中、美教材呼吸作用相關實驗的比較研究及啟示*

王麗娟 郭琪琦 劉家熙

（1魯東大學生命科學學院 山東煙臺 264025 2深圳市第二實驗學校 廣東深圳 518021 3首都師范大學生命科學學院 北京 100048）

生物學實驗是生物學科重要的科學研究活動之一。通過實驗教學，可以幫助學生理解和掌握生物學重要概念，形成科學態(tài)度與習慣，尤其培養(yǎng)學生的觀察能力、實驗操作能力、科學探究能力和運用所學知識解決生物學實際問題的能力，以提升學生的生物科學素養(yǎng)。因此，本文以山東科學技術出版社（以下簡稱山科版）初中生物學教材中呼吸作用相關實驗為例，通過借鑒美國《普通生物學實驗手冊》中的實驗指導［1］，希望為我國中學生物學實驗設計的改進、實驗教學資源開發(fā)和實驗拓展、開辟第二課堂等提供參考。

山科版生物學教材在植物、人體、動物及細菌和真菌的教學內容中安排了與呼吸作用相關的實驗，具體見表1。

表1 呼吸作用相關實驗

1 植物有氧呼吸生成二氧化碳實驗的比較

中、美教材在“植物有氧呼吸生成二氧化碳”實驗內容見表2。美國教材實驗中比較活種子（萌發(fā)、未萌發(fā)）和死種子（煮熟的萌發(fā)種子）3類種子的實驗設計，更加全面和嚴謹。用稀釋的苯酚紅溶液的顏色反應與山科版的幾個實驗中都用石灰水檢測二氧化碳的有無，沒有優(yōu)劣之分，不過，針對同一種物質適當采用不同檢測方法，使生物學與化學、物理等學科的知識和方法整合，是否更利于培養(yǎng)學生的開放性思維？此外，實驗討論體現出美國實驗教學更重視引導學生開展科學探究，鼓勵學生大膽預測、推論和假設。

表2 中、美教材中有關“植物有氧呼吸生成二氧化碳實驗”的比較

2 植物有氧呼吸消耗氧氣實驗的比較

在“綠色植物的呼吸作用消耗氧氣”實驗中，山科版利用萌發(fā)的種子和煮熟的種子進行呼吸作用對比，用蠟燭的燃燒情況檢測氧氣含量的變化。本實驗操作簡單，現象明顯，學生能夠直觀地觀察并推測呼吸作用消耗氧氣。本實驗是定性實驗，美國教材中氧氣消耗的定量實驗可以為我國開展實驗拓展或第二課堂提供借鑒。主要實驗過程如下：

1）組裝一套體積計裝置（見圖1）。

圖1 氧氣消耗實驗裝置

2）1號、2號、3號試管中分別裝入80粒發(fā)芽豌豆種子、干種子和玻璃珠、玻璃珠，3個試管中所裝材料體積等同。由于溫度和氣壓會對密閉試管中氣體壓力產生影響，3號試管相當于一個溫壓表，它的作用是作為對照，修正實驗數據，說明實驗中溫度和氣壓引起的體積改變。

3）量取 1 cm3（約 1/4匙）KOH 小丸，倒在非脫脂棉團上。此體積計用于計量氧氣的體積變化，呼吸釋放的氣體必須全部去除，以保證對氧氣消耗測量的準確性。

4）用滴管在側臂管的末端，加入一小滴標記液，液滴因毛細作用進入側臂。慢慢拉動注射器柱塞，調整液滴使其位于刻度管0.8～0.9 cm刻度之間。

5）記錄3個側臂管內標記液滴所在位置的刻度，每隔5 min記錄一次，直至60 min。追蹤標記液滴的位置變化是正（朝向試管移動）還是負(遠離試管移動）。假如有氧呼吸速率過快，標記液滴移近刻度管末端無法讀取讀數，小心拉動注射器調整標記液滴位置，使其仍然位于刻度移液管的0.8～0.9 cm位置，并記錄。每隔5 min記錄讀數。

6）前一個讀數減去后一個讀數，為每個樣本中試管內氣體體積的變化。每個氣體體積變化與前一個變化之和，為累積的氣體的體積變化（累積的氧氣消耗量）。

7）實驗結束后，用溫壓表（即3號試管）讀數修正因溫度和氣壓造成的體積變化。溫壓表的標記液滴移向試管（容積量下降），試管1和試管2的氧氣消耗總量減去體積變化；溫壓表標記遠離試管（容積上升），試管1和2的氧氣消耗總量加上體積變化。

8）繪制整個實驗過程的氧氣消耗曲線圖(圖2)。

圖2 氧氣消耗曲線圖

提出問題：發(fā)芽和未發(fā)芽種子的呼吸速率有何差異？你如何解釋這種差異？1 g葡萄糖完全氧化需要消耗820 cm3氧氣，計算：每小時80粒發(fā)芽豌豆種子呼吸消耗多少葡萄糖？（1 cm3=1 mL）

分析發(fā)現，本實驗設計非常嚴謹，尤其是使用玻璃珠保證3組實驗材料體積相等、第3組溫壓表作對照去除氣體壓力對實驗數據的影響、KOH去除二氧化碳，體現實驗設計的科學性、控制性和對照性原則，有利于學生學習實驗設計方法和養(yǎng)成一絲不茍、嚴謹治學的科學態(tài)度。而且，通過精確測量和記錄氧氣消耗量的實驗數據，繪制氧氣消耗曲線圖，計算種子呼吸消耗葡萄糖的量，不僅能客觀地驗證呼吸作用消耗氧氣，進行呼吸速率的比較，而且將數學與生物學相結合，加強了學生開展測量與統(tǒng)計、搜集證據、進行解釋和推理等科學方法和科學思維能力的訓練。

3 酵母菌發(fā)酵實驗的比較

山科版教材以簡易、有效的演示實驗展現酵母細胞進行細胞呼吸分解葡萄糖，生成的二氧化碳使套在瓶口擠癟的氣球膨脹。同時通過討論和探究教學使學生理解制作饅頭、面包、酸奶、泡菜等的生物學原理。教材中也提到：有的真菌如酵母菌可將葡萄糖轉化為酒精并產生二氧化碳，學生可能會思考：家庭制作面包和饅頭的原料——面粉中主要是淀粉，酵母菌是否可以分解淀粉？美國教材中用發(fā)酵管（圖3）進行發(fā)酵實驗可以提供參考。實驗主要過程如下：

1）3個50 mL燒杯分別注入15 mL 10%的葡萄糖溶液、15 mL 1%的淀粉溶液、15 mL 1%的淀粉溶液+5 mL 0.5%的淀粉酶溶液。

2）5 min后，每個燒杯放入0.5 g鮮酵母塊，用玻璃棒攪拌均勻并分別注入3個發(fā)酵管中。分別用拇指堵住發(fā)酵管開口并倒置，使發(fā)酵管尾部充滿溶液。

3）記下每個發(fā)酵管中氣體產生量的預測結果。將3個發(fā)酵管放至37℃恒溫箱中培養(yǎng)。

4）培養(yǎng)開始后的 20 min、40 min和 60 min時分別移出每個發(fā)酵管，用米尺測量尾部頂端到液面的距離。

計算氣體產生量的公式：V=πr2h，π=3.14，r為發(fā)酵管尾部的半徑，即1/2直徑。h為發(fā)酵管尾部頂端到液面的距離。

思考：實驗結果與你的預測結果一致嗎？如果不一致，推測原因。哪種氣體積聚在發(fā)酵管尾部？

圖3 座式發(fā)酵管

說明：座式發(fā)酵管是檢測酵母菌和細菌等微生物發(fā)酵作用及產生氣體的器具。它是一個U形管，封閉的一側有刻度，可以讀取產氣量。此器具被廣泛用于測定產氣量。根據發(fā)酵管的結構，教師可以嘗試自制，也可購買。

4 魚的呼吸實驗的比較

山科版教材“魚的呼吸”實驗是觀察墨汁流動與魚的口和鰓蓋后緣交替張合的關系，理解魚用鰓呼吸。基于這個基礎實驗，可以借鑒美國教材“探究溫度對生物呼吸作用的影響”進行實驗拓展。

魚的一個呼吸周期內完成與環(huán)境間氣體交換的過程是：富含溶解氧的水流入魚的口，接著魚的口閉合，水流被壓入并流經鰓絲。水中的溶解氧擴散到鰓絲的毛細血管中，進入血液。而呼吸作用的產物二氧化碳，則從流經鰓絲的血液中擴散出來，進入水中。鰓蓋打開，富含二氧化碳的水離開鰓室，呼吸周期完成。通過觀察魚類（變溫動物）的鰓蓋運動（即鰓動頻率），將確定溫度對呼吸速率和相關代謝率的影響（參考表3）。本實驗測試的假設是，魚的呼吸速率隨溫度的變化而變化。通過拓展實驗與日常生活相結合，可以培養(yǎng)學生的學習興趣，直觀地感知和理解呼吸作用受多種因素的影響。

表3 魚的鰓蓋交替張合隨溫度的變化

5 美國生物學實驗對我國實驗教學的啟示

5.1 關注學生的生物學科學素養(yǎng)的培養(yǎng) 從美國呼吸作用相關實驗教學看，非常注重假設、推理等科學方法和理性思維能力，在實驗設計方面體現嚴謹性和科學性，例如嚴密設計的對照實驗、實驗中無關變量或影響因素的去除或數據的修正等。生物學實驗教學是生物學教學整體中不可分割的有機組成部分，對提升學生的生物科學素養(yǎng)發(fā)揮著重要的作用。在生物學實驗教學活動中，確立具體、明確、清晰的教學目標是完成教學任務、保證教學質量的前提。生物學實驗教學不僅應達成知識性的認知目標，還應重點關注科學方法及各種技能和綜合能力的操作目標，以及嚴謹的科學態(tài)度、實事求是的工作作風和興趣、習慣等情感目標。

5.2 突出科學探究和基于STEM的教育 從美國教材幾個實驗看，教學中非常關注學生科學探究意識的培養(yǎng)。例如每個實驗教學中首先提出“你的預測或假設是什么”，實驗后討論“是否與你的預測和假設相符，為什么”等。由于發(fā)酵現象在日常生活中常見，發(fā)酵工程在工業(yè)、農業(yè)、食品和環(huán)境中也廣泛應用，許多學生對親自動手制作家庭手工食品如面包、酸奶等非常感興趣，而且有的教師甚至在課堂上指導學生制作食品。學生往往會在應用和實踐中產生生物學問題，例如不同酵母對面團發(fā)酵特性及饅頭品質的影響，酵母對于各種碳水化合物的發(fā)酵性的差異等。教師需要針對學生的某些生物學問題進行生物學實驗資源的開發(fā)，引領學生開展實驗探究自主解決問題。

相比較而言，美國教材呼吸作用實驗中定量實驗更多，更強調生物科學與生活、生物科學與數學、生物科學與工程等的交叉和綜合，體現了STS和基于STEM教育的理念。例如氣體產生量的計算、鰓動頻率的統(tǒng)計、氧氣量的曲線圖繪制等的數學基礎知識應用的科－數整合，發(fā)酵工程、食品工程中用到的發(fā)酵管的發(fā)酵檢測的科－工整合。“科學、技術、工程與數學”（science，technology，engineering and mathematics，簡稱 STEM）教育是由美國發(fā)起、主導并正興盛于世界各國的一場教育運動。STEM教育強調跨學科、趣味性、體驗性、情境性、協作性、設計性、藝術性、實證性、技術增強性9個核心理念［2］，STEM教育在包括實驗教學在內的教學實施中，將多學科知識融于有趣、具有挑戰(zhàn)性、與學生生活相關的問題中。“基于項目的學習”（project－based learning，PBL）為 STEM 常采用的一種教學策略，在實驗教學中學生通過明確問題、設計方案、評估方案、實施方案、分析數據和分享反思等活動提出問題、分析問題和解決問題。5.3 注重實驗內容的體系化 中學生物學的每個實驗并不是孤立的，需要從連續(xù)性、系統(tǒng)性的整體角度進行課程設計與教學，掌握相關實驗之間的聯系和區(qū)別。呼吸作用相關實驗本身就是一類實驗體系，初中從植物、動物、人體和微生物的多個角度開展呼吸作用和呼吸作用影響因素的實驗，高中進一步深化開展呼吸作用類型即有氧呼吸和無氧呼吸的實驗，使學生系統(tǒng)地理解呼吸現象和呼吸作用的原理、過程和本質，獲得實驗設計、檢測方法和探究能力、思維能力等的訓練，并在科學精神和科學態(tài)度方面得以滲透和熏陶。因此，在生物學實驗教學中，教師應該用系統(tǒng)的思維設計、開發(fā)、組織和開展不同階段的實驗教學，注重實驗內容的體系化。

［1]JamesW Perry，David Morton，Joy B Perry.Laboratory manual for general biology.5th Edition.Belmont：Thomson Wadsworth，2007：131.

［2]余勝泉，胡翔.STEM 教育理念與跨學科整合模式.開放教育研究，2015，21(4)：13.

［3]李雁冰.教育運動的本質反思與實踐問題.全球教育展望，2014，43(11)：3.

［4]山東科學技術出版社.義務教育教科書（五四學制）：生物學.濟南：山東科學技術出版社，2012.