利用pH傳感器探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式

李培青　郭軍英

摘要 利用pH傳感器對(duì)酵母茵的細(xì)胞呼吸進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，反應(yīng)靈敏，現(xiàn)象直觀;對(duì)得到的數(shù)據(jù)加以定量分析，可以準(zhǔn)確判斷細(xì)胞呼吸的方式。

關(guān)鍵詞 pH傳感器酵母菌 細(xì)胞呼吸 探究實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)G633. 91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

“酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”是人教版生物《必修1.分子與細(xì)胞》第五章第三節(jié)中一個(gè)重要的探究性實(shí)驗(yàn)。酵母菌的細(xì)胞呼吸是一個(gè)溫和的過(guò)程，釋放產(chǎn)物CO2比較緩慢，如果用教材推薦的澄清石灰水檢測(cè)CO2耗時(shí)較長(zhǎng)，且現(xiàn)象不夠明顯。筆者指導(dǎo)學(xué)生借助pH傳感器檢測(cè)因通入CO2而引起Na2CO3溶液的pH靈敏變化，探究細(xì)胞呼吸的方式，進(jìn)而加深學(xué)生對(duì)細(xì)胞呼吸本質(zhì)的理解。

1 實(shí)驗(yàn)背景分析

1.1數(shù)字化手段與生物教學(xué)的融合

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確指出：高中生物課程應(yīng)關(guān)注信息化環(huán)境下的教學(xué)改革，及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容和手段。利用數(shù)字化手段為學(xué)生的生物學(xué)習(xí)搭建新的平臺(tái)，營(yíng)造新的學(xué)習(xí)環(huán)境，豐富傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，優(yōu)化教學(xué)環(huán)節(jié)，有利于引發(fā)學(xué)生的再思考。數(shù)字化信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)的整合已是學(xué)術(shù)界和教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中專(zhuān)家和教師公認(rèn)的基本理念。借助數(shù)字化手段進(jìn)行探究活動(dòng)帶來(lái)的不僅僅是一種經(jīng)歷和體驗(yàn)，更多的是帶給學(xué)生深度學(xué)習(xí)的思考與成長(zhǎng)。

1.2 生物傳感器

生物傳感器原理是以酶、細(xì)胞等生物活性材料為感知元件，通過(guò)換能器將生物反應(yīng)的信息轉(zhuǎn)化成可定量識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。生物傳感器具有特異性強(qiáng)、靈敏度高、簡(jiǎn)單快速等優(yōu)勢(shì)，在食品分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣闊。教師借助現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，可以使枯燥的實(shí)驗(yàn)過(guò)程變得有趣，有利于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)探索、自主探究的創(chuàng)新能力。然而大量的隨機(jī)訪談結(jié)果表明，很多學(xué)生沒(méi)有使用過(guò)傳感器。

1.3 pH傳感器

生物傳感器種類(lèi)較多，如溫度傳感器、CO2傳感器、O2傳感器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例中已有應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)嘗試借助pH傳感器檢測(cè)因通入CO2而引起Na2CO3溶液的pH變化。飽和的Na2CO3呈堿性，當(dāng)CO2通入飽和的Na2CO3溶液中會(huì)發(fā)生反應(yīng)：CO2+Na2CO3+H2O=2NaHCO3。由于NaHCO3的水解程度小于Na2CO3的水解，所以H+濃度增多，故生成的NaHCO3溶液pH減小。實(shí)驗(yàn)證明，該裝置反應(yīng)靈敏，直觀簡(jiǎn)潔，可視性強(qiáng)。

2 實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程

2.1 材料與裝備

發(fā)酵瓶、錐形瓶、燒杯、量筒、市售安琪酵母、蒸餾水、NaOH溶液、飽和Na2CO3溶液、緩沖液（pH 8.0）、精密pH儀、北京友高（YOCO）超級(jí)數(shù)據(jù)采集器、pH傳感器等。

2.2 設(shè)計(jì)探究清單

針對(duì)本探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)切實(shí)可行的探究方案，討論斟酌并最終確定探究清單，既激發(fā)學(xué)生主動(dòng)參與意識(shí)，又發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。

2.3 連接裝置

教師指導(dǎo)學(xué)生連接兩組細(xì)胞呼吸裝置（圖1），連接pH傳感器，檢查密封性，調(diào)試傳感器。

2.4 開(kāi)始預(yù)實(shí)驗(yàn)

配制酵母菌培養(yǎng)液，在A、B瓶的右側(cè)都連接裝有飽和Na2CO3溶液，并連接pH傳感器測(cè)量端的廣口瓶，在B瓶左側(cè)連接有NaOH溶液的廣口瓶，并不斷通入空氣。打開(kāi)采集器電源，將pH傳感器與數(shù)據(jù)采集器相連。在pH為8.0的緩沖溶液中對(duì)pH傳感器進(jìn)行校正，同時(shí)借助精密pH儀進(jìn)行驗(yàn)證，確保初始值的精確度。pH傳感器設(shè)置為每1秒讀取1次數(shù)值（另有小組設(shè)置為每5秒讀取1次數(shù)值），數(shù)據(jù)采集10 min。

2.5 采集數(shù)據(jù)

單擊記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集器開(kāi)始記錄Na2CO3溶液的pH變化。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的實(shí)驗(yàn)后，待pH曲線(xiàn)出現(xiàn)明顯變化后單擊停止記錄。利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能繪制曲線(xiàn)，通過(guò)數(shù)字和圖表等直觀數(shù)據(jù)的分析來(lái)準(zhǔn)確反映定量實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

3 結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

借助友高數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能自動(dòng)生成時(shí)間-pH變化曲線(xiàn)（圖2、圖3），可以直觀呈現(xiàn)酵母菌在有氧和無(wú)氧條件下的CO2生成量存在差別，下面的藍(lán)色曲線(xiàn)（有氧條件）下降相對(duì)更為明顯。在實(shí)驗(yàn)初始階段酵母菌呼吸產(chǎn)生的CO2使得Na2CO3溶液pH值下降，后來(lái)都趨于穩(wěn)定。

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

酵母菌的細(xì)胞呼吸是一個(gè)溫和緩慢的過(guò)程，其中微弱的、瞬時(shí)的物質(zhì)變化可被靈敏的pH傳感器以電信號(hào)形式顯示，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果量化。本探究實(shí)驗(yàn)設(shè)置了兩組讀取參數(shù)，即每Is讀取1次數(shù)值和每5s讀取1次數(shù)值。在相同的時(shí)間（10 min）內(nèi).兩組探究實(shí)驗(yàn)讀取的次數(shù)不同，但是圖2和圖3中呈現(xiàn)的兩種呼吸方式所引起的pH變化曲線(xiàn)幾乎一致。這說(shuō)明在無(wú)關(guān)變量相同且適宜的條件下，有氧呼吸比無(wú)氧呼吸引起的pH變化更明顯，而與讀取參數(shù)的設(shè)置無(wú)關(guān)。此外，外界的溫度、酵母菌的數(shù)量、葡萄糖的含量、飽和Na2CO3溶液的體積都會(huì)影響數(shù)據(jù)采集的有效時(shí)長(zhǎng)。

4 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新感悟

本探究實(shí)驗(yàn)結(jié)合學(xué)校的優(yōu)勢(shì)和教學(xué)的需要，將pH傳感器與數(shù)字化系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與生物學(xué)實(shí)驗(yàn)整合的突破，滿(mǎn)足了學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，符合學(xué)生中心理論。

在中學(xué)教材中酵母菌的細(xì)胞呼吸實(shí)驗(yàn)屬于定性實(shí)驗(yàn)，本探究實(shí)驗(yàn)借助pH傳感器能輕易地根據(jù)pH變化做出準(zhǔn)確的判斷，使學(xué)生領(lǐng)略到定量試驗(yàn)在科學(xué)探究中的重要性。此外，學(xué)生能直觀感受pH傳感器持續(xù)檢測(cè)的精確度高，利用計(jì)算機(jī)處理大量數(shù)據(jù)，定量分析更加科學(xué)。

研究性學(xué)習(xí)小組全程參與，學(xué)生學(xué)在其中，從設(shè)計(jì)探究清單、掌握傳感器的功能、硬件連接方式、數(shù)據(jù)分析軟件的使用等，并對(duì)獲得的信息進(jìn)行加工和應(yīng)用，所以本探究實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，不僅能有效促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的主動(dòng)探索，自主探究的創(chuàng)新能力，還能進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的獲取信息素養(yǎng)，也符合STEM課程的教學(xué)理念。

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