Фотосинтез и хемосинтез: преобразование энергии в живых системах
Цели и задачи
- Цель по SMART: к концу урока учащиеся смогут объяснить сущность фотосинтеза и хемосинтеза, сравнить их по источнику энергии, исходным веществам, продуктам и значению, а также применить эти знания для объяснения биологических ситуаций.
- Сформировать представление о фотосинтезе как совокупности световых и темновых реакций, связанных с преобразованием энергии света в энергию химических связей.
- Раскрыть роль хлорофилла, воды, углекислого газа, АТФ и НАДФ·Н в фотосинтезе; показать обобщённое уравнение процесса.
- Познакомить с хемосинтезом как способом автотрофного питания бактерий за счёт энергии окисления неорганических веществ.
- Развивать умение анализировать схемы биологических процессов, аргументировать выводы и оценивать значение фотосинтеза и хемосинтеза для биосферы.
Планируемые результаты
Личностные
- Осознают взаимосвязь энергетических процессов в клетке и устойчивости биосферы.
- Проявляют познавательный интерес к исследованию механизмов жизнедеятельности организмов.
- Понимают значение растений и хемосинтезирующих бактерий для поддержания круговорота веществ.
- Осознают ответственность человека за сохранение фотосинтезирующих экосистем.
Метапредметные
- Извлекают информацию из схем, таблицы и краткого научного текста, преобразуют её в сравнительную модель.
- Выделяют существенные признаки фотосинтеза и хемосинтеза, устанавливают причинно-следственные связи.
- Формулируют гипотезы, планируют проверку предположений и корректируют выводы.
- Аргументированно представляют результат групповой работы и используют биологическую терминологию.
- Соотносят изучаемые процессы с заданиями на анализ биологических схем и текстов.
Предметные
- Знать определение фотосинтеза и хемосинтеза, их исходные вещества, источники энергии и основные продукты.
- Знать роль хлорофилла, световой и темновой фаз фотосинтеза, а также значение АТФ и НАДФ·Н.
- Уметь записывать обобщённое уравнение фотосинтеза и объяснять его компоненты.
- Уметь классифицировать хемосинтезирующие бактерии по окисляемым неорганическим веществам.
- Уметь сравнивать фотосинтез и хемосинтез и объяснять их значение в круговороте веществ.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Определяют личностный смысл изучения процессов преобразования энергии в природе.
- Оценивают значение фотосинтеза для существования аэробной жизни и устойчивости экосистем.
- Проявляют готовность к самостоятельному поиску биологической информации.
- Формируют научное мировоззрение через понимание материальной основы жизненных процессов.
Регулятивные УУД
- Формулируют учебную проблему и цель исследования на основе наблюдаемого противоречия.
- Планируют последовательность анализа схемы и распределяют роли в группе.
- Осуществляют самопроверку по критериям полноты и научной корректности ответа.
- Выявляют ошибочные утверждения и вносят исправления в собственную модель.
- Оценивают степень достижения цели с помощью листа самооценки и билета на выход.
Познавательные УУД
- Анализируют обобщённые уравнения и схемы световых и темновых реакций.
- Сравнивают процессы по заданным основаниям и устанавливают их общие и отличительные признаки.
- Моделируют связь между источником энергии, синтезом АТФ и образованием органического вещества.
- Классифицируют хемосинтезирующие бактерии по веществам, которые они окисляют.
- Используют смысловое чтение для извлечения фактов из научно-популярного текста.
Коммуникативные УУД
- Распределяют функции в группе: координатор, аналитик, секретарь и докладчик.
- Формулируют вопросы к сообщению другой группы и дают аргументированную обратную связь.
- Согласуют общий вывод на основе индивидуальных гипотез.
- Используют термины «автотрофы», «хлорофилл», «АТФ», «окисление», «хемосинтез» в устной речи.
- Соблюдают регламент выступления и конструктивно разрешают расхождения во мнениях.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить презентацию или изображения хлоропласта, тилакоида, стромы и схемы световой и темновой фаз фотосинтеза.
- Вывести на доску или экран проблемный вопрос: «Может ли организм синтезировать органическое вещество без света?»
- Распечатать для каждой группы по одной карточке с фрагментом текста о фотосинтезе или хемосинтезе и вопросами к нему.
- Распечатать сравнительную таблицу «Фотосинтез — хемосинтез» по одной на каждого ученика.
- Подготовить карточки трёх уровней для самостоятельной работы: базовый, повышающий и исследовательский комплект — по одной на каждого ученика.
- Подготовить цветные маркеры, стикеры и листы формата А3 для группового моделирования процессов.
- Разместить на доске опорные слова: «источник энергии — донор электронов — синтез АТФ — органическое вещество — значение».
- Подготовить таймер, проектор или интерактивную доску и документ-камеру для демонстрации работ групп.
- Заранее выбрать изображения или краткие описания серобактерий, нитрифицирующих и железобактерий для задания на классификацию.
- Распечатать билет на выход — по одному небольшому листу на каждого ученика.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: включить учащихся в исследовательскую деятельность и создать познавательное противоречие.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс и показывает на экране изображение зелёного растения, растущего в светлой комнате, и бактерий, живущих в глубине почвы. «Здравствуйте, ребята. Сегодня мы будем рассматривать не просто питание организмов, а способы превращения энергии. Посмотрите на два изображения и подумайте: что общего между растением и бактериями, если условия их жизни настолько различаются?» | Рассматривают изображения, фиксируют индивидуальные предположения в тетради: «Оба организма получают энергию и синтезируют органические вещества». |
2 мин | Учитель демонстрирует проблемный вопрос: «Может ли организм создавать органическое вещество, используя не энергию света, а энергию химических реакций? Не спешите отвечать да или нет. Сначала определим, что необходимо клетке для синтеза органических веществ». Учитель сообщает, что на уроке будет разрешено самостоятельно выбирать аргументы и формулировать гипотезы. | Формулируют предварительные гипотезы: «Вероятно, может, если есть другой источник энергии»; «Без света растение не фотосинтезирует, но некоторые бактерии могут использовать химическую энергию». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы увидели, что одинаковый результат — образование органического вещества — может быть связан с разными источниками энергии. Теперь восстановим знания, которые помогут нам объяснить это различие».
Этап 2. Актуализация знаний (5 мин)
Цель этапа: актуализировать знания о метаболизме, автотрофном питании, АТФ и строении хлоропласта.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель проводит приём «Подумай — обсуди в паре — поделись». «Вспомните, чем отличаются автотрофный и гетеротрофный способы питания. Сначала запишите ответ самостоятельно, затем обсудите его с соседом. Обязательно назовите источник углерода и источник энергии». | Индивидуально записывают два признака, затем обсуждают в парах и формулируют: «Автотрофы используют углекислый газ как источник углерода и сами синтезируют органические вещества». |
2 мин | Учитель показывает схему АТФ и задаёт вопросы: «Почему АТФ называют универсальным переносчиком энергии? В каком виде энергия становится доступной для химического синтеза? Как связаны окисление веществ, запасание энергии и синтез АТФ?» | Отвечают: «Энергия запасается в макроэргических связях АТФ»; «При окислительных реакциях энергия используется для образования АТФ»; «АТФ передаёт энергию процессам синтеза». |
1 мин | Учитель показывает схему хлоропласта. «Назовите структуру, где расположены фотосинтетические пигменты, и часть хлоропласта, где протекает цикл фиксации углекислого газа». | Показывают на схеме тилакоиды и строму, отвечают: «Пигменты находятся в мембранах тилакоидов, а фиксация углекислого газа происходит в строме». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы вспомнили, что автотроф должен получить энергию, углерод и восстановительную силу для синтеза органического вещества. Теперь выясним, как эти условия реализуются в фотосинтезе и каким образом они могут быть обеспечены без света».
Этап 3. Постановка проблемы и целеполагание (4 мин)
Цель этапа: сформулировать учебную проблему, цель и план исследования.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель записывает на доске два утверждения: «Фотосинтез требует света» и «Некоторые бактерии синтезируют органические вещества в темноте». «Оба утверждения могут быть верными. Какое противоречие нам предстоит разрешить? Какие признаки процессов нужно сравнить, чтобы не ограничиться формальным запоминанием определений?» | Выделяют противоречие: «Органическое вещество синтезируется, но источники энергии различны». Предлагают основания сравнения: «источник энергии, исходные вещества, продукты, организмы и значение». |
2 мин | Учитель принимает формулировки класса и уточняет цель: «Сформулируйте цель урока одним предложением. В конце вы должны не только назвать фотосинтез и хемосинтез, но и объяснить, почему эти процессы являются автотрофными». Учитель фиксирует план: изучить фотосинтез, изучить хемосинтез, сравнить, применить знания к новой ситуации. | Формулируют цель: «Установить, как фотосинтез и хемосинтез обеспечивают синтез органических веществ, и сравнить источники энергии этих процессов». Записывают план исследования. |
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Проблема поставлена, основания сравнения выбраны. Переходим к первой части исследования — восстановим механизм фотосинтеза как процесса преобразования энергии света».
Этап 4. Открытие нового знания: фотосинтез (9 мин)
Цель этапа: раскрыть сущность фотосинтеза и установить взаимосвязь световых и темновых реакций.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель показывает схему хлоропласта и тилакоида. «Фотосинтез — это синтез органических веществ из углекислого газа и воды с использованием энергии света. Пигмент хлорофилл поглощает кванты света. В мембранах тилакоидов протекают световые реакции: вода расщепляется, выделяется кислород, образуются АТФ и НАДФ·Н. Обратите внимание: АТФ и НАДФ·Н не являются конечными продуктами — они переносят энергию и восстановительную силу дальше». | По схеме показывают тилакоиды, направление энергии и продуктов. Записывают в тетради определения световых реакций и роль АТФ и НАДФ·Н. |
3 мин | Учитель переключает внимание на строму хлоропласта. «В строме идут темновые реакции, или цикл фиксации углекислого газа. Название “темновые” не означает, что они обязательно идут ночью. Это реакции, для которых непосредственно не нужен свет, но необходимы продукты световой фазы. Углекислый газ включается в органическое вещество, а энергия АТФ и восстановительная сила НАДФ·Н обеспечивают синтез углеводов». | Формулируют причинную связь: «Световая фаза создаёт энергетические ресурсы, а темновая фаза использует их для фиксации углекислого газа». Наносят на схему стрелки от световой фазы к темновой. |
3 мин | Учитель записывает обобщённое уравнение: «$6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow[хлорофилл]{свет} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$. Рассмотрите каждую часть уравнения. Откуда берётся углерод глюкозы? Какой продукт выделяется в атмосферу? Почему хлорофилл и свет записаны над стрелкой?» | Отвечают: «Углерод глюкозы поступает из углекислого газа»; «Кислород выделяется в атмосферу»; «Свет — источник энергии, хлорофилл поглощает её и запускает процесс». |
Запись в тетрадях
Фотосинтез — синтез органических веществ из неорганических за счёт энергии света. Световая фаза протекает в мембранах тилакоидов, темновая — в строме хлоропласта. Обобщённое уравнение: $6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow[хлорофилл]{свет} C_6H_{12}O_6 + 6O_2$.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Мы установили, что фотосинтез состоит из взаимосвязанных этапов: свет обеспечивает образование АТФ и НАДФ·Н, а затем эти соединения используются для синтеза органического вещества. Но остаётся вопрос: каким образом автотрофность возможна там, где света нет?»
Этап 5. Открытие нового знания: хемосинтез (7 мин)
Цель этапа: выявить механизм хемосинтеза и классифицировать хемосинтезирующие бактерии.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель раздаёт группам краткие тексты о нитрифицирующих, серобактериях, железобактериях и водородных бактериях. «Прочитайте текст с пометками: знаком плюс отметьте новую информацию, вопросом — непонятное место. Найдите вещество, которое окисляют бактерии, и объясните, откуда берётся энергия». | В группах читают текст, выделяют названия веществ и составляют краткую схему: «неорганическое вещество → окисление → выделение энергии → синтез органического вещества». |
3 мин | Учитель организует мини-обсуждение. «Хемосинтез — это синтез органических веществ из углекислого газа за счёт энергии, получаемой при окислении неорганических веществ. Назовите примеры: аммиак и нитриты, сероводород и сера, соединения железа, водород». Учитель уточняет: «Хемосинтезирующие бактерии не используют свет, но также являются автотрофами. Почему?» | Представители групп сообщают результаты: «Нитрифицирующие бактерии окисляют соединения азота»; «Серобактерии окисляют сероводород»; «Железобактерии окисляют соединения железа». Объясняют: «Они используют углекислый газ как источник углерода, а энергию получают при окислении неорганических веществ». |
2 мин | Учитель показывает схему хемосинтеза и задаёт вопрос высокого уровня: «Сравните хемосинтез со световой фазой фотосинтеза. Что в них функционально сходно, несмотря на разный источник энергии?» | Формулируют вывод: «В обоих случаях энергия используется для образования АТФ и последующего синтеза органического вещества; различается источник энергии». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Хемосинтез подтверждает, что автотрофность не равна фотосинтезу. Общим результатом является синтез органического вещества из углекислого газа, а различается способ получения энергии».
Этап 6. Первичное закрепление и сравнение (6 мин)
Цель этапа: систематизировать признаки процессов и научиться применять критерии сравнения.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель раздаёт сравнительную таблицу. «Заполните её в парах по пяти основаниям: источник энергии, организмы, исходные вещества, конечные продукты, значение. Затем сравните свои формулировки с соседней парой. Если есть расхождение, подтвердите вариант ссылкой на схему или определение». | Заполняют таблицу. В графе «общее» указывают: «автотрофный синтез органических веществ из углекислого газа». В графе «различия» фиксируют: «световая энергия — химическая энергия; растения, водоросли и цианобактерии — хемосинтезирующие бактерии». |
3 мин | Учитель проводит приём «Толстые и тонкие вопросы». «Сначала ответьте на тонкий вопрос: какой газ выделяется при фотосинтезе? Теперь толстый: почему исчезновение фотосинтезирующих организмов изменило бы жизнь аэробных организмов? Ещё один вопрос: может ли хемосинтез полностью заменить фотосинтез в наземной экосистеме?» | Отвечают: «Выделяется кислород»; «Фотосинтез поддерживает содержание кислорода и создаёт органическое вещество»; «Полностью заменить фотосинтез в большинстве наземных экосистем нельзя, потому что фотосинтез обеспечивает основной приток энергии и кислорода». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Сравнительная таблица показала, что одинаковый критерий — источник энергии — позволяет увидеть принципиальное различие процессов. Теперь проверим, сможете ли вы самостоятельно применить эту модель к новым примерам».
Этап 7. Самостоятельная работа с самопроверкой (7 мин)
Цель этапа: проверить индивидуальное понимание материала и развить умение анализировать биологические ситуации.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель раздаёт карточки трёх уровней. «Выберите уровень, который позволит вам показать понимание материала. Обязательная часть есть на каждой карточке. Работайте самостоятельно, не переписывайте определения без объяснения причин». | Выбирают карточку и знакомятся с критериями: точность терминов, наличие причинного объяснения, корректность сравнения. |
4 мин | Учитель предлагает задания. «Базовый уровень: вставьте пропуски в определение и уравнение фотосинтеза. Повышающий: объясните, почему хемосинтезирующие бактерии относят к автотрофам. Исследовательский: определите, какой процесс описан в ситуации: организм получает энергию при окислении сероводорода и использует углекислый газ для синтеза органического вещества». | Решают индивидуально. В исследовательском задании пишут: «Это хемосинтез, потому что энергия получается при окислении неорганического вещества, а углекислый газ используется как источник углерода». |
2 мин | Учитель выводит эталон на экран и проводит самопроверку. «Проверьте не только итог, но и логику: назван ли источник энергии, указан ли источник углерода, объяснено ли значение процесса? Отметьте один исправленный недочёт цветным маркером». | Сверяют ответы с эталоном, исправляют ошибки, ставят условный знак в листе самооценки: «могу объяснить самостоятельно», «нужна тренировка», «нужна помощь». |
Эталон решения
В ситуации описан хемосинтез. 1) Сероводород является неорганическим веществом, при его окислении выделяется энергия. 2) Эта энергия используется для образования АТФ и синтеза органического вещества. 3) Углекислый газ служит источником углерода. 4) Свет и хлорофилл в процессе не участвуют.
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Индивидуальная работа показала, что главное в задаче — не узнать знакомое слово, а установить цепочку: источник энергии, образование энергетических соединений, синтез органического вещества. Осталось обобщить результат и оценить собственное продвижение».
Этап 8. Рефлексия, обобщение и домашнее задание (4 мин)
Цель этапа: обобщить новое знание, соотнести его с поставленной проблемой и определить дальнейший шаг обучения.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель возвращается к проблемному вопросу. «Может ли организм синтезировать органическое вещество без света? Ответьте полным предложением и приведите пример. Затем закончите фразу: “Фотосинтез и хемосинтез сходны тем, что…, но различаются тем, что…”» | Формулируют: «Да, хемосинтезирующие бактерии синтезируют органические вещества за счёт энергии окисления неорганических соединений». Завершают сравнение: «Оба процесса являются автотрофными, но используют разные источники энергии». |
1 мин | Учитель проводит приём «Светофор». «Поднимите зелёную карточку, если можете объяснить разницу между световой и темновой фазами; жёлтую — если понимаете общий принцип, но путаете детали; красную — если требуется разбор». | Показывают карточки и фиксируют в листе самооценки конкретный затрудняющий вопрос. |
1 мин | Учитель раздаёт билет на выход. «Запишите один признак фотосинтеза, один признак хемосинтеза и один вопрос, который вы хотели бы исследовать дальше. Сдайте листок при выходе». | Заполняют билет на выход: «фотосинтез использует свет; хемосинтез использует энергию окисления; вопрос — как факторы среды влияют на интенсивность фотосинтеза». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: «Сегодня мы установили, что автотрофный синтез может использовать световую или химическую энергию. На следующем уроке мы подробнее рассмотрим факторы, влияющие на интенсивность фотосинтеза, и научимся интерпретировать графики зависимости скорости процесса от условий среды».
Критерии оценивания практической работы
- «5» — верно выполнены все задания выбранной карточки, корректно названы источник энергии и источник углерода, объяснена связь между фотосинтезом и хемосинтезом, использованы биологические термины без фактических ошибок.
- «4» — выполнено не менее 80% заданий, сравнение в основном полное, допущена одна неточность в описании фазы фотосинтеза или примера хемосинтезирующих бактерий.
- «3» — правильно воспроизведены определения и назван хотя бы один существенный признак каждого процесса, но сравнение неполное или причинное объяснение содержит две неточности.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Что нового вы узнали о различии источников энергии при фотосинтезе и хемосинтезе? | Выявление осознания центрального понятия урока. |
Почему хемосинтезирующие бактерии считают автотрофами? | Проверка понимания связи между источником углерода и способом питания. |
Какая часть схемы фотосинтеза требует дополнительного объяснения? | Выявление точек затруднения в понимании световых и темновых реакций. |
Какой аргумент из сегодняшнего урока вы использовали бы, чтобы объяснить значение растений для биосферы? | Оценка умения переносить знания в биологический и экологический контекст. |
Завершающее слово учителя
«Сегодня мы увидели, что жизнь использует разные пути получения энергии для синтеза органических веществ. Фотосинтез связан с энергией света, а хемосинтез — с энергией окисления неорганических соединений. Частая ошибка — считать, что все автотрофы обязательно фотосинтезируют, поэтому всегда проверяйте источник энергии и источник углерода. На следующем уроке мы исследуем, от каких условий зависит интенсивность фотосинтеза и как это отражается на графиках и продуктивности экосистем».
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Составить сравнительную таблицу фотосинтеза и хемосинтеза по пяти критериям: источник энергии, источник углерода, исходные вещества, продукты и значение. Выучить обобщённое уравнение фотосинтеза. | Закрепляет основные понятия и позволяет проверить полноту сравнения и правильность записи уравнения. |
Средний (повышающий) | Выполнить 4–5 заданий на анализ схем и биологических ситуаций: определить процесс, назвать источник энергии и объяснить роль углекислого газа. Одну ситуацию оформить развёрнутым ответом из 3–4 предложений. | Формирует умение применять знания к новым примерам и строить причинное объяснение. |
Продвинутый (дополнительный) | Подготовить краткое исследовательское сообщение о роли одной группы хемосинтезирующих бактерий в круговороте азота, серы или железа. Включить схему реакции, экологическое значение и один вопрос для дальнейшего исследования. | Развивает исследовательские навыки, работу с научной информацией и понимание роли микроорганизмов в биосфере. |
Контрольные вопросы перед выходом из класса: «Какой источник энергии используется при фотосинтезе? Где протекают световые реакции? Что происходит в темновой фазе? Почему хемосинтез является автотрофным процессом? Назовите пример вещества, окисляемого хемосинтезирующими бактериями».
