光合作用与生物固氮
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，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、CO2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。
【教学设计】
教学目标
1．知识方面
学生运用高二已学过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，是教师在教学中需要解决的难点。
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。教师只是提供相关的资料和材料（如多媒体动画课件），通过对不同问题的引导，让学生学会独立观察发现、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，教师引导发现问题
（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时左右带电量最强，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。教师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”，教师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。
在教师提出“光能是如何转换成电能”的问题后，组织学生进行探索。首先教师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，教师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？反应需要什么条件？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，教师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。教师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，依据教材中插图，要求学生完整叙述在光合作用中能量转换的全过程，教师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，教师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。将两玻璃罩同时放在阳光下一段时间后，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。教师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。
二、C3植物和C4植物
【教学设计】
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。
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