光合作用 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（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 菠菜叶横切（C3） 玉米叶横切（C4） 维管束鞘细胞 细胞大小 是否含有叶绿体 排列 叶肉细胞 是否含有叶绿体 （详细内容见板书设计）

【教师补充说明】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 C3植物 C4植物 CO2的 受体 ATP和CO2固定CO2固定CO2还原暗反应的NADPH的后的产物 后的场所 的场所 途径 作用对象 【师生互动】总结上表，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C3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。

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