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植物的矿质营养

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教学目标

一、知识方面
  1、使学生理解矿质元素的概念,了解植物必需的矿质元素的种类和来源
  2、使学生理解根对矿质元素离子的吸收过程及其与植物根细胞呼吸作用之间的密切关系
  3、使学生理解根吸收矿质元素离子与根吸水的联系和区别
  4、使学生了解矿质元素在植物体内的存在形式、运输方式和利用特点
  5、使学生了解合理施肥、无土栽培原理和实用。

二、能力方面
  通过引导学生分析根对矿质元素离子的吸收过程与呼吸作用的关系以及分析影响根吸收矿质离子的环境因素,训练学生分析实验和实际问题的能力。

三、情感、态度、价值观方面
  通过在教学中介绍合理施肥、无土栽培原理和实用,增加学生学以致用的意识;培养学生关注科学、技术在现代农业生产中的应用,对学生进行生命科学价值观的教育。

 
教学建议

教材分析

  教材主要讲述了植物必需的矿质元素、根对矿质元素离子的吸收、矿质元素的运输和利用、合理施肥以及无土栽培的基础知识。

  1、植物必需的矿质元素

  教材在第一章中已经学习过组成生物体的化学元素基础上讲述了:

  (1)什么是矿质元素

  将植物烘干后充分燃烧,植物体中的C、H、O、N元素会以二氧化碳、水分、分子态氮和氮的氧化物等气体形式散失,而矿质元素以氧化物的形式存在于灰分中,所以矿质元素元素也叫做灰分元素,它们主要是由根系从土壤中吸收,氮元素虽在燃烧过程中散失,不存在于灰分中,但是氮与其它矿质元素一样,也是植物从土壤中以无机盐的形式吸收来的,因此,也将氮归于矿质元素一类。

  (2)什么是植物必需的矿质元素

  目前,科学家确定的植物必需的矿质元素有13种,其中N、P、S、K、Ca、Mg 等6种属于大量元素,Fe、Mn、B、Zn、Cu、Mo、Cl等 7种属于微量元素。

  (3)简要地讲述了确定植物必需的矿质元素的方法

  在人工配制的培养液中,除去某一种矿质元素后,植物的生长发育不正常了,而补充这种矿质元素后,植物的生长发育又恢复正常的状态,就说明这种矿质元素是植物必需的矿质元素。

  2、根对矿质元素离子的吸收

  教材主要从植物吸收矿质元素的器官、植物吸收矿质元素的主要部位、矿质元素的存在形式、矿质元素被植物吸收的形式、根吸收矿质元素的过程几个方面介绍了植物对矿质元素离子吸收,其中根吸收矿质元素的过程是重点,也是难点,这个过程教材概括为两步:首先矿质元素离子通过交换吸附到根细胞表面;然后吸附在根细胞表面的离子通过主动运输进入细胞内。

  教材特别强调了根对矿质元素离子吸收与根细胞呼吸作用的密切关系。

  3、矿质元素的运输和利用

  (1)矿质元素的运输

  教材简要讲述了矿质元素进入根毛以后如何最终进入导管和矿质元素如何被利用的知识。教材还通过列举科学家所做的实验强调了根对矿质元素离子的吸收与根对水分的吸收是两个相对独立的过程,即植物运输水分和运输矿质元素是一个同一过程;而植物吸收水和植物吸收矿质元素离子不是同一过程,因此蒸腾作用能促进水的吸收和运输,也能促进矿质元素的运输的道理,但不能促进矿质元素离子的吸收。

  教材还提到了植物体除了根以外、叶片等部位也能吸收矿质元素离子,及其在农业生产实际中的重要意义。

  (2)矿质元素离子的利用

  教材介绍了矿质元素离子在植物体内的存在形式与其能否被重复利用之间的关系。

  4、教材注意联系生产和生活实际,概括地讲述了合理施肥的基础知识,并且简要讲述了无土栽培这一新技术的基本原理、特点以及优点。此外,本节还在“课外生物科技活动”栏目,鼓励学生利用无土栽培技术培养植物。

教法建议

  1、引言

  课前指导生物小组的同学用完全培养液和缺素培养液培养出一些植物体,以便课上展示给学生,引发他们对矿质元素对植物生活的作用的思考,以此引入本节内容。

  也可以从分析植物体内化学物质的元素组成入手引入课题。例如,植物体内的物质中,蛋白质通常含有N,S、叶绿素含有Mg,核酸含有P,但植物体通过光合作用可从二氧化碳获得C和O,通过根的吸水中获得H和O。以此引导学生分析出植物体内含有的元素种类与植物吸收的元素种类之间的矛盾,从而很自然地引入植物还可从土壤吸收矿质元素这一事实。

  也可以从根的渗透吸水直接引入,因为学生都知道土壤溶液中还溶解有各种矿质元素离子,这时可引发学生思考:溶于水的这些矿质元素离子是否是和水一起被吸收的?从而引入矿质元素离子的吸收。

  2、矿质元素的概念

  和根对水分的吸收情况一样,学生在初中已学过有关无机盐吸收有关的初步知识,因此,教师可提出一些问题,以了解学生对矿质代谢的理解程度,找出学生对矿质代谢理解上的偏差和不足,从而进行有针对性的教学。

  在讨论了问题的基础上,引导学生分析矿质元素的概念、必需元素的概念、植物体内哪些元素是大量元素、哪些元素是微量元素。

  可把学生讨论的重点放在“如何确定某种元素是植物必需的矿质元素的方法?”鼓励学生提出自己的观点和设计方案,以便渗透研究方法,对于激发学生学习兴趣,丰富学生研究问题的思路有重要作用。

  3、根对矿质元素离子的吸收过程,是本节教学的重点,也是难点

  (1)根细胞对矿质元素的交换吸附

  这是根细胞吸收矿质元素离子的第一步

  可先让学生做《根对矿质元素离子的离子交换吸附》实验,在实验过程中或实验结束后,教师通过一系列问题串引发学生对交换吸附的思考和理解。

  学生在讨论问题时,教师可根据需要适当做一些知识和方法上的提示,最终使学生明白矿质元素离子交换的原理,然后可就上述实验做进一步讨论。

  (2)吸附在根细胞表面的离子通过主动运输进入细胞内

  可让学生回忆主动运输所需要的条件,即需要ATP和膜上有相应的载体蛋白;进而讨论“为什么矿质元素离子具有选择性?”等问题

  (3)根对矿质元素离子和水分的吸收是两个相对独立的过程,是教学的难点。

  引导学生讨论一些实验问题的基础上加深对上述观点的理解

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  3、矿质元素的运输和利用

  (1)矿质元素的运输

  引导学生讨论出植物运输水分和运输矿质元素是一个同一过程;而植物吸收水和植物吸收矿质元素离子不是同一过程,因此蒸腾作用能促进水的吸收和运输,也能促进矿质元素的运输的道理,但不能促进矿质元素离子的吸收。

  老师可向学生介绍植物体除了根以外、叶片等部位也能吸收矿质元素离子,及其在农业生产实际中的重要意义。

  (2)矿质元素离子的利用

  教材介绍了矿质元素离子在植物体内的存在形式与其能否被重复利用之间的关系。

  4、教材注意联系生产和生活实际,概括地讲述了合理施肥的基础知识,并且简要讲述了无土栽培这一新技术的基本原理、特点以及优点。此外,本节还在“课外生物科技活动”栏目,鼓励学生利用无土栽培技术培养植物。

教学设计方案

【课题】第五节 植物的矿质代谢

【教学重点】植物必需的矿质元素及其种类;根对矿质元素离子的吸收过程。

【教学难点】根对矿质元素离子的吸收和对水分的吸收是两个相对独立的过程。

【课时安排】实验、授课一共两课时。

【教学手段】挂图、多媒体课件、实验

【教学过程】

  1、引言

  课前指导生物小组的同学用完全培养液和缺素培养液培养出一些植物体,以便课上展示给学生,引发他们对矿质元素对植物生活的作用的思考,以此引入本节内容。

  也可以从分析植物体内化学物质的元素组成入手引入课题。例如,植物体内的物质中,蛋白质通常含有N,S、叶绿素含有Mg,核酸含有P,但植物体通过光合作用可从二氧化碳获得C和O,通过根的吸水中获得H和O。以此引导学生分析出植物体内含有的元素种类与植物吸收的元素种类之间的矛盾,从而很自然地引入植物还可从土壤吸收矿质元素这一事实。

  也可以从根的渗透吸水直接引入,因为学生都知道土壤溶液中还溶解有各种矿质元素离子,这时可引发学生思考:溶于水的这些矿质元素离子是否是和水一起被吸收的?从而引入矿质元素离子的吸收。

  2、矿质元素的概念

  和根对水分的吸收情况一样,学生在初中已学过有关无机盐吸收有关的初步知识,因此,教师可提出一些问题,以了解学生对矿质代谢的理解程度,找出学生对矿质代谢理解上的偏差和不足,从而进行有针对性的教学。比如,教师可提出以下问题:

  ①植物收矿质元素离子的主要器官是什么?

  ②植物矿质元素离子的主要部位是什么?

  ③矿质元素在植物体主要以什么存在?

  ④植物体运输水和矿质元素离子的通道是什么?知道这些通道在植物体的哪个部位吗?

  ⑤矿质元素离子在植物体内都可以参与哪些生理功能?

  ⑥植物体内矿质元素离子是如何散失的?等等。

  在讨论了上述问题的基础上,引导学生分析矿质元素的概念、必需元素的概念、植物体内哪些元素是大量元素、哪些元素是微量元素。

  可把学生讨论的重点放在“如何确定某种元素是植物必需的矿质元素的方法?”鼓励学生提出自己的观点和设计方案,以便渗透研究方法,对于激发学生学习兴趣,丰富学生研究问题的思路有重要作用。

  3、根对矿质元素离子的吸收过程,是本节教学的重点,也是难点

  (1)根细胞对矿质元素的交换吸附

  这是根细胞吸收矿质元素离子的第一步

  可先让学生做《根对矿质元素离子的离子交换吸附》实验,在实验过程中或实验结束后,教师通过下面的问题串引发学生对交换吸附的思考和理解:

  ①通过《观察根对矿质元素离子的交换吸附现象》的实验,如何理解设置对照实验的重要性。

《观察根对矿质元素离子的交换吸附现象》实验是一个简单的单因子对照实验。在单因子对照实验中,有一个非常重要的要求,即,除了要研究的那个因素设置为可变外,其它所有条件都尽量保证一致。

  在该实验中,可变的因子只一个,即染色后的根放入的溶液不同,一个是氯化钙溶液(为实验组),另一个蒸馏水(为对照组),除了这个因素不一样外,该实验要求其它因素都尽量要保证一样,如根发育的时期、剪取的根的条数,剪取的根的长度,染色的时间,两种溶液的体积,等待的时间等等,这个实验虽然很简单,但学生对它包含的对照思想一定要重视并理解。

  ②为什么亚甲基蓝可使根细胞染成蓝色?

  ③为什么实验后蒸馏水与其中的根都没有发生颜色上的变化?

  ④为什么实验后氯化钙溶液变成浅蓝色,而根的蓝色褪去了一些?

  ⑤为什么在实验中要选择生长旺盛的根来做实验?

  ⑥为什么要选择亚甲基蓝这种活体染色剂,如果换成别的能杀死细胞的染色剂的话,这个实验的结果是否不受影响?

  学生在讨论这些问题时,教师可根据需要适当做一些知识和方法上的提示,最终使学生明白矿质元素离子交换的原理,然后可就上述实验做进一步讨论:

  ①在这个实验一共进行了几次矿质元素离子的交换吸附?

  本实验过程中实际涉及两次交换吸附,第一次是在染色过程中,亚甲基蓝阳离子与根细胞表面的氢离子交换;第二次是根细胞表面的亚甲基蓝阳离子与氯化钙溶液的钙离子交换;

  ②本实验的对照组是哪一组?

  本实验中用蒸馏水作对照的原因是蒸馏水中基本不含可供交换的离子。

  ③在这个实验中,与亚甲基蓝阳离子发生过交换的离子有哪些?等等。

  (2)吸附在根细胞表面的离子通过主动运输进入细胞内

  可让学生回忆主动运输所需要的条件,即需要ATP和膜上有相应的载体蛋白;进而讨论:

  ① “为什么矿质元素离子具有选择性?”

  或“为什么同种植物对同一溶液中的不同离子或同一盐分中的阴阳离子的吸收量不同?”

  或“为什么不同种植物对同一种矿质离子的吸收量不同?”

  植物对矿质元素有选择吸收的原因是什么呢?根吸收矿质元素离子是一个主动运输过程,而主动运输是需要蛋白载体的,因此,根细胞膜上如果有某种离子的载体,这个细胞就可以吸收这种离子,而且该离子的载体越多,一定范围内,根细胞对这种离子的吸收也就越多。

  理解了这点后,学生就可以解释下面的现象,即硝酸钠溶液水解后是中性的,为什么常施用这种氮肥后土壤会呈碱性?学生在化学课已学过,硝酸钠是强酸强碱盐,硝酸钠水溶液水解后呈中性,但为什么土壤长期使用这种氮肥后土壤会碱化,即pH升高呢?同学可从根细胞膜上的载体去分析:我们已学过,根细胞在进行离子交换吸附时,硝酸根阴离子与碳酸氢根离子相交换,钠离子与氢离子相交换。氮元素是植物体生长所必须的,而钠元素在植物体含量甚微,可以想见,植物根细胞膜上运输含氮离子的载体数量要远远超过运输钠离子的载体数量,因此根细胞吸收的硝酸根离子多,而吸收的钠离子数量少,即硝酸根离子与碳酸氢根的交换量大,结果土壤中的碳酸氢根量就大于氢离子,从而使土壤碱化。

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  有了上面的基础,学生还可以分析下面两个例子:

  (1)硝酸氨溶液水解后是酸性的,为什么常施用这种氮肥后土壤溶液pH不会发生很明显的变化?

  (2)硫酸氨溶液水解后是酸性的,为什么常施用这种氮肥后土壤会呈酸性?

  ②“当外界溶液中某种矿质元素离子的浓度足够大时,为什么矿质元素离子吸收速率达到一定程度后就不再升高了?”

  ③“为什么矿质元素的吸收与植物细胞的呼吸作用有密切的联系。?”

  (3)根对矿质元素离子和水分的吸收是两个相对独立的过程,是教学的难点

学生讨论下面的问题:

  ①引导学生对课文中讲述的有关用菜豆做的实验等实例进行分析和讨论。

  ②增加不同植物在同一营养液中吸收矿质元素离子数量的差异的讨论。

  ③增加农业生产实践上中耕松上、除草、保墒外、通气起什么作用的讨论。

  ④离子的吸收为什么有载体饱和效应,例如根细胞中K+或其他矿质元素离子的浓度已高于土壤溶液中的浓度、但是, 植物的很仍然吸收这些必需的矿质元素离子。可以引导学生对这一现象进行讨论,使学生明白植物的吸水量与离子吸收量不呈正相关。

  ⑤呼吸抑制剂为什么能抑制离子吸收,却不抑制水的吸收

  ⑥植物对离子的吸收速率远比吸水慢

  3、矿质元素的运输和利用

  (1)矿质元素的运输

引导学生讨论:

  ①矿质元素进入根毛以后如何最终进入导管和矿质元素如何被利用?

  ②为什么说根对矿质元素离子和水分的吸收是两个相对独立的过程?

  或有的同学认为蒸腾作用是吸收矿质元素的动力,同时也是运输矿质元素的动力?学生认为这个说法对吗?

  通过分析蒸腾作用的过程,引导学生得到下面的结论:

  蒸腾作用是植物体的根吸收水分和运输水分的动力。

  通过分析矿质元素吸收过程,学生应该已经知道,植物的根细胞吸收矿质元素与两方面条件有关,

  其一,根细胞对矿质元素的吸收与其呼吸作用密切相关,尤其是有氧呼吸,因为呼吸作用为根细胞进行离子交换吸附提供了可供交换的离子,即碳酸氢根离子和氢离子;同时根细胞呼吸作用过程中合成的ATP又为吸附在根细胞表面的矿质离子进入根细胞的主动运输过程提供了能量。所以说,水分的吸收其动力是蒸腾作用,而矿质元素吸收的动力则不是蒸腾作用。

  其二,由于根吸收矿质元素离子是一个主动运输过程,而主动运输是需要蛋白载体和能量的,因此,根细胞膜上运输矿质元素的载体及其数量就起着重要的作用,这点一会儿还会谈到。

  通过分析矿质元素运输过程,让学生知道,矿质元素是与水一起由植物体的导管运输的,其动力为植物的蒸腾作用。因此说,水分和矿质元素运输的动力都是植物的蒸腾作用。

  因此说,植物吸收水分和吸收矿质元素是两个相对独立的过程,虽然二者是一起被运输出,而二者的吸收方式独立。

  综上可知,认为蒸腾作用是吸收矿质元素的动力,同时也是运输矿质元素的动力,这种说法是不正确的,因为认为蒸腾作用是运输矿质元素的动力,而与矿质元素的吸收无关,即植物运输水分和运输矿质元素是一个同一过程;而植物吸收水和植物吸收矿质元素离子不是同一过程,因此蒸腾作用能促进水的吸收和运输,也能促进矿质元素的运输的道理,但不能促进矿质元素离子的吸收。

  如果有时间的话的,教师可引导学用表解的形式总结根细胞吸水与根细胞吸收矿质元素离子的异同:

水分吸收

矿质元素的吸收

区别

原理与过程不同

渗透作用

交换吸附和主动运输

吸收的动力不同

细胞内、外溶液的浓度差;蒸腾作用形成的蒸腾拉力

ATP

运载工具

不需

细胞膜上运载离子的载体

联系

1、矿质元素一定要溶解在水中,才能被根部吸收

2、水参与完成交换吸附的离子的生成过程

3、矿质元素在植物体内的运输是随着水分的运输达到植物体的各部分

4、矿质元素被根细胞吸收后,又会影响细胞内外溶液的浓度,从而影响根对水分的渗透吸收

 老师可向学生介绍植物体除了根以外、叶片等部位也能吸收矿质元素离子,及其在农业生产实际中的重要意义。

  (2)矿质元素离子的利用

  教材介绍了矿质元素离子在植物体内的存在形式与其能否被重复利用之间的关系。

  老师可引导学生进行列表比较,如

矿质元素的利用取决于矿质元素在植物体内的存在形式

存在形式

离子

不稳定的化合物

稳定的化合物

移动情况

容易移动

可以转移

不能转移

利用情况

反复

多次

一次

集中部位

大多分布于分生区和幼叶等代谢旺盛的部位

大多分布于分生区和幼叶等代谢旺盛的部位

往往在越老的器官中含量越多

缺乏时受害部位

幼嫩

举例

K

K、P、Mg

Ca、Fe


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