“影響酵母菌細(xì)胞呼吸的因素”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

張欣欣 李明娥

（1北京市延慶區(qū)第五中學(xué) 北京 102100 2北京市延慶區(qū)教育科學(xué)研究中心 北京 102100）

《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于“探究細(xì)胞呼吸的原理及應(yīng)用”的要求需達(dá)到理解水平［1］，受學(xué)生認(rèn)知程度和生活常識(shí)的限制，對(duì)于細(xì)胞呼吸的應(yīng)用不能更好地理解，課程的基本理念要求以實(shí)驗(yàn)探究為主線(xiàn)，注重與實(shí)際生活相聯(lián)系，而“影響細(xì)胞呼吸的因素”實(shí)驗(yàn)探究分析有助于學(xué)生理解細(xì)胞呼吸的應(yīng)用，同時(shí)該實(shí)驗(yàn)是新課程標(biāo)準(zhǔn)下增設(shè)的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，在對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程既培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手操作能力、綜合分析能力，又有助于學(xué)生創(chuàng)新思維的形成。

1 實(shí)驗(yàn)原理

通過(guò)記錄裝有菌液的氣球隨時(shí)間的變化使燒杯中溶液液面高度發(fā)生變化，反映菌體細(xì)胞呼吸的類(lèi)型和產(chǎn)生氣體體積的變化。

2 實(shí)驗(yàn)用具及材料

酵母菌、乳酸菌、葡萄糖，蒸餾水，水浴鍋、氣球、氣門(mén)、氣針、燒杯、量筒、玻璃棒、溫度計(jì)、直尺、改良的注射器20mL（注射器去針頭后與氣針鏈接，用封口膜封住連接處）、改良的氣塞（氣塞中間打孔后塞進(jìn)氣門(mén)）（圖1）。

圖1 改良的實(shí)驗(yàn)用具

3 實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化

3.1 實(shí)驗(yàn)操作步驟

1）配置100 mL 5%的葡萄糖溶液置于200 mL的燒杯中，然后置于40℃的水浴鍋中水浴使葡萄糖溶液溫度達(dá)到40℃（溫度計(jì)測(cè)量）。

2）將1 g酵母菌溶解于100 mL 5%的葡萄糖溶液中，攪拌均勻，使酵母菌活化，配制成酵母菌培養(yǎng)液（相同溫度水?。?。

3）用改良后的注射器將100 mL酵母菌培養(yǎng)液注入安裝好改良?xì)馊臍馇颍▋?nèi)加重物，如砝碼）中，排凈氣球內(nèi)的氣體后用細(xì)線(xiàn)封口。

4）做好的裝有酵母菌培養(yǎng)液的氣球，放入在40℃水浴鍋中水浴的燒杯中，燒杯外壁粘一直尺（圖2），記錄初始的液面高度，并每間隔 1 min記錄一次液面高度，繪制坐標(biāo)曲線(xiàn)。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置

3.2 實(shí)驗(yàn)探究因素

1）用上述同樣的方法驗(yàn)證乳酸菌、醋酸菌無(wú)氧呼吸產(chǎn)物。

2）通過(guò)改變水浴鍋的溫度可探究溫度對(duì)細(xì)胞呼吸的影響。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3 酵母菌的細(xì)胞呼吸

圖3是溫度在40℃條件下，隨時(shí)間變化該裝置中液面上升的高度情況的3組重復(fù)實(shí)驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，3~4 min液面高度不變，分析此時(shí)間段內(nèi)酵母菌培養(yǎng)液中含有溶解氧，酵母菌進(jìn)行有氧呼吸，吸入的O2體積與釋放的CO2體積相同，故液面高度無(wú)變化；3~7 min液面高度開(kāi)始緩慢上升，因O2含量逐漸減少，酵母菌有氧呼吸減弱，無(wú)氧呼吸開(kāi)始并逐漸增強(qiáng)；7 min以后酵母菌完全進(jìn)行無(wú)氧呼吸，產(chǎn)生酒精和CO2。這樣可分析隨著O2濃度減少，酵母菌呼吸類(lèi)型是如何轉(zhuǎn)變的，為以往實(shí)驗(yàn)方法的逆向分析。

圖4 溫度對(duì)酵母菌呼吸速率的影響

圖4研究溫度對(duì)酵母菌呼吸速率的影響，分別為室溫、40℃、60℃條件下，從圖中可知40℃時(shí)液面上升高度最快，此溫度下酵母菌呼吸速率最大，若想確定酵母菌呼吸的最適溫度，可逐步縮小溫度差進(jìn)行確認(rèn)。

5 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)

以影響細(xì)胞呼吸的因素之一O2濃度為例，教材中沒(méi)有提供該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理、相關(guān)的參考資料，而相關(guān)的教輔資料中會(huì)涉及到O2濃度對(duì)酵母菌呼吸類(lèi)型影響的實(shí)驗(yàn)（圖5），該實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生理解酵母菌的代謝類(lèi)型，分析O2濃度對(duì)細(xì)胞呼吸的影響有重要作用，在教學(xué)調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，許多教師對(duì)該實(shí)驗(yàn)教學(xué)僅存留在挖掘材料中相關(guān)生物學(xué)認(rèn)識(shí)的層面上，有的根本不組織學(xué)生做該實(shí)驗(yàn)，只是帶著學(xué)生讀教材、做習(xí)題而已。一是該實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)裝置難以解決，一些學(xué)校實(shí)驗(yàn)室不具備實(shí)驗(yàn)所需的O2傳感器和CO2傳感器；二是該實(shí)驗(yàn)完成時(shí)間長(zhǎng)，操作步驟繁瑣，因此受課時(shí)的限制，許多教師在保證完成教學(xué)任務(wù)的前提下選擇不做實(shí)驗(yàn)。

圖5 O2濃度對(duì)酵母菌呼吸類(lèi)型的影響［5］

本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用改進(jìn)裝置對(duì)酵母菌呼吸方式的探究進(jìn)行定量分析，雖然實(shí)驗(yàn)材料、器具簡(jiǎn)單，但觀察更直觀，檢測(cè)手段更加可行，極大縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間。一個(gè)裝置可探究不同因素對(duì)不同實(shí)驗(yàn)材料細(xì)胞呼吸的影響：①探究溫度對(duì)呼吸速率的影響；②探究O2濃度對(duì)呼吸速率的影響；③探究不同菌種的呼吸代謝類(lèi)型（乳酸菌、醋酸菌）。能讓學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)原理，有助于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力和綜合分析能力。

6 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

1）實(shí)驗(yàn)前要先檢查氣球的密閉情況，避免實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)漏液、漏氣現(xiàn)象；

2）往氣球內(nèi)注射酵母菌培養(yǎng)液，拔出氣針時(shí)要注意氣門(mén)是否閉合；

3）酵母菌呼吸產(chǎn)生氣體后氣球會(huì)浮出水面，注意加重物質(zhì)量；

4）受視覺(jué)狀況影響，不同人讀取數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)不同，要注意讀數(shù)的準(zhǔn)確性。

7 實(shí)驗(yàn)教學(xué)傳遞的重要概念

本節(jié)內(nèi)容從《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)》的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)看，屬于“細(xì)胞的代謝”主題，具體要求為：說(shuō)明細(xì)胞呼吸，探究其原理和應(yīng)用［1］。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展有助于學(xué)生更好地理解主動(dòng)運(yùn)輸、新陳代謝與ATP等與該部分內(nèi)容有密切聯(lián)系的知識(shí)，為學(xué)生學(xué)習(xí)其他生命活動(dòng)及規(guī)律奠定基礎(chǔ)。對(duì)學(xué)生理解細(xì)胞呼吸的類(lèi)型及關(guān)系有所幫助，更能聯(lián)系實(shí)際生活，學(xué)會(huì)運(yùn)用細(xì)胞呼吸原理解決生活中一些簡(jiǎn)單的生物學(xué)問(wèn)題。

細(xì)胞呼吸是一個(gè)微觀的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用簡(jiǎn)單的改進(jìn)裝置幫助學(xué)生分析影響細(xì)胞呼吸的因素，將微觀的變化通過(guò)更加簡(jiǎn)便的宏觀方式加以體現(xiàn)，幫助學(xué)生增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)，在教學(xué)中通過(guò)組織探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)、控制單一變量原則等，學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，領(lǐng)悟科學(xué)研究的方法并習(xí)得相關(guān)的操作技能，從而培養(yǎng)生物學(xué)科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新精神。