光合作用

    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（Me1vin Ca1vin 1911～1997）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¹⁴ C，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，¹⁴ C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¹⁴ C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C_{3 、} 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¹⁴ C时，光合作用开始后的1秒内， 90％以上的¹⁴ C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¹⁴ C逐渐减少，而C₃ 中的¹⁴ C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】结合教材插图及多媒体课件分析C₃ 和C₄ 植物叶片结构的区别并将观察结果记录于下表。