“探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式”數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探討

奚 菲 陶潔敏

（蚌埠第二中學(xué) 安徽蚌埠 233000）

隨著中學(xué)生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)在全國(guó)范圍內(nèi)的實(shí)施，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性和作用得到了重視。而新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用需要教師的研究，尤其是數(shù)字化設(shè)備與學(xué)科教學(xué)的整合，能豐富傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)環(huán)節(jié)，解決教學(xué)難點(diǎn)。

“探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式”是高中生物學(xué)必修1中一個(gè)重要的探究性實(shí)驗(yàn)，但由于實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)過程較長(zhǎng)及課時(shí)有限等方面的原因，該實(shí)驗(yàn)雖能鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，但學(xué)生大都將時(shí)間花在安裝實(shí)驗(yàn)儀器上，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析很倉(cāng)促，不能很好地引發(fā)學(xué)生的再思考。本實(shí)驗(yàn)利用傳感器取代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)試劑，不僅靈敏度更高，且有利于培養(yǎng)學(xué)生自主探究的能力。

酵母菌是兼性厭氧菌，在氧氣充足時(shí)進(jìn)行有氧呼吸，在缺少氧氣的條件下可進(jìn)行酒精發(fā)酵，產(chǎn)生二氧化碳和酒精。利用二氧化碳傳感器可檢測(cè)酵母菌在不同條件下產(chǎn)生二氧化碳總量的變化，進(jìn)而分析整個(gè)過程中二氧化碳產(chǎn)生速率的變化；利用溶解氧傳感器可檢測(cè)酵母菌對(duì)溶液中氧氣的利用，并結(jié)合二氧化碳傳感器所測(cè)的結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生思考酵母菌的細(xì)胞呼吸方式。

1 教學(xué)目標(biāo)

1）知識(shí)目標(biāo)：學(xué)會(huì)酵母菌呼吸實(shí)驗(yàn)裝置的搭建；學(xué)會(huì)運(yùn)用LabPro數(shù)據(jù)采集器采集數(shù)據(jù)并分析數(shù)據(jù)；提高分析曲線和解釋曲線變化的能力。

2）能力目標(biāo)：知道酵母菌有氧呼吸和無(wú)氧呼吸的過程；通過酵母菌呼吸方式的實(shí)驗(yàn)探究，交流、表達(dá)、質(zhì)疑，了解科學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路。

3）情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)：學(xué)會(huì)小組合作，共享實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)會(huì)合作學(xué)習(xí)；通過酵母菌呼吸方式的實(shí)驗(yàn)探究,有利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)品質(zhì)。

2 教學(xué)準(zhǔn)備

2.1 材料及設(shè)備 安琪酵母10 g，葡萄糖，蒸餾水，100 mL錐形瓶，燒杯，量筒，計(jì)算機(jī)，LabPro數(shù)據(jù)采集器，二氧化碳傳感器，乙醇傳感器，溶解氧傳感器，氣體壓力傳感器，恒溫水浴鍋等。

2.2 酵母菌培養(yǎng)裝置的探索和改進(jìn) 按照教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，學(xué)生安裝裝置需花費(fèi)大量時(shí)間，該套裝置對(duì)氣密性的要求較高，學(xué)生實(shí)際操作有一定難度。據(jù)此作了以下幾個(gè)方面的改進(jìn)：

2.2.1 適當(dāng)增大培養(yǎng)液葡萄糖的濃度 酵母菌在缺乏氮源的環(huán)境中，生長(zhǎng)代謝較慢。當(dāng)葡萄糖濃度比較低時(shí)，隨著葡萄糖濃度的增加，細(xì)胞呼吸速率增加。當(dāng)葡萄糖濃度增加到某一數(shù)值時(shí)，再增加葡萄糖的濃度，由于受到細(xì)胞內(nèi)、外環(huán)境滲透壓的影響，細(xì)胞呼吸速率不再增加，甚至還會(huì)降低。因此教師在實(shí)驗(yàn)課前做了充分的預(yù)實(shí)驗(yàn)，分別用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、20%的葡萄糖溶液進(jìn)行酵母菌發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，并用氣體壓力傳感器檢測(cè)發(fā)酵瓶?jī)?nèi)氣體的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)各組實(shí)驗(yàn)在其他條件一致的情況下，葡萄糖濃度越高，發(fā)酵瓶?jī)?nèi)氣體壓力開始增大的時(shí)間越短，但當(dāng)葡萄糖濃度達(dá)到10%以后，發(fā)酵瓶?jī)?nèi)氣體壓力的變化不明顯，如圖1、圖2所示。

圖1 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%葡萄糖溶液的發(fā)酵瓶?jī)?nèi)壓力變化

圖2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的葡萄糖溶液的發(fā)酵瓶?jī)?nèi)壓力變化

2.2.2 減小反應(yīng)瓶體積改用小錐形瓶 本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)在于證明細(xì)胞呼吸產(chǎn)物，能出現(xiàn)現(xiàn)象即可。使用小錐形瓶不僅可減少葡萄糖和酵母菌液的用量，還可在短時(shí)間內(nèi)排盡殘留空氣，明顯測(cè)出呼吸產(chǎn)物。教師預(yù)實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，若使用100 mL的錐形瓶進(jìn)行發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，在其他條件適宜的狀況下，短時(shí)間內(nèi)效果較為明顯，若使用500 mL的塑料瓶，則氣體壓力傳感器檢測(cè)結(jié)果在20 min內(nèi)仍然不明顯。因此本實(shí)驗(yàn)選用100 mL的錐形瓶作為發(fā)酵瓶。

2.2.3 適當(dāng)增大培養(yǎng)液體積 教學(xué)中在有限的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果才有一定的意義，故適當(dāng)增大培養(yǎng)液體積可保證在20 min內(nèi)出現(xiàn)明顯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這樣可給學(xué)生留有充足的時(shí)間進(jìn)行思考和分析。

2.2.4 同時(shí)檢測(cè)二氧化碳和氧氣 本實(shí)驗(yàn)采用一個(gè)三通接頭與適合傳感器直徑大小的接頭連接，進(jìn)而用透明膠帶密封，使2個(gè)傳感器可同時(shí)測(cè)定一個(gè)發(fā)酵瓶?jī)?nèi)氧氣和二氧化碳的變化，減少了實(shí)驗(yàn)過程的時(shí)間和實(shí)驗(yàn)誤差。其次從接頭處入手，保持了發(fā)酵瓶的完整性，比有些實(shí)驗(yàn)中利用塑料瓶打孔制作2個(gè)傳感器接口的密封性更好。

3 教學(xué)過程

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的器材、藥品繁多，學(xué)生在一節(jié)課內(nèi)成功地完成實(shí)驗(yàn)十分困難，在實(shí)際教學(xué)中教師常把實(shí)驗(yàn)課上成課堂討論探究。運(yùn)用數(shù)字化傳感器技術(shù)，不僅可實(shí)現(xiàn)正常的課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還可將演示實(shí)驗(yàn)改為分組探究實(shí)驗(yàn),從而提高學(xué)生的探究能力。

3.1 課前預(yù)習(xí) 由于實(shí)驗(yàn)最終的結(jié)果是以曲線和定量的結(jié)果顯示，因此學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前一天需預(yù)習(xí)教材中有關(guān)呼吸作用的知識(shí)。

3.2 酵母菌的活化 課前酵母菌活化1～2 h，將2 g高活性干酵母加入盛有100 mL 27℃溫水的燒杯中，用玻璃棒攪拌均勻，27℃恒溫水浴保溫。

3.3 提出問題 ①運(yùn)用已學(xué)知識(shí)預(yù)測(cè)發(fā)酵瓶中溶解氧的濃度和二氧化碳的濃度應(yīng)該如何變化？②嘗試根據(jù)每一時(shí)間段內(nèi)溶解氧和二氧化碳濃度的變化，解釋酵母菌的呼吸方式是什么？③引導(dǎo)學(xué)生自主選擇合適的傳感器，檢驗(yàn)酵母菌無(wú)氧呼吸是否有其他產(chǎn)物?

3.4 分組與實(shí)驗(yàn) ①將學(xué)生分為6組，每組4人。每位學(xué)生領(lǐng)取一份由教師事先準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)記錄表。②連接傳感器、數(shù)據(jù)采集器和電腦，預(yù)熱溶解氧傳感器約5 min。③取100 mL錐形瓶1個(gè)，分別將40 mL活化后的酵母菌加入到60 mL、0.1 g/mL葡萄糖溶液中，水浴鍋溫度設(shè)置為27℃。④將錐形瓶同時(shí)接入二氧化碳和溶解氧傳感器，每組錐形瓶均用透明膠帶密封，如圖3所示。⑤與此同時(shí)打開軟件，測(cè)定酵母菌懸液中溶解氧的濃度變化和酵母菌產(chǎn)生的二氧化碳量。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并與預(yù)測(cè)做對(duì)比進(jìn)行分析。

圖3 溶解氧傳感器和二氧化碳傳感器

4 結(jié)果與討論

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 如圖4、圖5所示，從溶解氧的曲線圖中可知，溶解氧的含量持續(xù)下降，直至一個(gè)較低水平時(shí)不再變化。這與許多學(xué)生作出的“瓶中的氧氣在細(xì)胞呼吸中會(huì)被耗盡”的預(yù)期并不相符，可見有氧呼吸雖然消耗氧氣，但過低的氧氣并不能被酵母菌吸收利用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)存在一個(gè)拐點(diǎn)，當(dāng)氧濃度高于拐點(diǎn)時(shí)，細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸，低于此點(diǎn)則進(jìn)行發(fā)酵。與此同時(shí)，瓶中二氧化碳的量持續(xù)上升，直至最大值，發(fā)酵瓶中二氧化碳濃度保持穩(wěn)定。觀察瓶中溶液，能發(fā)現(xiàn)整個(gè)過程都有氣泡產(chǎn)生。

圖4 溶解氧的濃度變化曲線圖

圖5 二氧化碳含量變化曲線圖

4.2 討論與交流 綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教師指導(dǎo)學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同程度的分析。

問題1：某一時(shí)刻，酵母菌在進(jìn)行何種類型的細(xì)胞呼吸？

從溶解氧的曲線圖（圖4）可直觀地看到其濃度如果下降，說(shuō)明進(jìn)行有氧呼吸；如果溶解氧的濃度不再下降，而二氧化碳繼續(xù)增加，則說(shuō)明酵母菌進(jìn)行不耗氧的酒精發(fā)酵。

問題2：酵母菌的細(xì)胞呼吸方式是怎樣的？

根據(jù)2條曲線的變化，學(xué)生不難得出：酵母菌既可進(jìn)行有氧呼吸又可進(jìn)行酒精發(fā)酵，屬于兼性厭氧菌。

問題3：酵母菌無(wú)氧呼吸的產(chǎn)物中除了二氧化碳，還有酒精嗎？如何驗(yàn)證？

有的學(xué)生認(rèn)為可用酸性重鉻酸鉀定性檢測(cè)，也有的選擇用乙醇傳感器定量測(cè)定。結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)初期沒有乙醇產(chǎn)生，100 s左右才開始產(chǎn)生，再比較圖4，氧氣濃度較低時(shí)，酵母菌開始進(jìn)行酒精發(fā)酵，此時(shí)產(chǎn)生酒精，說(shuō)明酵母菌在缺氧時(shí)，呼吸作用的產(chǎn)物還有酒精。此外，結(jié)合以上3條曲線所示的每一時(shí)刻二氧化碳的產(chǎn)生量，溶解氧的消耗量及酒精含量，教師還可引導(dǎo)學(xué)生計(jì)算酵母菌在某一時(shí)刻酒精發(fā)酵和有氧呼吸的強(qiáng)度。

5 課后拓展與再探究

在對(duì)曲線數(shù)據(jù)分析時(shí)，由于興趣濃厚，學(xué)生提出了許多可進(jìn)一步探究的問題，例如“不同培養(yǎng)溫度對(duì)酵母菌呼吸速率的影響”，以下就是學(xué)生利用二氧化碳傳感器在不同的條件下檢測(cè)酵母菌呼吸強(qiáng)度所得出的結(jié)果（圖6）。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，溫度在35℃左右的條件下，安琪酵母發(fā)酵完成所用的時(shí)間最短。另有學(xué)生探究“酵母菌呼吸強(qiáng)度與糖的種類的關(guān)系”，其中包括葡萄糖、乳糖、果糖和蔗糖。利用二氧化碳傳感器得出，酵母菌利用葡萄糖的效率最高，利用乳糖的效率最低（圖7）。

圖6 酵母菌呼吸強(qiáng)度與溫度的關(guān)系

圖7 酵母菌呼吸強(qiáng)度與糖的種類的關(guān)系

6 教學(xué)反思

6.1 優(yōu)選實(shí)驗(yàn)材料 在干酵母生產(chǎn)過程中添加了山梨醇酐單硬脂酸酯（SMS），主要起保護(hù)作用。有研究表明呼吸作用完成后，經(jīng)重鉻酸鉀濃硫酸溶液檢測(cè)，原本有氧呼吸是不產(chǎn)生酒精的，但是培養(yǎng)液變成了灰綠色，因?yàn)楦山湍钢泻蠸MS。使用純酵母（實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)，按10%比例稀釋）的對(duì)比實(shí)驗(yàn)顯示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期完全相符。因此本實(shí)驗(yàn)選擇純酵母作為實(shí)驗(yàn)菌種更具說(shuō)服力，只是實(shí)驗(yàn)室純酵母細(xì)胞呼吸作用的時(shí)間稍長(zhǎng)，且需解決在實(shí)驗(yàn)室提前培養(yǎng)純酵母菌種等問題。

6.2 課前進(jìn)行培訓(xùn)，嚴(yán)格檢查裝置的氣密性 在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，有些學(xué)生的檢測(cè)結(jié)果并不理想，究其原因是因?yàn)樵谶B接裝置時(shí)，沒有仔細(xì)檢查裝置的氣密性。雖然三通接頭的口徑和二氧化碳傳感器檢測(cè)部位的直徑基本相等，但由于有的學(xué)生連接時(shí)不夠細(xì)心，導(dǎo)致接頭處的連接比較松動(dòng)，有的學(xué)生沒有用透明膠帶進(jìn)行二次密封，導(dǎo)致在實(shí)驗(yàn)過程中曲線不夠平滑等問題。對(duì)于這一問題，教師應(yīng)提高學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)踏實(shí)的科學(xué)探究意識(shí)，并提前對(duì)學(xué)生進(jìn)行操作培訓(xùn)，以求達(dá)到更好的效果。

主要參考文獻(xiàn)

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