3.2光合作用——光能的捕获和转换（第一课时）教学设计2026-2027学年高一上学期生物苏教版必修一

该高中生物学教学设计聚焦光合作用的光能捕获与转换，以海尔蒙特柳树实验导入，梳理从海尔蒙特到卡尔文的科学史脉络，衔接初中光合作用基础，通过实验示意图、光谱曲线图等支架，引导学生构建光合色素提取分离实验与吸收光谱的知识体系。 特色在于以科学史为主线培养科学思维，分组实验提升探究实践能力，结合色素吸收光谱与叶绿体分布体现结构与功能观的生命观念。实例包括恩格尔曼实验对照分析、层析实验误差讨论，助力学生掌握实验操作与逻辑推理，为教师提供分层任务设计与跨学科整合资源。

教学设计 课程名称 光合作用——光能的捕获和转换（第一课时） 选用教材 高中生物苏教版必修一 教学章节 第三章第二节 授课对象 高一学生 授课类型 新授课 授课学时 1课时（45分钟） 一、教学内容分析 本课时以海尔蒙特柳树定量实验创设情境，梳理两千余年光合作用完整探究科学史：海尔蒙特定量实验、萨克斯半叶遮光淀粉实验、鲁宾卡门同位素示踪氧气来源、卡尔文 ¹⁴C 追踪碳循环、恩格尔曼水绵好氧细菌实验；通过恩格尔曼实验证明叶绿体色素主要吸收红光、蓝紫光，配套分光光谱曲线图揭示叶片显绿色的原因；设置边做边学分组实验 —— 提取和分离叶绿体光合色素，借助层析装置图、色素滤纸条条带分布图，区分叶绿素 a、叶绿素 b、叶黄素、胡萝卜素四类色素，结合色素吸收光谱曲线说明各类色素吸收光的差异，类胡萝卜素兼具防护强光损伤叶绿素的作用；介绍叶绿体微观分布特点，弱光下叶绿体聚集细胞表层、强光下移至侧壁避光；构建 “海尔蒙特实验导入→光合作用完整科学史脉络→恩格尔曼实验证明光合色素吸收光谱→光合色素提取分离分组实验→色素吸收光谱与叶绿体分布” 完整知识逻辑，为第二课时光反应、暗反应过程铺垫基础。 二、学情分析 1. 知识基础 学生前一课时掌握酶降低活化能、ATP 是细胞直接能源物质；化学学科学习同位素概念、层析分离原理、光谱基础；初中知晓植物光合作用消耗二氧化碳、产生氧气、制造有机物；但完全不了解历代科学家层层递进的定量、同位素、显微对照实验逻辑，无法区分四类光合色素的吸收光谱、在滤纸条上的分布规律，不清楚恩格尔曼实验的精巧对照设计，对叶绿体随光照强度改变分布的结构适应机制认知空白。 2. 能力基础 高一学生具备对照实验单一变量控制、分组实操、现象记录、曲线图数据分析的探究能力，能够依托同位素标记法推理物质转移路径；但自主整合多代科学家实验完整推导光合作用原料产物、能量来源的归纳能力薄弱；无法独立分析层析滤纸条四条色带宽窄、迁移距离对应的色素含量、溶解度差异；解读吸收光谱曲线时难以关联色素吸收光类型与叶片颜色，需要教师分步展示示意图、设置阶梯式问题分层引导梳理。 3. 认知基础 学生存在多处典型认知误区：第一，片面认同海尔蒙特实验结论，误认为植物生长增重仅来自水，忽略空气中二氧化碳；第二，认为叶片绿色是因为叶绿素吸收绿光，不清楚绿光几乎全部被反射；第三，混淆色素在层析液中的溶解度与滤纸条迁移速度，误以为溶解度越低扩散越快；第四，认为所有光合色素功能完全一致，不知道类胡萝卜素仅吸收蓝紫光且可保护叶绿素；第五，误以为叶绿体在强光、弱光下分布位置不变，不理解叶绿体移动是对光照环境的适应。 三、教学目标 1. 生命观念（结构与功能观、能量观） 叶绿体类囊体薄膜上分布光合色素，叶绿素主要吸收红光与蓝紫光、类胡萝卜素吸收蓝紫光，色素的光吸收特性决定叶绿体捕获光能的功能；不同色素溶解度差异决定纸层析分离的条带分布，色素含量差异对应滤纸条色带宽窄；叶绿体可随光照强度改变细胞内分布，弱光聚集表层最大化捕获光能、强光移至侧壁避免强光灼伤，体现细胞器空间分布、分子组成与环境光照适配的结构功能统一；太阳光光能被色素捕获后，可转化为细胞可利用的化学能，建立光能→化学能转化的能量观念。 2. 科学思维 依托海尔蒙特柳树实验示意图、萨克斯叶片实验图、恩格尔曼水绵分光实验示意图、色素层析装置与条带图、色素吸收光谱曲线图，分步归纳历代科学家实验的变量、现象、结论；整合多组经典实验完整推导光合作用原料、产物、能量来源；分析层析滤纸条色带宽窄、迁移距离，推理色素溶解度、含量规律；解读吸收光谱曲线，建立色素种类与吸收光波长的对应关系；横向对比各类实验研究方法（定量称重、半叶对照、同位素示踪、显微分光）的优缺点，形成 “实验现象推导生理机制、曲线图表归纳物质特性、多实验证据综合完善科学理论” 完整推理链条。 3. 科学探究 能够规范完成叶绿体光合色素提取与分离分组实验，熟练掌握无水乙醇提取色素、单层尼龙布过滤、毛细吸管画滤液细线、纸层析完整操作流程，如实记录四条色素带的颜色、宽窄、距离滤液细线远近；小组讨论层析液作用、色带差异成因、实验误差来源；依据恩格尔曼实验示意图自主概括实验结论，分析实验设计的对照精巧之处；结合色素吸收光谱曲线，自主绘制简易吸收光谱标注色素类型与吸收光区间；严格遵循有机溶剂、酒精灯安全操作规范，完整记录实验操作、现象与推导结论。 4. 社会责任 梳理两千余年多位科学家跨越世纪接力探究光合作用的完整历程，海尔蒙特开创定量生物实验、萨克斯建立半叶对照、鲁宾卡门创新同位素示踪、恩格尔曼借助显微分光开辟微观光合研究、卡尔文十年追踪碳循环，引导学生体会持之以恒、创新实验手段、立足客观证据修正理论的严谨科研精神；理解光合色素光能捕获是地球上几乎全部生物有机物与能量的根本来源，光合作用调节大气氧气二氧化碳平衡，维系全球生态稳态；规范使用无水乙醇、层析液等易燃有机试剂，树立安全实验操作、如实记录生物实验数据的探究品格，主动向身边人科普植物光合作用对大气环境、粮食生产的重要价值。 四、教学重难点 重点 1. 光合作用探究完整科学史，历代经典实验的操作、现象、核心实验结论； 2. 恩格尔曼水绵好氧细菌分光实验的实验设计与结论，光合色素主要吸收红光、蓝紫光； 3. 光合色素提取分离分组实验完整操作，四条色素带分布、色素种类与功能； 4. 色素吸收光谱曲线解读，叶片呈现绿色的分子原理； 5. 叶绿体随光照强度改变细胞内分布的适应机制。 难点 1. 整合多组科学史实验，综合推导光合作用原料、产物、能量来源，纠正海尔蒙特实验片面结论； 2. 层析滤纸条色带迁移距离、宽窄与色素溶解度、含量的逻辑推导； 3. 结合吸收光谱曲线完整解释叶绿素吸收光类型、叶片反射绿光显绿色的底层原理； 4. 恩格尔曼实验无空气黑暗、分光多组对照设计的精巧逻辑分析。 五、教学方法  生活情境导入法：利用海尔蒙特柳树五年定量称重实验创设植物增重来源探究情境；  科学史主线讲授法：按时间顺序梳理两千余年光合作用经典实验完整脉络；  图示模型讲授法：借助柳树实验示意图、恩格尔曼分光实验图、层析装置与条带图、色素吸收光谱曲线图拆解微观光合色素功能；  分组实操探究法：开展叶绿体光合色素提取与分离课堂分组对照实验；  曲线图表分析法：依托吸收光谱、层析条带图表归纳色素理化与光学特性；  多维对比教学法：对比四类光合色素的吸收光、溶解度、生理功能；  阶梯问题链驱动法：由柳树实验质疑→历代科学家递进实验→恩格尔曼分光实验→色素提取分离实验→吸收光谱规律层层设置递进问题引导思考。 六、教学资源 教材配套图文素材：海尔蒙特柳树五年实验示意图、绿叶放氧气与碘蒸汽处理叶片实拍图、恩格尔曼分光实验结果示意图、层析装置示意图、光合色素滤纸条分布示意图、叶绿素类胡萝卜素吸收光谱曲线图、光照强度影响叶绿体分布示意图；配套文本：积极思维海尔蒙特实验两道思考题、跨学科视角同位素标记法介绍、边做边学色素提取分离完整实验方案与讨论题、积极思维恩格尔曼实验两道思考题。 七、教学过程 教学环节 教师活动 学生活动 环节一 海尔蒙特柳树定量实验情境导入，梳理课时主线（5 分钟）  情境导入：古人亚里士多德猜测植物生长物质全部来自土壤，比利时科学家海尔蒙特设计五年定量柳树称重实验，仅浇灌雨水，土壤重量几乎不变，柳树增重巨大；但该实验存在明显局限，后续数百位科学家不断设计对照、同位素、显微分光实验，逐步揭开光合作用完整机制，本节课我们梳理全部经典探究实验，通过恩格尔曼实验确定光合色素吸收光类型，再分组实验提取、分离叶片中的四类光合色素，结合光谱曲线分析色素光学特性，最后了解叶绿体随光照移动的适应特点。  出示海尔蒙特柳树五年实验示意图 完整出示教材积极思维两道思考题： （1）判断 我们认同海尔蒙特关于 “柳树实验” 的设计和结论吗？ （2）分析 根据现有的知识分析，土壤中减少的物质主要是什么？大树增加的物质主要是什么？这些物质又是从何处来的？  在黑板清晰板书本课时四大学习板块：海尔蒙特定量实验与局限、光合作用历代经典探究科学史、恩格尔曼分光实验证明色素吸收光谱、光合色素提取分离分组实验与色素吸收光谱规律。  结合初中植物光合作用基础，带着 “柳树增重物质真正来源是什么、后续科学家通过哪些实验完善光合作用理论、恩格尔曼实验如何证明色素吸收红光蓝紫光、滤纸条上四条色素带分别对应什么色素” 四类疑问进入新课学习。  四人小组观看柳树实验示意图，互相交流两道积极思维思考题的初步猜想，完整记录课时四大学习板块框架，预留充足时间用于课堂分组实验、小组讨论分享。 环节二 模块 1 光合作用完整探究科学史脉络梳理（10 分钟） 按照时间顺序分层讲解历代递进式经典实验，逐一拆解实验操作、现象、核心结论与实验局限： 第一，1627 年海尔蒙特柳树定量实验：五年只浇雨水，土壤仅减少 0.1kg，柳树增重约 79.5kg；结论：植物生长只依靠水；局限：完全忽略空气中二氧化碳参与有机物合成，无气体变量对照。 第二，萨克斯半叶遮光淀粉实验：叶片一半遮光、一半曝光，碘蒸汽处理后曝光区域出现蓝色淀粉，遮光无淀粉；结论：光照条件下绿叶可合成淀粉有机物。出示绿叶碘蒸汽处理叶片实拍图 辅助讲解。 第三，鲁宾、卡门同位素标记实验：分别给小球藻提供含氧 ¹⁸的水、含氧 ¹⁸的二氧化碳，追踪释放氧气同位素，证明光合作用氧气全部来自水；跨学科补充同位素定义：质子数相同、质量数不同的原子，放射性同位素化学性质不变，可追踪物质反应路径。 第四，卡尔文 ¹⁴C 标记二氧化碳实验：历时十年追踪碳元素转移路径，探明二氧化碳固定合成糖类的卡尔文循环。出示卡尔文人物配图辅助讲解。 第五，恩格尔曼水绵好氧细菌分光实验，下一个模块完整拆解，起到承上启下作用。 同步抛出分层递进提问：海尔蒙特实验最大缺陷是什么？萨克斯实验设置的单一变量是什么？鲁宾卡门为什么要使用同位素标记法才能确定氧气来源？  完整记录每一组实验年份、实验处理、实验现象、结论与局限，小组内分组回答分层递进提问，梳理得出光合作用完整原料：二氧化碳、水；产物：有机物、氧气；能量来源：太阳光光能。  同桌配合整理光合作用科学史时间线清单，区分定量称重、半叶对照、同位素示踪三类实验手段，理解科学理论依靠持续完善实验逐步修正、趋近真相。  结合鲁宾卡门同位素实验，理解同位素标记法是追踪微观物质反应路径的核心科研手段。 环节三 模块 2 恩格尔曼水绵分光实验，确定光合色素吸收光谱（12 分钟）  完整讲解恩格尔曼两步对照实验完整操作： 第一步，无空气黑暗环境放置水绵与好氧细菌，极细光束照射水绵带状叶绿体，细菌仅聚集在被光束照射的叶绿体部位；无光照区域细菌均匀分散，证明光照下叶绿体产生氧气。 第二步，三棱镜分光将白光拆分七色连续光谱投射水绵叶绿体，好氧细菌大量聚集在红光区、蓝紫光区照射的叶绿体位置，绿光区域几乎无细菌聚集。 出示恩格尔曼分光实验结果示意图 出示教材配套两道思考题： （1）概括 根据上述实验过程和现象，概括恩格尔曼的实验结论。 （2）分析 恩格尔曼采用简易器材，成功地实施了实验。分析他在实验设计上的巧妙之处。 整合实验完整结论：叶绿体中光合色素高效吸收红光、蓝紫光，色素吸收的光直接驱动绿叶产生氧气；叶片显绿色的原因是色素几乎不吸收绿光，大部分绿光被叶片反射。  过渡引入光合色素种类：叶绿体包含两类光合色素，叶绿素（叶绿素 a、叶绿素 b）、类胡萝卜素（胡萝卜素、叶黄素），下面通过分组实验提取、分离四类色素，结合吸收光谱曲线分析各类色素吸收光差异。 分层思辨提问：恩格尔曼实验为什么要先置于无空气黑暗环境？好氧细菌的聚集位置可以直接反映什么生理速率？为什么自然界绝大多数植物叶片肉眼观察为绿色？  观看恩格尔曼分光实验示意图，自主梳理两组对照实验单一变量，小组内分组回答两道思考题与分层思辨提问，归纳色素主要吸收红光、蓝紫光的核心结论。  同桌配合整理恩格尔曼实验设计三处精巧对照：无空气排除外源氧气、黑暗空白对照、七色分光多梯度光照对照，理解实验依托简易器材实现精准变量控制。  结合细菌分布差异，建立光的吸收量与光合作用产氧速率正相关的逻辑关系。 环节四 模块 3 边做边学 光合色素提取与分离分组实验 + 吸收光谱铺垫（13 分钟）  完整讲解色素提取、纸层析全套操作流程，同步强调无水乙醇、层析液易燃，全程远离明火： 提取步骤：称取 5g 新鲜菠菜叶，无水乙醇溶解色素，单层尼龙布过滤获取色素滤液； 层析步骤：干燥滤纸条，距底端 1cm 用毛细吸管均匀画滤液细线，重复多次；滤纸条放入盛层析液的烧杯，滤液细线不能浸入层析液面，静置层析。 出示层析装置示意图 光合色素滤纸条分布示意图 讲解四条色素带从上至下依次为：胡萝卜素（橙黄色，溶解度最高，扩散最快）、叶黄素（黄色）、叶绿素 a（蓝绿色，含量最高，色带最宽）、叶绿素 b（黄绿色，溶解度最低，扩散最慢）。 出示实验配套三道讨论题： （1）层析液的作用是什么？ （2）滤纸条上各种色素带的宽度、色素带与滤液细线之间的距离均不同，通过推理找出原因。 （3）实验所得结果与图中色素分布情况有差异吗？尝试分析原因。  展示叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱曲线图 分步解读曲线：叶绿素 a、叶绿素 b 在红光、蓝紫光区域出现吸收峰值；胡萝卜素、叶黄素仅在蓝紫光有吸收峰；类胡萝卜素可吸收强光中过量蓝紫光，保护叶绿素不被强光氧化损伤。  课堂分层小结梳理：第一层，历代科学家递进实验确定光合作用原料、产物、能量来源；第二层，恩格尔曼分光实验证明光合色素主要吸收红光、蓝紫光；第三层，纸层析分离四类光合色素，溶解度决定扩散速度，含量决定色带宽度；第四层，色素吸收光谱差异决定叶片光学表现，类胡萝卜素具备防护功能。  四人小组分工完成色素提取与层析分组实验，一人称量叶片、一人研磨过滤、一人画滤液细线、一人安放滤纸条，全程观察滤纸条四条色带逐步显现，如实记录颜色、宽窄、扩散距离。  观看层析装置、滤纸条、吸收光谱三组示意图，小组讨论三道实验讨论题，归纳溶解度越高扩散越快、色素含量越高色带越宽的规律。  同桌配合整理四类光合色素对比清单，区分色素种类、颜色、吸收光、生理功能，标记笔记核心：叶绿素捕获红光蓝紫光用于光合，类胡萝卜素吸收蓝紫光兼具防护作用。 环节五 课堂收尾、分层课后巩固任务（5 分钟）  整体复盘本节课全部核心内容，重点梳理光合作用探究科学史、恩格尔曼分光实验、光合色素提取分离分组实验、色素吸收光谱四大核心板块，再次强调光合色素分子光学特性决定叶绿体捕获光能功能的结构功能生命逻辑。  分层布置课后任务：基础任务默写历代光合作用科学家实验结论、四类光合色素在滤纸条上的分布顺序与颜色；提升任务结合吸收光谱曲线图分析叶片显绿色完整原因，推导层析条带宽窄、扩散距离对应的色素理化性质；探究任务预习下课时光反应、暗反应完整过程，梳理叶绿体类囊体、基质对应反应阶段。  同桌互相抽查课堂核心知识点，轮流复述海尔蒙特实验局限、恩格尔曼实验结论、四类光合色素层析分布、色素吸收光类型。  完整记录三层分层课后巩固任务，小组线上分配下课时光反应暗反应预习分工，整理本节课全套课堂笔记。 八、板书设计 九、课程思政 本节课依托两千余年光合作用递进式科研历程，海尔蒙特开创定量生物实验范式、萨克斯首创半叶遮光对照、鲁宾卡门创新放射性同位素示踪技术、恩格尔曼利用简易显微分光装置实现微观光合色素功能观测、卡尔文耗费十年持续追踪碳元素循环，一代代科学家立足客观实验证据、不断创新实验手段、敢于修正前人片面结论，引导学生学习持之以恒、严谨求实、勇于创新的科研品格；通过色素提取分离分组实操实验，培养学生规范操作有机试剂、如实记录滤纸条色带现象、依托图表数据归纳物质理化规律的探究精神；结合光合作用捕获光能制造有机物、平衡大气碳氧的宏观生态价值，让学生认识微观叶绿体色素分子的微小生化反应支撑全球全部动植物生存，建立基础生物科学研究服务粮食生产、生态环境保护的社会责任意识。 十、教学反思与修改措施 1 教学反思 本节课依托柳树实验示意图、恩格尔曼分光图、层析装置、色素吸收光谱曲线图开展授课，大部分学生能够记住光合色素分为叶绿素与类胡萝卜素、主要吸收红光蓝紫光，但存在明显短板：学生容易混淆滤纸条色素扩散顺序，无法准确对应溶解度高低与迁移速度；吸收光谱曲线解读抽象，部分学生不能完整解释叶片反射绿光显绿色的逻辑；多组科学史实验信息量大，学生自主梳理完整光合作用原料产物链条耗时较长；分组层析实验操作耗时久，留给小组光谱曲线、实验误差讨论的交流时间不足，学生自主多维对比四类色素功能、推导实验规律的逻辑训练不够充分。 2 修改措施 课前发放光合作用科学史、色素基础填空预习单，提前铺垫基础概念；课堂压缩科学史理论讲授时长，增加 7 分钟小组吸收光谱曲线分析、层析实验误差讨论环节；配套色素层析条带匹配、吸收光谱曲线解读判断题当堂巩固；分步动态动画展示色素层析扩散全过程、分光实验细菌聚集变化，直观呈现微观色素光学机制；课前推送色素提取分离实验操作短视频，降低学生实操难度；预留充足小组思辨交流时间，强化学生依托多组实验证据归纳生理规律、多维对比区分概念的科学思维训练。 学科网（北京）股份有限公司 $