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（Me1vinCa1vin1911—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CO2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CO2，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CO2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CO2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CO2的受体，C3是CO2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14C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。
植物种类维管束鞘细胞叶肉细胞细胞大小是否含有叶绿体排列是否含有叶绿体菠菜叶横切（C3）玉米叶横切（C4）
【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插图“C4植物光合作用特点示意图”和必修教材相关插图并填写下表：植物种类CO2的受体CO2固定后的产物CO2固定后的场所CO2还原的场所ATP、NADPH的作用对象暗反应的途径C3植物C4植物
【师生互动】
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C4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。
三、提高农作物的光合作用效率
【教学设计】
教学目标
1．知识方面
概述光合作用效率的概念以及提高光合作用效率的主要措施和原理。
2．态度观念方面
（1）通过本节课的教学，使学生能够将所学的知识和农业生产实践结合起来，从而对学生进行STS（科学·技术·社会）的教育。
（2）通过介绍我国古代农业发展史中的成就，对学生进行爱国主义教育。
3．能力方面
培养学生对问题的分析能力和综合能力。
重点、难点分析
本节课的教学内容并不难，关键是要将必修教材和选修教材联系起来，使学生在整体上建立起知识的联系。提高农作物的光合作用效率要从光合作用的条件和原料两方面考虑，要使学生将所学知识和生产实践联系起来。培养学生的STS思想，这是本节课的重点和难点。
设计思路
以问题引导学生，以历史文献吸引学生，以生产实践带动学生，进而培养学生的思维和能力。
教学过程
一、引言
民以食为天。然而人类赖以生存的第一个要素——粮食，却面临着日益短缺的严重局面，如何提高农作物的光合作用效率是我们面临的一个严峻的课题。光合作用效率是指绿色植物通过光合作用制造的有机物中所含有的能量与光合作用中吸收的光能的比值。
二、新课
【教师活动】引导学生复习光合作用的概念、过程，得出光合作用总反应式：CO2＋H2OCH2O＋O2
从化学反应式的角度分析光合作用总反应式，若要提高光合作用有机物的生成量，我们可采取哪些积极有效的措施？
【学生讨论】得出结论：从光合作用的条件看：1．增加光照，可以：（1）延长光照时间，提高复种指数；（2）增加光照面积，进行合理密植；（3）控制光照强弱。
2．增加矿质元素的供应，提高叶肉细胞的叶绿素含量。
3．控制温度，大棚作物白天可适当降低温度，夜晚适当提高温度。
从光合作用的原料看：
1.增加作物周围二氧化碳浓度。
2.合理灌溉，增加植物体内的水分来增加光合作用的原料。
【教师活动】肯定学生的结论，确定本节课的中心：说古论今谈如何增加光合作用效率。
阳光给人类带来了光明和温暖，阳光被绿色植物吸收利用，使植物界变得郁郁葱葱、千姿百态，植物为人类及所有动物制造有机物，使其得以繁衍和生存。自古以来我国劳动人民就十分重视阳光与作物生长的关系，对于阳生植物和阴生植物早有记载。例如：《周礼》中记载：“阳木生山南者，阴木生山北者。”《诗经》中说：“梧桐生矣，于彼朝阳。”
【学生活动】翻译以上两句古汉语，并分析其中的含义。
“阳木生山南者，阴木生山北者”意为树木有的喜阳光，适宜种在阳光充足的山南；有的喜阴暗，适宜种在光线较弱的山北。“梧桐生矣，于彼朝阳”意为梧桐生长在那朝阳的地方。
【教师活动】以上两句古汉语反映了古人对多种植物的阴生和阳生之性已有了明确的认识。有些植物进行光合作用时需要强的光照才能生长发育良好，才能提高光合作用效率，这类植物属于阳生植物。有些植物进行光合作用时，太强的光照不利于其生长发育，也就不利于提高光合作用效率，这类植物属于阴生植物。
【学生活动】就所学知识举例说明哪些植物是阳生植物，哪些植物是阴生植物。
【教师总结】我们应根据植物的生活习性因地制宜地种植植物。例如，古书中记载：梧桐“阳木也”，“桐之性皆恶阴、寒，喜明、暖，阴寒则难长，明暖则易大。”又如古书中对荔枝、龙眼的阴阳特性也有记载：“荔枝属火，宜使向阳；龙眼属水，宜向阴”，“当日荔枝，背日龙眼。”可见掌握植物阴阳之性，因地制宜地种植应是栽培成功，获得优质高产的重要因素之一。
【教师活动】提出问题：如何增加CO2的供应呢？
得出结论：绿色植物周围空气中的CO2的含量，直接影响绿色植物的光合作用效率。
【教师活动】提出问题：空气中的CO2一般占空气体积的0.03%，当植物旺盛生长时，所需的CO2就更多，若只靠空气中CO2本身的浓度差所造成的扩散作用满足不了植物对CO2的需求。那么，如何提高空气中CO2的浓度呢？
【学生活动】讨论分析（教师要参与学生的讨论，引导讨论的中心）。
得出结论：作物需要良好的通风，使大量空气通过叶面，使光合作用正常进行。
【教师活动】肯定学生的分析，并进行归纳总结。
阳光是植物进行光合作用的能量来源，而空气中的CO2和根系吸收的水分是植物进行光合作用的原料。在播种植物时，要保持一定的行距和株距，使植物受到充足的阳光照射，使流动的空气送进农田的各个角落，这是提高作物光合作用效率的有效手段。《齐民要术》中提到种植作物要“正其行，通其风”就是这个道理，我国古书中还记载：“种植桃、李、梨、柿三丈一树，八尺为行，果类相从，纵横得当。”“通风见日，实大而美。”即改善通风透光条件有利于作物提高光合作用效率，使作物增产。
另外，不同的光质对提高光合作用效率也有影响。例如，在蓝紫光下光合产物中蛋白质和脂肪的含量较多；在红光的照射下，光合产物中的糖类含量较多。
【学生活动】分析在作物壮秧的时候，塑料大棚用什么颜色的塑料薄膜较好。
结论：蓝色。
【教师活动】提出问题：随着农业技术的发展，日光温室种植果蔬已成为我国优质高效农业的一枝奇葩，日光温室中如何提高空气中CO2的浓度呢？
【学生活动】分组讨论，得出结论。
1．施用固体CO2（干冰）。
2．使用农家肥，可以使土壤中微生物的数量增多，活动增强，分解有机物，放出CO2。
3．植物的秸秆通过深耕埋于地下，也可以通过微生物的分解作用产生CO2。
4．使用NH4HCO3肥料，既可以为植物提供铵盐，又可以为植物提供CO2。
5．温室作物也要合理密植和通风透光。
6．日光温室可与养殖场的鸡舍和猪圈相连，动物通过呼吸作用产生CO2为植物光合作用提供原料，植物光合作用产生的O2可用于动物的呼吸作用。
【教师补充】温室中还可以使用CO2发生器，CO2发生器的原理是利用硫酸和碳酸盐反应生成CO2。
提出问题：当全球范围内空气中CO2的含量无限制提高时，会有什么负面影响？
【学生活动】讨论并分析回答。
结论：会促成温室效应的出现，使地球变暖、冰川融化、海面上升、气候异常。（教师要对学生的讨论和分析给予充分的肯定。）
【教师讲解】绿色植物进行光合作用时，需要多种必需的矿质元素，如N、P、K、Mg等，这些元素在植物的生命活动中都有哪些作用？
【学生活动】讨论氮元素在植物生命活动中的作用。
结论：
1．氮元素是蛋白质的主要组成元素，而蛋白质是细胞结构和酶的重要组成成分。
2．氮元素是ATP中腺苷的组成元素。
3．光反应的电子受体NADP＋含有氮元素。
4．核酸中有含氮的碱基。
5．吲哚乙酸中含有氮元素。
【教师补充说明】叶绿素中也含有氮元素。由此可见，氮元素在植物的生命活动中占有重要的地位，故氮元素有生命元素之称。当氮元素供应充足时，叶片大而鲜绿，光合作用旺盛，产量高，因此种植叶菜类的蔬菜，应多施氮肥。但是氮肥施用过多，会造成叶片徒长，机械组织不发达，易倒伏。如果植物缺氮，则生长缓慢，植株矮小，叶绿素含量少，叶子变黄，直接影响植物的光合作用效率。
【学生活动】讨论磷元素在植物生命活动中的作用。
结论：
1．生物膜结构的组成成分磷脂中含有磷元素。
2．磷元素是DNA和RNA的组成成分。
3．磷元素是ATP和NADPH的组成元素。
【教师补充说明】磷元素还直接参与糖类的合成和分解，例如，光合作用暗反应产物中的C3和C5都含有磷元素。在有氧呼吸中，葡萄糖首先转化为葡萄糖-6-磷酸。植物缺磷时，生长缓慢，叶片呈暗绿色，某些植物的叶片还呈红色和紫色，且在老叶最先表现出来。
镁元素是叶绿素的组成成分。植物缺镁时，叶绿素不能合成，在老叶上表现为缺绿，严重影响光合作用的效率。
钾元素能促进糖类物质运输到储藏器官，并促进储藏器官合成多糖，例如，种植马铃薯、水稻、小麦等以收获淀粉为主的作物要多施钾肥。植物缺钾时，蛋白质分解，叶绿素破坏，叶色变黄卷曲，茎杆易倒伏，抗旱抗寒能力降低。
提出问题：如何进行合理施肥？
【学生活动】结合教材“生物的新陈代谢与植物的矿质营养”一节讨论如何进行合理施肥。
结论：
1.根据植物的生长规律和需肥规律施肥。
2.可以进行根外施肥。
3.与豆科植物进行间种和轮作，提高土壤的肥力，使植物获得更多的氮肥。
4.发展生态农业，动物的粪便、沼气池的沼渣、养鱼塘的塘泥、河水表面的藻类（因为含有能固氮的蓝藻，因此含有大量的氮肥）等均可作为肥料。
5．将植物秸秆尤其是豆科植物的秸秆进行深耕翻压，也是增加土壤肥力的有效措施。
【教师总结】我国古代农业注重并大量施用有机农家肥料的历史源远流长，《齐民要术》中指出豆类植物是作物最好的前茬，如“美田之法，绿豆为上”，并总结了20多种轮作的方法，充分肯定了豆类植物轮作的地位，使我国的传统农业走上了种地养地的道路。我国有“庄稼要长好，底粪要上饱”，“庄稼上底粪，粮食打满囤”，“底肥不足苗不长，追肥不足苗不旺”的农谚，足以说明矿质元素对提高农作物光合作用效率的重要作用。但是过多地使用化学肥料会使土壤板结，使水体富营养化，因此应走可持续发展的道路，发展生态农业。
另外，选择具有优良性状的杂交品种也是提高光合作用效率的有效措施。被誉为“杂交水稻之父”的我国著名科学家袁隆平研究的三系配套杂交水稻技术已经在世界上几十个国家推广和应用，大大提高了粮食的产量，解决了几亿人的吃饭问题。
