拓展探究性實(shí)驗(yàn)

馮漢茹

1 教材分析

“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”通過探究細(xì)胞呼吸產(chǎn)物進(jìn)而認(rèn)證酵母菌細(xì)胞呼吸的兩種方式，為解釋光合作用形成糖類后的“去路”打下根基，還密切聯(lián)系著“組成細(xì)胞的分子”、“細(xì)胞的能量通貨——ATP”、“顏色反應(yīng)”等諸多教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)地位不容小覷。

在“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”教學(xué)中，部分教師習(xí)慣性地按照教材編排，反復(fù)講解實(shí)驗(yàn)步驟，強(qiáng)調(diào)酵母菌有氧呼吸、無氧呼吸各自的產(chǎn)物，再將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和顏色反應(yīng)對(duì)應(yīng)，從而確定酵母菌有兩種細(xì)胞呼吸方式。如此照搬課本思路，有濃烈的“驗(yàn)證性”味道，卻未培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，沒有“探究”體驗(yàn)，沒有科學(xué)教育，沒有用好教材。本文從發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、作出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為主線體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的探究性，拓展了教材寬度，挖掘了學(xué)科理性。

2 教學(xué)目標(biāo)

2.1 知識(shí)目標(biāo)

說明酵母菌細(xì)胞呼吸的方式。

2.2 能力目標(biāo)

組建實(shí)驗(yàn)裝置，鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力和提高合作互助精神。

通過探究酵母菌細(xì)胞的呼吸方式，讓學(xué)生學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)探究的方法。

學(xué)會(huì)控制自變量，觀察和檢測(cè)應(yīng)變量的變化，提高學(xué)生合作、交流以及自主學(xué)習(xí)能力。

2.3 情感態(tài)度價(jià)值觀目標(biāo)

形成對(duì)自然科學(xué)的基本認(rèn)識(shí)和思維方法，提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，讓學(xué)生熱愛生活。

3 教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)

（1）說明酵母菌細(xì)胞呼吸的方式。

（2）認(rèn)同酵母菌為兼性厭氧型真菌。

4 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮?/p>

4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過實(shí)驗(yàn)探究酵母菌在有氧條件下和無氧條件下細(xì)胞呼吸的產(chǎn)物，明確酵母菌細(xì)胞呼吸的方式。

4.2 實(shí)驗(yàn)原理

酵母菌屬于單細(xì)胞真核微生物，兼性厭氧菌，能進(jìn)行有氧呼吸，產(chǎn)生CO2，也能進(jìn)行無氧呼吸，產(chǎn)生酒精和CO2。

5 實(shí)驗(yàn)探究歷程

5.1 從現(xiàn)象出發(fā)，發(fā)現(xiàn)問題

部分學(xué)生觀察生活注意到做饅頭、面包等食品時(shí)都是用酵母菌發(fā)面，發(fā)好的面團(tuán)松軟有氣孔，而且蒸好的饅頭、烤好的面包也都有大量氣孔。聯(lián)想到有氣孔說明了有氣體產(chǎn)生，產(chǎn)生以下問題：“氣體是什么呢？酵母菌發(fā)酵產(chǎn)生了什么物質(zhì)？發(fā)面是酵母菌利用淀粉發(fā)酵嗎？細(xì)胞呼吸和發(fā)酵之間有何關(guān)系？”

5.2 理性思考，提出問題

（1）酵母菌發(fā)酵能產(chǎn)生氣體，氣體是什么？

（2）酵母菌在怎樣的條件下產(chǎn)生氣體？它在有氧、無氧條件下，都會(huì)產(chǎn)生氣體嗎？假如都產(chǎn)生氣體，氣體的量一樣多嗎？

（3）酵母菌呼吸除了產(chǎn)生氣體，還產(chǎn)生別的物質(zhì)嗎？能否驗(yàn)證？驗(yàn)證時(shí)，如何取材？

5.3 大膽演繹，作出假設(shè)

結(jié)合上述提出的3類問題，結(jié)合“有氧呼吸”、“酒精發(fā)酵”、“乳酸發(fā)酵”反應(yīng)式，可以有以下7種假設(shè)。

（1）酵母菌只能在O2參與條件下產(chǎn)生CO2。

（2）酵母菌只能在無O2參與條件下產(chǎn)生CO2。

（3）酵母菌只能在無O2參與條件下產(chǎn)生乳酸。

（4）酵母菌不僅能在O2參與條件下產(chǎn)生CO2，而且在無O2參與條件下產(chǎn)生CO2。

（5）酵母菌不僅能在O2參與條件下產(chǎn)生CO2，而且在無O2參與條件下產(chǎn)生乳酸。

（6）酵母菌不僅能在無O2參與條件下產(chǎn)生CO2，而且在無O2參與條件下產(chǎn)生乳酸。

（7）酵母菌不僅能在O2參與條件下產(chǎn)生CO2，而且在無O2參與條件下產(chǎn)生CO2，也能產(chǎn)生乳酸。

嚴(yán)密的推理彰顯了學(xué)科“理性”。前3種假設(shè)只有“一個(gè)自變量”，即“O2的有無”，后4種假設(shè)“雙自變量”，即“有O2和無O2”，滲透了排列組合思想。多數(shù)學(xué)生能想到前3種假設(shè)，而后4種假設(shè)需要教師提示。據(jù)此7種假設(shè)，找到突破口，為設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)找到理論依據(jù)。

5.4 結(jié)合假設(shè)找到突破口，明析實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路（假設(shè)酵母菌以葡萄糖作為呼吸底物）

在設(shè)計(jì)之前，學(xué)生已儲(chǔ)備“有氧呼吸”、“酒精發(fā)酵”、“乳酸發(fā)酵”等知識(shí)，從“物質(zhì)變化”的角度觀察三者化學(xué)反應(yīng)式，發(fā)現(xiàn)有氧呼吸、酒精發(fā)酵產(chǎn)生CO2氣體，利用氣體作為突破口，理順“氣體量影響到容器內(nèi)壓強(qiáng)”的思路。以1 mol葡萄糖為底物，有氧呼吸每吸收6 mol O2，釋放6 mol CO2，氣體體積不變，壓強(qiáng)相對(duì)不變；酒精發(fā)酵不吸收氣體，釋放2 mol CO2，引起氣體體積增大，壓強(qiáng)增大。基于此利用氣體，設(shè)計(jì)第1組實(shí)驗(yàn)，排除乳酸發(fā)酵后，保留前文假設(shè)（1）（2）（4）的3種情況。

排除乳酸發(fā)酵后，在已保留（1）（2）（4）的3種情況下，設(shè)計(jì)第2組實(shí)驗(yàn)，借助鑒定試劑、顏色反應(yīng)探明酵母菌假設(shè)（1）、假設(shè)（2）相應(yīng)產(chǎn)物，找出“氣體是誰”和“其他產(chǎn)物”。

找出假設(shè)（1）、假設(shè)（2）產(chǎn)物后，設(shè)計(jì)第3組實(shí)驗(yàn)，探明酵母菌有氧呼吸和酒精發(fā)酵的關(guān)系，是“有氧呼吸為主”，還是“酒精發(fā)酵為主”，還是“有氧呼吸和酒精發(fā)酵兩者勢(shì)均力敵”。

5.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

5.5.1 第1組實(shí)驗(yàn)

5.5.1.1 材料器具

材料：含葡萄糖酵母菌培養(yǎng)液。器具：6只相同注射器。

5.5.1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）取6只已滅菌的注射器，分為A、B兩組。分別標(biāo)號(hào)為A1，A2，A3，B1，B2，B3。

（2）在2組注射器A、B中分別加入3 mL含葡萄糖酵母菌培養(yǎng)液、3 mL滅活的含葡萄糖酵母菌培養(yǎng)液，均吸入9 mL空氣后加塞密封。

（3）一段時(shí)間后，觀察兩組注射器內(nèi)氣體體積的變化情況并說明理由。

5.5.1.3 預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果

一段時(shí)間后，預(yù)測(cè)A注射器內(nèi)氣體體積增加，B組注射器內(nèi)氣體體積相對(duì)不變。

5.5.1.4 實(shí)驗(yàn)分析

A組注射器內(nèi)氣體體積增加，產(chǎn)生了氣體，說明細(xì)胞呼吸有3種類型：

①酵母菌在有O2條件下產(chǎn)生CO2；

②酵母菌在無O2條件下產(chǎn)生CO2；

③酵母菌在有O2和無O2條件下都產(chǎn)生CO2。

該實(shí)驗(yàn)排除酵母菌乳酸發(fā)酵，保留了有氧呼吸和酒精發(fā)酵，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)前的預(yù)設(shè)。同時(shí)還產(chǎn)生了3個(gè)問題：酵母菌產(chǎn)生氣體，氣體是什么呢；不同條件下，產(chǎn)生氣體的量一樣多嗎；酵母菌除了產(chǎn)生氣體，還產(chǎn)生別的物質(zhì)嗎？

據(jù)上述3個(gè)問題，設(shè)計(jì)第2組實(shí)驗(yàn)：把酵母菌分別置于有O2和無O2條件下，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，鑒定細(xì)胞呼吸產(chǎn)物。

5.5.2 第2組實(shí)驗(yàn)

5.5.2.1 材料器具

材料：酵母粉、葡萄糖、溫水、石蠟油、酸性重鉻酸鉀溶液。

器具：氣球2只、氧氣袋1個(gè)、礦泉水瓶2只，橡皮筋若干，試管若干。

5.5.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）取2只已消毒礦泉水瓶，分別標(biāo)號(hào)為A、B，均加入等量葡萄糖酵母菌液。

（2）A組充入一定量的氧氣，B組加入一定量的石蠟油密封液面，迅速將2只氣球套在礦泉水瓶口，用橡皮筋扎緊固定，以防漏氣。

（3）觀察2只氣球膨脹程度，列表記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，見表1。

（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，分別從兩只礦泉水瓶中取出等量液體注入試管中（注意B組盡量不要取到石蠟油），加入等量的酸性重鉻酸鉀溶液，輕輕震蕩混合均勻，觀察試管顏色的變化。

5.5.2.3 預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果

一段時(shí)間后，預(yù)測(cè)A組氣球不膨脹，試管顏色未發(fā)生變化；B組氣球膨脹，試管顏色由橙色變?yōu)榛揖G色。

5.5.2.4 實(shí)驗(yàn)分析

酵母菌在有O2條件下，氣球不膨脹，試管顏色未發(fā)生變化，說明氣體體積相對(duì)不變，結(jié)合顏色反應(yīng)證明沒有產(chǎn)生酒精，進(jìn)行有氧呼吸；在無O2條件下，氣球逐漸膨脹，試管顏色由橙色變?yōu)榛揖G色，說明氣體體積增大，產(chǎn)生了CO2氣體和酒精。

第2組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中沒有使用教材提供的“澄清石灰水證明是否有CO2產(chǎn)生”，緊密圍繞“體積是否增大”，借助氣球膨脹程度分別證明了有氧呼吸、酒精發(fā)酵是否產(chǎn)生氣體，此時(shí)已經(jīng)達(dá)到對(duì)教材探究的目的。但產(chǎn)生了新問題，即隨著O2濃度從無到有再到逐漸增加，此時(shí)酵母菌“有氧呼吸為主”，還是“無氧呼吸為主”，還是“有氧呼吸、無氧呼吸兩者勢(shì)均力敵”？可設(shè)計(jì)第3組實(shí)驗(yàn)。

5.5.3 第3組實(shí)驗(yàn)

5.5.3.1 材料器具

材料：含葡萄糖酵母菌培養(yǎng)液、5 mL 20%NaOH溶液、5 mL蒸餾水。

器具：2只帶橡皮塞廣口瓶、帶活塞玻璃管若干、彎曲玻璃管若干，尺子。

5.5.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

按圖1所示，組裝實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察紅色液滴移動(dòng)情況。

（1）2組裝置中均不通入O2，觀察紅色液滴移動(dòng)情況。

（2）逐漸增加O2濃度，觀察紅色液滴移動(dòng)情況并測(cè)量移動(dòng)距離。

5.5.3.3 預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

5.5.3.4 實(shí)驗(yàn)分析

通過測(cè)量和換算，學(xué)生認(rèn)識(shí)到酵母菌有氧呼吸和酒精發(fā)酵的關(guān)系，得出了酵母菌既能進(jìn)行有氧呼吸又能進(jìn)行無氧呼吸的結(jié)論，它是兼性厭氧型微生物。

科學(xué)教育的目標(biāo)之一是“幫助學(xué)生形成建立在學(xué)科知識(shí)之上的有關(guān)自然科學(xué)的基本認(rèn)識(shí)和思維方法”?！疤骄拷湍妇?xì)胞呼吸的方式”是開展科學(xué)教育、訓(xùn)練思維、動(dòng)手設(shè)計(jì)的好素材，本文由感性到理性、由未知到深知、由產(chǎn)生問題到解決問題、由設(shè)計(jì)到體驗(yàn)，發(fā)展了學(xué)生能力，領(lǐng)悟了探究內(nèi)涵，養(yǎng)成辯證自然觀，形成了思考意識(shí)，達(dá)到了科學(xué)教育的目的。