3.色素含量：叶绿素a>叶绿素b>叶黄素>胡萝卜素 教学反思 本节课围绕“色素提取分离实验”和“叶绿体结构”核心内容展开，以“植物工厂”情境导入，激发学生探究欲；实验教学中通过视频示范与分步指导，多数学生能规范操作，结合问题串分析实验现象，强化了科学探究能力。恩格尔曼实验的解读，帮助学生建立“结构与功能相适应”的科学思维。基本达成预设素养目标，但仍有优化空间。不足是部分学生实验速度慢，滤液细线绘制不规范导致色素带模糊；课堂讨论时少数学生参与度低。后续需提前安排预实验微课，让学生熟悉操作；增加课堂互动小游戏，巩固色素吸收光谱等知识点，提升参与度。 教学课题 第5章第4节 光合作用与能量转化 课时安排 1 课时 主备人 参备人 教学班级 教学课型 新授课 备课 分备时间 集备时间 课标要求 说明光合作用的探究历程；阐明光合作用的概念与总反应式。 教材分析 本课时梳理光合作用探索史，得出反应式，为学习光反应、暗反应打基础。 学情分析 已知色素与叶绿体，对科学实验的逻辑、同位素标记法、氧气来源理解有难度。 教学目标 1.尝试提取和分离绿叶中的色素，简述绿叶中色素的种类及其功能。 2.运用结构与功能相适应的观念，解释叶绿体适于进行光合作用的结构特点。 3.通过对光合作用光反应阶段和暗反应阶段相关实验研究的思考和讨论，说明光合作用过程，并从物质与能量观视角，阐明光合作用原理，认同人类对光合作用的认识过程是逐步的、不断发展的。 4.设计并实施实验，探究环境因索对光合作用强度的影响。 5.关注光合作用原理的应用。 教学重点 (1)叶绿体适于光合作用的结构特点。 (2)光合作用的原理。 教学难点 (1)光合作用过程中物质和能量的变化及相互关系。 (2)探究影响光合作用强度的环境因索。 教学方法 科学史教学法、问题驱动法、归纳法 教学准备 PPT课件、叶绿体的结构示意图、探究历程图解、希尔反应、鲁宾—卡门实验示意图 教学思路 复习导入→叶绿体的结构→探究历程探究历程（希尔→鲁宾卡门→阿尔农）→光合作用概念与反应式→巩固练习 教 学 过 程 教学环节 教学内容及教师活动 学生活动 设计意图 复习导入 回顾绿色中色素的提取和分离实验 回忆作答 衔接旧知 新知探究：叶绿体的结构适于进行光合作用 过渡：这些色素存在于细胞中什么部位呢？ 结合图5-13，讲解叶绿体的结构。 在光学显微镜下可以观察到叶绿体是呈扁平的椭球形或球形，但是要观察到叶绿体内更精细的结构，就必须用电子显微镜观察。 在电子显微镜下可以看到，叶绿体由双层膜包被，内部有许多基粒（由类囊体堆叠而成），吸收光能的4种色素就分布在类囊体的薄膜上。基粒与基粒之间充满了基质。每个基粒都含有两个以上的类囊体，多的可达100个以上。叶绿体内有如此众多的基粒和类囊体，极大地扩展了受光面积。这些都反映出叶绿体的结构适于进行光合作用。 过渡：叶绿体除吸收光能外，还有什么功能？ 【思考.讨论】叶绿体的功能 结合教材P100-101“思考·讨论”的内容，引导学生讨论下列问题: 资料1 1881年，德国科学家恩格尔曼做了这样的实验：把载有水棉（叶绿体呈螺旋带状分布）和需氧细菌的临时装片放在没有空气的小室内，在黑暗中用极细的光束照射水棉，发现细菌只向叶绿体被光束照射到的部位集中；如果把装置放在光下，细菌则分布在叶绿体所有受光的部位。 讨论 1.恩格尔曼在选材、实验设计上有什么巧妙之处？ 提示：实验选择水绵和需氧细菌作为实验材料的优点:水绵的叶绿体呈螺旋带状分布，便于观察;用需氧细菌可确定释放氧气多的部位。 2.恩格尔曼第一个实验的结论是什么？ 提示：氧气是由叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。 恩格尔曼又做了一个实验：用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域。 3.在第二个实验中，大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，为什么？ 提示：因为水绵叶绿体上的光合色素主要吸收红光和蓝紫光，在此波长光的照射下，叶绿体会释放氧气，适于需氧细菌在此区域分布。 资料2 在类囊体膜上和叶绿体基质中，含有多种进行光合作用所必需的酶。 4.综合上述资料，你认为叶绿体具有什么功能？ 提示：恩格尔曼的实验直接证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用释放氧气，结合其他的实验证据，科学家们得出叶绿体是光合作用的场所。即叶绿体是进行光合作用的场所，并且能够吸收特定波长的光。 叶绿体捕获光能、进行光合作用的结构基础是： 在叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着许多吸收光能的色素分子； 在类囊体膜上和叶绿体基质中，还有许多进行光合作用所必需的酶。 阅读教材, 掌握叶绿体的结构与其对应的功能。 对恩格尔曼的实验进行思考分析，归纳概括出叶绿体的功能。 建立结构功能观 梳理知识点 新知探究：光合作用的原理 过渡：叶绿体能吸收光能用于光合作用，那光合作用是怎样进行的？ （1）光合作用的概念 绿色植物通过叶绿体 , 利用光能，把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物,并且释放出氧气的过程。 注意：不是所有的绿色植物都能进行光合作用，只有含有叶绿体的绿色植物细胞才能进行光合作用（根尖细胞无叶绿体，不能进行光合作用），生物进行光合作用不一定需要叶绿体（蓝细菌）。 （2）光合作用的化学反应式 实质：合成有机物，储存能量 过渡：叶绿体如何将光能转化为化学能？又是如何将化学能储存在糖类等有机物中的？光合作用释放的氧气，是来自原料中的水还是二氧化碳呢？ 【思考.讨论】探索光合作用原理的部分实验 组织学生阅读教材P102-103“思考·讨论”，思考讨论部分的问题。 资料1 19世纪末，科学界普遍认为，在光合作用中，CO2分子的C和O被分开，O2被释放，C与H2O结合成甲醛，然后甲醛分子缩合成糖。1928年，科学家发现甲醛对植物有毒害作用，而且甲醛不能通过光合作用转化成糖。 资料2 1937年，英国植物学家希尔发现，在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂（悬浮液中有H2O，没有CO2），在光照下可以释放出氧气。像这样，离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应称为希尔反应。 讨论 1.希尔的实验说明水的光解产生氧气，是否说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部都来自水？ 提示：不能说明。希尔反应仅说明离体叶绿体在适当条件下可以发生水的光解，产生氧气。该实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰，也并没有直接观察到氧元素的转移。 2.希尔的实验是否说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应？ 提示：能够说明。希尔反应是将离体叶绿体置于悬浮液中完成的，悬浮液中有H2O，没有合成糖的另一种必需原料CO2 ，因此该实验说明水的光解并非必须与糖的合成相关联，暗示希尔反应是相对独立的反应阶段。 资料3 1941年，美国科学家鲁宾和卡门用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源。 3.分析鲁宾和卡门做的实验，你能得出什么结论？ 提示：光合作用释放的氧气中的氧元素全部来源于H2O，而并不来源于CO2 资料4 1954年，美国科学家阿尔农发现，在光照下，叶绿体可合成ATP。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。 提示：在光照条件下，水分解释放的能量可用于ATP的合成。 4.尝试用示意图表示ATP的合成与希尔反应的关系。 上述实验表明，光合作用释放的氧气中的氧元素来自水，氧气的产生和糖类的合成不是同一个化学反应，而是分阶段进行的。 根据是否需要光能，这些化学反应可以概括地分为光反应和暗反应（现在也称为碳反应)两个阶段。 识记概念与反应式 思考讨论，尝试回答问题 夯实基础 学会同位素标记法，感受科学家的研究方法。 巩固新课 小结回顾 梳理：叶绿体的结构→探究实验→反应式→氧气来源 课堂检测 PPT 原题，当堂订正。 作业设计 基础性作业 完成教材课后练习与应用 拓展性作业 用流程图梳理光合作用探究历程 板书设计 第4节 光合作用与能量转化 一、叶绿体的结构适于进行光合作用 二、光合作用的原理 （1）概念 （2）反应式 教学反思 成功之处：通过实验数据分析，学生能够直观理解光合作用中氧气的来源。 改进之处：实验数据分析部分，部分学生可能理解不够深入，可以通过更多的实例进行讲解。 对于光合作用中元素的来源和去向，部分学生可能理解不够透彻，可以通过动画或视频辅助讲解。 教学课题 第5章第4节 光合作用与能量转化 课时安排 1 课时 主备人 参备人 教学班级 教学课型 新授课 备课 分备时间 集备时间 课标要求 阐明光反应和暗反应过程；比较二者区别与联系；理解光合作用原理的应用。 教材分析 本课时为核心，讲解光反应、暗反应过程、影响因素及应用，完成知识体系构建。 学情分析 已掌握反应式与场所，对两阶段物质能量转化、相互联系理解困难。 教学目标 1.尝试提取和分离绿叶中的色素，简述绿叶中色素的种类及其功能。 2.运用结构与功能相适应的观念，解释叶绿体适于进行光合作用的结构特点。 3.通过对光合作用光反应阶段和暗反应阶段相关实验研究的思考和讨论，说明光合作用过程，并从物质与能量观视角，阐明光合作用原理，认同人类对光合作用的认识过程是逐步的、不断发展的。 4.设计并实施实验，探究环境因索对光合作用强度的影响。 5.关注光合作用原理的应用。 教学重点 (1 )叶绿体适于光合作用的结构特点。 (2)光合作用的原理。 教学难点 (1)光合作用过程中物质和能量的变化及相互关系。 (2)探究影响光合作用强度的环境因索。 教学方法 图示法、对比归纳法、曲线分析法 教学准备 PPT课件、光合作用过程示意图、光暗反应对比表、影响因素曲线图 教学思路 复习导入→光反应→暗反应→二者联系→影响因素→应用→巩固练习 教 学 过 程 教学环节 教学内容及教师活动 学生活动 设计意图 复习导入 回顾光合作用的概念及化学反应式 回顾知识点 加深对知识点的巩固 新知探究：光合作用的过程 【阅读分析】 组织学生阅读教材第103～104页学习光合作用的过程。 展示光合作用过程的示意图，梳理光反应过程发生的条件、场所、物质变化、能量转化。 光合作用第一个阶段的化学反应，必须有光才能进行，这个阶段叫作光反应阶段，光反应阶段是在类囊体的薄膜上进行的。 条件:光、色素、酶 场所:叶绿体的类囊体薄膜上 水的光解: H2O→O2＋H+ 物质变化 NADPH的合成: H++NADP+→NADPH ATP的合成: ADP＋PiATP 能量转化:光能→ATP和NADPH中的化学能 指导学生结合图示学习暗反应过程，梳理暗反应过程发生的条件、场所、物质变化、能量转化。 光合作用第二个阶段中的化学反应，不直接依赖光，这个阶段叫作暗反应阶段，是在叶绿体的基质中进行的。 过渡：在这一阶段，CO2被利用，经过一系列的反应后生成糖类，即暗反应阶段是将CO2转变为糖类，CO2是如何转变成糖类的呢？ 20世纪40年代，美国科学家卡尔文等用小球藻（一种单细胞的绿藻）做了这样的实验：用经过14C标记的14 CO2，供小球藻进行光合作用，然后追踪放射性14C的去向，最终探明了CO2中的碳是如何转化为有机物中的碳的。 条件: 有光无光均可，需要多种酶 场所：叶绿体基质 CO2 的固定：CO2＋C5→2C3； C3 的还原： 能量变化： ATP和NADPH中的化学能→有机物中稳定的化学能 列表对光反应与暗反应进行比较： 对比学习，梳理变化 填写表格，总结联系 突破难点 构建整体认知 新知探究：光合作用原理的应用 1.光合作用的强度 (1)表示方法： (2)概念：植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。 真正（总）光合速率= 净光合速率 + 呼吸速率 2.影响光合作用强度的因素 外因：光照强度CO2浓度、H2O、矿质元素（N、Mg是合成叶绿素的原料）、温度 内因：酶的种类、数量、色素的含量、叶龄不同、植物种类 （1）光照强度 A：只进行呼吸作用 AB：光合作用<呼吸作用 B：总光合速率＝呼吸速率 BC：光合作用>呼吸作用 D：光合速率开始达到最大时对应的光照强度 （2）CO2浓度 A点：对应的CO2浓度为能进行光合作用的最低CO2浓度。 B点：CO2补偿点 光合速率＝呼吸速率 C点：最大光合速率 C点对应的D点为CO2饱和点 识图分析，联系生产 理论联系实际 新知探究：化能合成作用 【知识拓展】 在自然界中，除了光合作用以外，还有其他制造有机物的方式吗？ 阐述化能合成作用：少数种类的细菌能利用体外环境中的某些无机物氧化时所释放的能量来制造有机物，这种合成作用叫化能合成作用。例如：硝化细菌。 这两个化学反应中释放出的化学能，就被硝化细菌用来将CO2和H2O合成糖类，这些糖类就可以供硝化细菌维持自身的生命活动。 化能合成作用与光合作用的联系和不同：物质转化相同，能量来源不同。 根据获取有机物的方式不同，可以将生物分为： 对比识记，区分概念 拓展知识 巩固新课 小结回顾 梳理：光反应→暗反应→联系→影响因素→应用 课堂检测 PPT 原题，当堂订正。 作业设计 基础性作业 完成教材课后练习与应用 拓展性作业 绘制光合作用全过程示意图 板书设计 第4节 光合作用与能量转化 一、光合作用的过程 光反应阶段 暗反应阶段 二、光合作用原理的应用 1.光合作用的强度 2.影响光合作强度的因素：光照强度CO2、温度、水、酶的种类的数量 教学反思 本节教学，围绕核心素养目标展开，通过实验探究与实际应用结合，取得了一定效果。教学中以实验探究为核心，设计光照强度、CO₂浓度对光合速率影响的探究活动，让学生亲历变量控制、方案设计与结果分析，有效落实了科学探究素养。同时，结合农业生产中的间作套种、合理灌溉施肥等实例，将抽象原理与实际结合，强化了社会责任意识。 但教学仍存在不足：一是实验环节时间把控欠佳，部分小组因操作不熟练导致进度滞后，影响后续讨论深度；二是多因子变量影响的模型分析难度较高，部分学生理解不透彻，缺乏具象化辅助讲解；三是随堂检测反馈不够及时，未能实时调整教学节奏。 解决措施：利用动画演示多因子作用机制，降低理解难度；采用即时答题工具收集检测结果，针对性突破易错点。同时，可增加生活案例讨论，进一步提升学生运用原理解决实际问题的能力。 学科网（北京）股份有限公司 $