“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)分析

摘 要： “探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”是人教版高中生物必修1《分子與細(xì)胞》，第五章第三節(jié)：“ATP的主要來源——細(xì)胞呼吸”中的探究性實(shí)驗(yàn)。充分利用此實(shí)驗(yàn)，可提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、實(shí)施實(shí)驗(yàn)的能力。高考命題中重視考查學(xué)生的綜合能力和科學(xué)思維，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)生物科學(xué)的興趣，培養(yǎng)實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，幫助學(xué)生形成正確的價(jià)值觀，促進(jìn)學(xué)生德、智、體、美、勞全面發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 酵母菌;細(xì)胞;呼吸方式;裝置;改進(jìn)

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》提出，生物課程設(shè)計(jì)的宗旨是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)。學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。生物學(xué)科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任。本節(jié)課筆者以探究酵母菌的細(xì)胞呼吸方式為例，在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)的過程中，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)自然現(xiàn)象和規(guī)律的求知欲和好奇心，掌握科學(xué)探究的基本方法和思路，提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力;在探究中，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作和勇于創(chuàng)新的精神。筆者在本節(jié)課的教學(xué)中著重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究。

“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”是人教版高中生物必修1《分子與細(xì)胞》，第五章第三節(jié)：“ATP的主要來源——細(xì)胞呼吸”中的探究性實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在學(xué)習(xí)細(xì)胞呼吸之前進(jìn)行此實(shí)驗(yàn)，可以了解有氧呼吸和無氧呼吸的生成產(chǎn)物和條件，并為后面學(xué)習(xí)無氧呼吸和有氧呼吸的過程、原理、影響因素、應(yīng)用等知識(shí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在探究過程中，可以幫助學(xué)生體會(huì)探究實(shí)驗(yàn)的一般流程：提出問題—做出假設(shè)—設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)—進(jìn)行實(shí)驗(yàn)—結(jié)論、交流和應(yīng)用。提高了學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的檢測(cè)，可以幫助學(xué)生了解酵母菌無氧呼吸和有氧呼吸的結(jié)果、產(chǎn)物鑒定，提高了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。另外，本實(shí)驗(yàn)可以為學(xué)生學(xué)習(xí)選修1《生物技術(shù)實(shí)踐》專題一課題一中果酒制作的原理打下基礎(chǔ)。

高考命題中重視考查學(xué)生的綜合能力和科學(xué)思維，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)生物科學(xué)的興趣，培養(yǎng)實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，幫助學(xué)生形成正確的價(jià)值觀，促進(jìn)學(xué)生德、智、體、美、勞全面發(fā)展。本節(jié)課在教學(xué)中，如果按照教材中提供的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)時(shí)間需要8～10小時(shí)，難以在課堂中開展，實(shí)驗(yàn)效果也不是很理想。因此，在實(shí)際教學(xué)中大多數(shù)教師只是講解實(shí)驗(yàn)，使這個(gè)非常重要的探究性實(shí)驗(yàn)失去了意義。筆者對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，創(chuàng)新了裝置，重新設(shè)計(jì)了教學(xué)過程，利用小組對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方法，取得了較好的教學(xué)效果。

一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

（一）知識(shí)目標(biāo)

1. 了解酵母菌的生物分類，即單細(xì)胞真菌，真核生物，代謝類型。

2. 說出酵母菌進(jìn)行無氧呼吸和有氧呼吸的產(chǎn)物。

3. 舉例說出細(xì)胞呼吸原理在日常生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用。

（二）能力目標(biāo)

1. 能控制實(shí)驗(yàn)條件，動(dòng)手組裝不同的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)。

2. 能根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析并提出問題，然后設(shè)計(jì)具體可行的實(shí)驗(yàn)方案。

3. 能根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，提高運(yùn)用語言表達(dá)能力。

4. 能對(duì)異常現(xiàn)象嘗試分析原因，培養(yǎng)批判性思維能力。

（三）情感目標(biāo)

1. 學(xué)習(xí)探究實(shí)驗(yàn)的方法，建立正確科學(xué)的價(jià)值觀。

2. 參與小組合作，總結(jié)和分享實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

二、 實(shí)驗(yàn)原理及設(shè)計(jì)思路

（一）實(shí)驗(yàn)原理

酵母菌是真核生物，單細(xì)胞真菌，代謝類型為異養(yǎng)兼性厭氧型，因此在有氧和無氧條件下都能生存，它是研究細(xì)胞呼吸的不同方式較好的材料。酵母菌在平常生活中應(yīng)用很廣泛，可以加入面粉中做饅頭、面包，也可以釀酒，學(xué)生可以根據(jù)生活實(shí)例，聯(lián)系本實(shí)驗(yàn)，思考酵母菌細(xì)胞呼吸的條件和產(chǎn)物。

（二）設(shè)計(jì)思路

酵母菌在無氧條件下產(chǎn)生酒精，在有氧和無氧條件下都能產(chǎn)生二氧化碳。

三、 教材和本次改進(jìn)用到的實(shí)驗(yàn)器材

“安琪”高活性干酵母菌、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 % 的NaOH溶液、一次性大頭針、5 % 葡萄糖溶液、橡膠軟管、體積分?jǐn)?shù)為3 % 的H2O2溶液、一次性注射器、橡皮球、20mL試管、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20 % 的肝臟研磨液、澄清的石灰水、溴麝香草酚藍(lán)水溶液、濃硫酸、重鉻酸鉀、錐形瓶等。

四、 實(shí)驗(yàn)中的創(chuàng)新之處及改進(jìn)方法

（一）實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備

1. 提前布置預(yù)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)基本原理。

（1）本實(shí)驗(yàn)的自變量、因變量、無關(guān)變量是什么？如何排除無關(guān)變量？本實(shí)驗(yàn)分幾組？

（2）怎樣保證酵母菌在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中能正常生活？

（3）怎樣鑒定有無酒精產(chǎn)生？有無CO2產(chǎn)生？如何比較CO2產(chǎn)生的多少？

（4）怎樣控制有氧和無氧條件？有沒有更好的方法？

2. 培訓(xùn)小組組長(zhǎng)，讓其了解實(shí)驗(yàn)基本過程及注意事項(xiàng)。

3. 小組長(zhǎng)進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)。

（二）酵母菌進(jìn)行有氧呼吸裝置的改進(jìn)

教材中的實(shí)驗(yàn)裝置（圖1）：

B瓶?jī)?nèi)為酵母菌培養(yǎng)液;A瓶為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 % 的NaOH溶液，作用是吸收空氣中的二氧化碳;C瓶為澄清的石灰水，用于檢測(cè)酵母菌細(xì)胞呼吸產(chǎn)生的二氧化碳。

有氧呼吸裝置的改進(jìn)（圖2）：

在教材所給的有氧裝置中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 % 的NaOH溶液，是否將空氣中的二氧化碳除盡了？澄清的石灰水變渾濁是否會(huì)因?yàn)榭諝庵袥]有除盡的二氧化碳造成的？學(xué)生設(shè)計(jì)了圖2裝置。在NaOH溶液和酵母菌培養(yǎng)液之間加一個(gè)裝有澄清的石灰水的錐形瓶，用于檢測(cè)空氣中的二氧化碳是否除盡，使實(shí)驗(yàn)更加嚴(yán)謹(jǐn)。

（三）自變量氧氣的控制

教材中的有氧呼吸裝置連通橡皮球（或氣泵），將空氣依次間歇性地通過裝有氫氧化鈉、酵母菌的培養(yǎng)液、澄清的石灰水的三個(gè)錐形瓶（約50分鐘）。然后將實(shí)驗(yàn)裝置放到25～35度的環(huán)境中培養(yǎng)8～10小時(shí)。如果課堂進(jìn)行此實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，不易實(shí)施。對(duì)此，筆者進(jìn)行改進(jìn)，不但縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，而且可以讓學(xué)生在課堂上設(shè)計(jì)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

改進(jìn)：

在酵母菌培養(yǎng)液上連接產(chǎn)生氧氣的裝置。取一個(gè)錐形瓶加入過氧化氫溶液。錐形瓶上端連接醫(yī)用注射器或者分液漏斗，注射器或者分液漏斗里面加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20 % 的新鮮肝臟研磨液。通過控制注射器的活塞桿或分液漏斗，將肝臟研磨液加入含過氧化氫的錐形瓶，過氧化氫酶催化H2O2分解產(chǎn)生氧氣，氧氣通入含酵母菌培養(yǎng)液的錐形瓶，來代替氣泵充氣。既節(jié)約時(shí)間又能保證有氧條件，還能防止無關(guān)變量的影響。

（四）酵母菌進(jìn)行無氧呼吸裝置的改進(jìn)

教材中的無氧裝置是將酵母菌培養(yǎng)液連接裝有澄清的石灰水的錐形瓶，根據(jù)澄清石灰水的渾濁程度，判斷二氧化碳的產(chǎn)生情況。教材中用的方法是將裝置放置一段時(shí)間消耗瓶中原有的氧氣，但放置的時(shí)間不好把握。

無氧呼吸裝置改進(jìn)：

1. 將裝有酵母菌培養(yǎng)液的錐形瓶中通入惰性氣體氮?dú)饣蛘弑砻嬗靡后w石蠟液封，隔絕空氣，保證單一變量，以排除錐形瓶中的空氣對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

2. 實(shí)驗(yàn)中也可以用注射器將無氧呼吸裝置抽成真空狀態(tài)，這樣可以較快達(dá)到無氧狀態(tài)，縮短實(shí)驗(yàn)的時(shí)間。

（五）配置葡萄糖溶液用40度左右溫水

由于此實(shí)驗(yàn)大概在11月進(jìn)行，氣溫較低，用40度溫水配置葡萄糖溶液可以縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，在短時(shí)間可觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。配置葡萄糖溶液用40度左右溫水，并用恒溫水浴鍋加熱，將溫度設(shè)置為35～38度。加快反應(yīng)速度，縮短反應(yīng)時(shí)間。

（六）酵母菌的選擇

通過使用不同的酵母菌進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)選用“安琪”高活性干酵母進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果明顯、發(fā)酵快。

五、 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

教師強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)需要注意事項(xiàng)后，全體學(xué)生在組長(zhǎng)的帶領(lǐng)下，學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一組用教材中的裝置，其他組用改進(jìn)后的裝置開始實(shí)驗(yàn)。學(xué)生需要仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教師巡視，觀察每組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)操作不規(guī)范的地方及時(shí)指導(dǎo)。每組分別匯報(bào)實(shí)驗(yàn)情況，生生間進(jìn)行交流。

六、 分析結(jié)果，得出結(jié)論

學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，可觀察到：有氧呼吸裝置中澄清的石灰水先變渾濁，無氧呼吸裝置中澄清的石灰水后變渾濁且渾濁程度低。

從有氧裝置中取出的液體加入酸性重鉻酸鉀還是橙色，無氧呼吸裝置取出的液體加入酸性重鉻酸由橙色變灰綠色。

可得出結(jié)論：酵母菌無氧呼吸能產(chǎn)生酒精;酵母菌有氧條呼吸和無氧呼吸都能產(chǎn)生CO2，且有氧呼吸產(chǎn)生的多。

存在問題：

1. 在鑒定中有一組學(xué)生取了有氧呼吸裝置的酵母菌培養(yǎng)液中的液體進(jìn)行酒精鑒定，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵液也從橙色變成了灰綠色，這是怎么回事呢？教師引導(dǎo)學(xué)生如實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并分析實(shí)驗(yàn)原因。

學(xué)生討論并分析原因：

可能由于反應(yīng)時(shí)間短，瓶?jī)?nèi)氧氣不足造成部分酵母菌進(jìn)行無氧呼吸產(chǎn)生酒精導(dǎo)致。

2. 生生互助、糾正操作錯(cuò)誤

①取試劑的量一般是兩毫升，但是學(xué)生取了半試管;②有氧和無氧裝置中取出液體的量不相等，未遵循等量原則;③滴加試劑的方法不對(duì)，存在貼壁滴加問題等。

3. 實(shí)驗(yàn)前必須檢驗(yàn)裝置的氣密性

在學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中有兩組學(xué)生實(shí)驗(yàn)失敗，分析原因發(fā)現(xiàn)是裝置的氣密性不嚴(yán)，導(dǎo)致細(xì)胞呼吸產(chǎn)生的CO2沒有全部通入澄清的石灰水中。

4. 課堂生成的問題

有人認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)裝置中酒精和二氧化碳的產(chǎn)生是葡萄糖水溶液的純化學(xué)反應(yīng)，與酵母菌無關(guān)。如何駁斥這個(gè)觀點(diǎn)？這些問題引發(fā)了學(xué)生進(jìn)一步的思考。

七、 實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

在本節(jié)課的教學(xué)中，將課本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后，能讓學(xué)生在課堂上完成這種復(fù)雜實(shí)驗(yàn)過程并親自體驗(yàn)，檢測(cè)到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，大大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)生動(dòng)腦動(dòng)手操作能力。學(xué)生通過討論、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、展示交流、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、相互評(píng)價(jià)、取長(zhǎng)補(bǔ)短、不斷完善等方式實(shí)現(xiàn)思維碰撞，使學(xué)生真正成了課堂的主人。

參考文獻(xiàn)：

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[4]劉翠麗.“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)”[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2016.

作者簡(jiǎn)介：? 李敏，新疆維吾爾自治區(qū)庫(kù)爾勒市，新疆第二師華山中學(xué)。