基于PBL 教學(xué)模式的“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

陳靜思

（河北唐山外國語學(xué)校，河北 唐山 063000）

一、一教材分析

“探究酵母細(xì)胞呼吸的方式”是人教版高中生物必修一中的一個(gè)重要的探究性實(shí)驗(yàn)。再此之前學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了“線粒體”和“細(xì)胞的能量通貨——ATP”等相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)以及“探究影響酶活性的條件”的探究性實(shí)驗(yàn)的相關(guān)知識(shí)。為本節(jié)課的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。

通過對(duì)酵母細(xì)胞呼吸方式的探究，可以使學(xué)生了解到有氧呼吸和無氧呼吸的條件和生成的產(chǎn)物，為后面“細(xì)胞呼吸”的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

二、設(shè)計(jì)思路

本實(shí)驗(yàn)采用PBL（problem-based learning）基于問題的學(xué)習(xí)的教學(xué)模式。以教師講授為主的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，很大程度上讓理論與實(shí)踐有一種割裂，學(xué)生跟隨教師設(shè)計(jì)的教學(xué)進(jìn)度開展學(xué)習(xí)，缺乏主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，缺少自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)。PBL教學(xué)模式下，教師通過引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的生物學(xué)現(xiàn)象，從而逐步組織學(xué)生通過提出問題、查閱資料、小組合作設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、實(shí)施實(shí)驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)和得出結(jié)論。更能體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的主體地位，使學(xué)生從被動(dòng)模仿式地開展實(shí)驗(yàn)改變?yōu)橹鲃?dòng)參與解決實(shí)際問題的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)活動(dòng)中，不僅提高了發(fā)現(xiàn)問題、探究問題、解決問題的能力，還提高了實(shí)驗(yàn)操作技能和創(chuàng)新思維。

三、教學(xué)目標(biāo)

1.生命觀念方面：說出酵母菌細(xì)胞呼吸的方式和產(chǎn)物。2 科學(xué)思維方面：學(xué)會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的控制和對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的檢測,提高學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)步驟的嚴(yán)謹(jǐn)性。3.科學(xué)探究方面：親身實(shí)踐探究的一般步驟，理解探究的真諦。4.社會(huì)責(zé)任方面：通過探究活動(dòng)，培養(yǎng)科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度，建立科學(xué)價(jià)值觀。

四、實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與優(yōu)化

在實(shí)際教學(xué)中，由于藥品和器材準(zhǔn)備復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長等諸多原因，實(shí)驗(yàn)開設(shè)率并不高。為解決以上問題，通過查閱資料，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)與優(yōu)化，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)簡單易行，用時(shí)較短，留下更多的時(shí)間給學(xué)生進(jìn)行探討。

酵母菌培養(yǎng)液：教材選用新鮮的食用酵母，不便于保存。改用高活性干酵母，其活性較新鮮酵母高1g 活性干酵母相當(dāng)于2.5g 新鮮酵母[1]。用1g 高活性干酵母加10ml 蒸餾水（溫水）活化3min，加入等體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%葡萄糖溶液混勻（要現(xiàn)配現(xiàn)用）。

酵母細(xì)胞培養(yǎng)裝置：教材中用錐形瓶連接而成的裝置，連接復(fù)雜，試劑耗費(fèi)量特別大，實(shí)驗(yàn)過程所耗時(shí)間較長，需要8～10h。改進(jìn)后的裝置由，用60ml、20ml 注射器和帶流量調(diào)節(jié)器的輸液管組成。并在輸液管上安裝上連接器，便于與注射器連接。（見圖1）

該裝置的優(yōu)點(diǎn)：

①通過推出注射器中的氣體，關(guān)閉流量閥直接制造無氧環(huán)境。②可以直接向注射器中充入氧氣制造有氧環(huán)境。

③可以很直觀的看到有氧呼吸和無氧呼吸過程中氣體體積的變化過程。

充氧設(shè)備：教材中的設(shè)備要連接氣泵，并使用NaOH 除去空氣中的CO2。若吹氣量不足或NaOH 除不干凈空氣中的CO2，會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)造成影響。改進(jìn)后，用便攜式氧氣瓶直接通入氧氣，操作簡便、無CO2 干擾。

酒精檢測方法：教材中使用的酸性條件的重鉻酸鉀溶液，操作過程繁瑣，濃硫酸有腐蝕性，并且使用條件苛刻，需要培養(yǎng)液中的葡萄糖徹底被耗盡，否則葡萄糖會(huì)使重鉻酸鉀發(fā)生類似的反應(yīng)[2]。改進(jìn)后，將培養(yǎng)后的酵母菌培養(yǎng)液放入試管中，加熱至沸騰可直接用酒精檢測儀檢測酒精含量，操作安全便捷。（見圖2）

圖2

CO2 檢測方法：教材中用錐形瓶盛放澄清石灰水，需要的CO2 量較大才能變渾濁，由于培養(yǎng)裝置的改進(jìn)，產(chǎn)生的CO2 量也變少，所以改進(jìn)后，用試管盛放澄清石灰水，效果更明顯。（見圖3）

圖3

呼吸速率的比較：教材中通過澄清石灰水變渾濁的程度來檢測酵母菌培養(yǎng)液中CO2 的產(chǎn)生情況，耗時(shí)長，且有一定的主觀性。改進(jìn)后通過檢測單位時(shí)間CO2 的釋放量和底物的消耗量來比較有氧、無氧的呼吸速率。

①CO2 釋放速率：有氧組——通入氧氣后，不斷搖晃注射器，使酵母菌與氧氣充分接觸（發(fā)酵液中氧氣的溶解度較低）。當(dāng)氣體體積發(fā)生變化后立即停止反應(yīng)，將氣體推入盛有NaOH 的注射器中，減少的氣體體積即為有氧呼吸產(chǎn)生的CO2 的量（見圖4）。無氧組——與有氧組同時(shí)終止反應(yīng)，可直接觀察氣體的增加量，即為無氧呼吸產(chǎn)生的CO2 的量（見圖5）。

圖4

圖5

②底物消耗速率：用血糖儀來測定反應(yīng)前后酵母菌培養(yǎng)液中葡萄糖含量（見圖6）。

圖6

五、教學(xué)過程

（一）創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)興趣

教師展示“礦泉水瓶吹氣球”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。吸引學(xué)生注意，引起學(xué)生思考，怎樣讓礦泉水瓶把氣球吹起來？引出本節(jié)課要學(xué)習(xí)的酵母細(xì)胞。

設(shè)計(jì)意圖：新課的導(dǎo)入就如影劇的序幕一樣，可以引起學(xué)生的注意和興趣，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性。

（二）觀察現(xiàn)象，提出問題

教師提出問題，酵母菌在生活中有哪些應(yīng)用？學(xué)生會(huì)想到發(fā)面和釀酒。再引導(dǎo)學(xué)生思考，發(fā)面和釀酒的過程需要怎樣的條件，又會(huì)發(fā)生什么變化？能不能通過這些現(xiàn)象提出可探究性的問題？

學(xué)生會(huì)提出一系列的問題，例如：是不是酵母菌在有氧環(huán)境和無氧環(huán)境下都能進(jìn)行細(xì)胞呼吸？酵母細(xì)胞呼吸產(chǎn)生的氣體是不是CO2？無氧呼吸有酒精產(chǎn)生，有氧呼吸能不能產(chǎn)生酒精？如何檢驗(yàn)是否有CO2 和酒精的產(chǎn)生？無氧和有氧條件下哪個(gè)呼吸作用更快？學(xué)生提到有些問題可能與本實(shí)驗(yàn)的相關(guān)性并不高，這時(shí)需要老師給與一定的引導(dǎo)。

最終師生一起確立探究課題：探究酵母細(xì)胞有氧呼吸的產(chǎn)物；探究酵母細(xì)胞無氧呼吸的產(chǎn)物；探究酵母細(xì)胞有氧呼吸與無氧呼吸的速率。

設(shè)計(jì)意圖：該過程針對(duì)生活中的真實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生抓住關(guān)鍵現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問題，并提出有可探究性的問題。

（三）小組合作、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

首先引導(dǎo)學(xué)生思考，設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)最先要考慮的是什么？引出學(xué)生對(duì)自變量、因變量、觀測指標(biāo)和無關(guān)變量的思考。

其次，給定實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)材料，以及相關(guān)資料（包括檢驗(yàn)方法、設(shè)備改進(jìn)相關(guān)資料、實(shí)驗(yàn)材料的用量相關(guān)資料。）讓學(xué)生分為三個(gè)大組，分別討論上述三個(gè)探究課題的具體的實(shí)驗(yàn)過程。在學(xué)生書寫實(shí)驗(yàn)過程中，自然會(huì)生成許多問題。例如：如何設(shè)置有氧環(huán)境和無氧環(huán)境？如何對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行檢測更便捷準(zhǔn)確？如何確定有氧組進(jìn)行的是否為有氧呼吸？反應(yīng)何時(shí)終止？怎樣比較有氧呼吸與無氧呼吸的速率，以什么為指標(biāo)來進(jìn)行衡量？等等。有了問題，學(xué)生便會(huì)通過討論和查閱資料的形式，進(jìn)行解決。有些問題比較復(fù)雜，這時(shí)需要教師在旁邊進(jìn)行指導(dǎo)。例如：何時(shí)終止有氧呼吸？酵母細(xì)胞以葡萄糖為底物，有氧呼吸吸收的氧氣等于釋放的CO2，所以這時(shí)氣體體積是不變的，所以當(dāng)有氧組氣體體積發(fā)生變化便應(yīng)終止反應(yīng)。

最后，達(dá)成一致的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路。

設(shè)計(jì)意圖：該過程通過引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與創(chuàng)新思維。通過小組討論，也培養(yǎng)了合作精神。

（四）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、完善操作

教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分組，一共6 組。

1 組：有氧呼吸定性組——檢測產(chǎn)物中是否有CO2。

2 組：無氧呼吸定性組——檢測產(chǎn)物中是否有CO2。

3 組：有氧呼吸定性組——檢測產(chǎn)物中是否有酒精。

4 組：無氧呼吸定性組——檢測產(chǎn)物中是否有酒精。

5 組：有氧呼吸定量組——測定有氧呼吸過程中

6 組：無氧呼吸定量組——測定無氧呼吸過程中產(chǎn)生CO2 的體積和葡萄糖減少量。

1、3為有氧呼吸定性組，2、4為無氧呼吸定性組，分別檢測產(chǎn)物中是否有CO2、酒精。

5、6 組分別為有氧呼吸和無氧呼吸定量組，分別檢測產(chǎn)生CO2 的體積和葡萄糖減少量。

有氧組1、3、5：用60ml 注射器，吸取酵母培養(yǎng)液5ml，通入氧氣50ml，關(guān)閉氣閥。反應(yīng)過程中不斷搖晃注射劑，一旦體積發(fā)生變化，馬上終止反應(yīng)。

無氧組2、4、6：20ml 注射器吸入5ml 酵母培養(yǎng)液，推出多余空氣，關(guān)閉氣閥，制造成無氧環(huán)境。2、4 組當(dāng)體積不再發(fā)生變化后終止反應(yīng)。6 組，在5 組終止反應(yīng)時(shí)，也終止反應(yīng)。

反應(yīng)結(jié)束后，1、2 組將氣體推入澄清石灰水中，看澄清石灰水是否變渾濁。2、4組將氣體通入酒精檢測儀，看是否有酒精產(chǎn)生，若沒有，可再將酵母細(xì)胞培養(yǎng)液倒入試管內(nèi)，加熱至沸騰，看是否能檢測出酒精。5 組將氣體推入裝有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH 溶液中，并反復(fù)抽吸，觀察并記錄氣體體積的減少量，即為CO2 的產(chǎn)生量。6 組直接記錄氣體的增加量。并用血糖儀分別檢測兩組酵母細(xì)胞培養(yǎng)液中葡糖糖的減少量。

教師在學(xué)生操作過程中給與指導(dǎo)，并引導(dǎo)學(xué)生在操作過程中進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)步驟。例如，有氧呼吸組，充氣過程中，輸液軟管中的氣體會(huì)不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)，學(xué)生會(huì)進(jìn)行先給軟管充氣的改進(jìn)。無氧呼吸組反應(yīng)的時(shí)間較長，學(xué)生會(huì)想到要在適宜的溫度下進(jìn)行培養(yǎng)可以縮短，會(huì)提出使用溫水浴的操作改進(jìn)等等。

設(shè)計(jì)意圖：該過程可培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，體會(huì)紙上設(shè)計(jì)和實(shí)際操作的差異性。提高學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)步驟的嚴(yán)謹(jǐn)性。

（五）結(jié)果展示、討論交流

實(shí)驗(yàn)完成后要求學(xué)生交流各組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并填實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄錄表。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明有氧呼吸無氧呼吸都能明顯使澄清石灰水變渾濁，即能產(chǎn)生CO2，單位時(shí)間內(nèi)有氧呼吸產(chǎn)生的CO2，消耗的葡萄糖要比無氧呼吸多。無氧呼吸不用加熱培養(yǎng)液，就可以明顯檢測出有酒精含量。有氧呼吸幾乎無酒精產(chǎn)生，但是也有小組能夠檢測出少量的酒精。留給學(xué)生課下去查閱資料并作出合理解釋。

通過學(xué)生分析，得出結(jié)論：酵母菌培養(yǎng)液中的溶氧量很低，在菌體發(fā)酵的旺盛時(shí)期，一般只能維持微生物正常呼吸15～30s[3]其后微生物的有氧呼吸就會(huì)收到抑制。所以，如果反應(yīng)時(shí)沒有充分搖晃注射器，有些酵母細(xì)胞不能充分與氧氣接觸，會(huì)進(jìn)行無氧呼吸?；蛘邲]有在氣體一發(fā)生變化就終止反應(yīng)，進(jìn)行了一段時(shí)間無氧呼吸。

設(shè)計(jì)意圖：要讓學(xué)生懂得尊重實(shí)驗(yàn)結(jié)果，出現(xiàn)不符合預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，要學(xué)會(huì)分析，并找出原因。

五、教學(xué)反思

本節(jié)課，教師給學(xué)生創(chuàng)設(shè)情境，提供資料，引導(dǎo)學(xué)生提出探究問題和實(shí)施實(shí)驗(yàn)需要解決的問題，PBL 教學(xué)過程中最重要的就是問題的提出，不是教師的自問自答，而是學(xué)生的自問自答。雖然有會(huì)有同學(xué)提出部分問題與要探究的課題關(guān)聯(lián)度不高，但也都是圍繞著酵母細(xì)胞的呼吸，課堂上做到了大膽思考、大膽表達(dá)。正是這種較高的參與度，學(xué)生們體會(huì)到了科學(xué)探究的流程，提高了科學(xué)思維能力，也更有成就感。

學(xué)生在撰寫實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行完善的過程中，學(xué)生的思維是逐級(jí)遞進(jìn)的，是由層次性的，這也是科學(xué)探究的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，盡管有些學(xué)生設(shè)計(jì)的方案可行性不高，但要對(duì)學(xué)生思維的靈活性給與充分的肯定。

但采用PBL 教學(xué)法，也有一定的局限性，學(xué)生把大把的時(shí)間用于如何解決問題上，可能忽視了對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的準(zhǔn)確掌握，并且這樣的課堂很容易出現(xiàn)時(shí)間不夠用的情況，所以需要老師把握好課堂的節(jié)奏，合理安排時(shí)間。