基于科學(xué)探究的高中生物學(xué)實驗改進

張力希 錢敏艷

摘要“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗中，通過改進傳統(tǒng)實驗裝置，優(yōu)化實驗條件，利用數(shù)字化技術(shù)實時對比和監(jiān)測酵母菌在有氧和無氧條件下的CO2生成量、酒精產(chǎn)生量及產(chǎn)熱情況等指標，同時采用血糖儀對比兩種條件下葡萄糖的消耗量。

關(guān)鍵詞 科學(xué)探究 細胞呼吸 數(shù)字化技術(shù) 實驗改進

中圖分類號G633. 91文獻標志碼B

生物學(xué)是一門基于實驗的自然科學(xué)，高中生物學(xué)實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生生物意識、科學(xué)思維習(xí)慣和提升學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑。《普通高中生物學(xué)課程標準（2017年版）》指出，要改變課程實施過于強調(diào)接受學(xué)習(xí)、死記硬背的現(xiàn)狀，倡導(dǎo)學(xué)生主動參與、樂于探究、勤于思考，培養(yǎng)學(xué)生獲取新知識的能力、交流合作的能力等。以“探究酵母菌細胞呼吸的方式”為例，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)由于課時、實驗材料、裝備等問題，通常是向?qū)W生演示該實驗，這種方法大大降低了學(xué)生的主觀能動性。因此，在新課改新高考背景下，筆者通過改進實驗裝置、創(chuàng)新實驗策略、優(yōu)化實驗方案，引導(dǎo)學(xué)生積極參與到課堂的學(xué)習(xí)和研究，真正激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，鍛煉學(xué)生分析、解決問題的能力。

1分析教材內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)實驗不足

“探究酵母菌細胞呼吸的方式”是人教版高中生物學(xué)教材中可以開展的一個探究性實驗，內(nèi)容豐富，在動手操作、數(shù)據(jù)分析和聯(lián)系生活實際等方面具有較高價值。通過實驗，學(xué)生可初步認識酵母菌在有氧和無氧條件下呼吸產(chǎn)物的不同。但在實際教學(xué)開展該實驗時，往往會遇到以下困難：①該實驗氣密性要求高，實驗過程較長，一般需要8～10 h才能完成；②有氧和無氧條件的控制不精準，會導(dǎo)致有氧呼吸和無氧呼吸開始的時間不明確；③對CO2和酒精產(chǎn)生量只能做到定性，不能做到定量；④傳統(tǒng)實驗設(shè)計中，不能控制酵母菌的有氧呼吸和無氧呼吸同時進行，不能實時對比兩種呼吸方式下CO2量、產(chǎn)熱情況、酒精生成量以及葡萄糖的消耗量等指標。

2創(chuàng)新實驗策略，提高實驗效率

為了能更好地開展課堂教學(xué)，筆者對傳統(tǒng)的實驗進行了改進，利用傳感器將生成的CO2、酒精及產(chǎn)熱情況可視化，同時實時對比酵母菌在兩種呼吸方式下消耗葡萄糖的情況。改進后的實驗可以通過簡單的手段獲得精確的實驗結(jié)果，節(jié)省了時間。教師還可將演示實驗改為分組探究實驗，提高學(xué)生的自主探究能力。

2.1實驗裝置改進

2.1.1創(chuàng)設(shè)有氧和無氧裝置

教師綜合利用物理知識和化學(xué)知識，設(shè)計氧氣發(fā)生裝置，如圖1和2所示。該裝置中，注射器中加入體積分數(shù)為20%的H2O2溶液，雙支口尖底玻璃瓶中加入質(zhì)量分數(shù)為5%的FeCl3溶液，玻璃瓶置于磁力攪拌器（帶鐵架臺），用硅膠管連通儀器形成恒壓裝置，以保證液體順利滴落。此外，設(shè)計了2個三通閥，一個控制液體的開關(guān)，另一個通過固定三通閥的角度，控制H2O2溶液的流速為每分鐘20滴，進入FeCl3溶液發(fā)生反應(yīng)，使得產(chǎn)氧速度適中，實驗效果好。該裝置還可以通過三通閥角度調(diào)節(jié)流速從而調(diào)整進氧量，為進一步探究氧氣濃度對酵母菌呼吸作用的影響提供可能性，為課外拓展實驗提供一定的思路。無氧裝置中通過滴加石蠟油對反應(yīng)液進行液封，隔絕空氣，實現(xiàn)真正的無氧環(huán)境。

2.1.2設(shè)計加樣和取樣口，巧用定量注射器

在有氧裝置和錐形反應(yīng)瓶之間設(shè)計加樣和取樣口，通過三通閥控制液體的進出。巧用注射器在加樣口定量加入葡萄糖溶液。在無氧裝置中也設(shè)計了加樣和取樣口，通過注射器同時注入等量葡萄糖溶液，控制有氧和無氧裝置的反應(yīng)同時進行，達到實時對比有氧和無氧呼吸方式下CO2等指標的目標。另外，也可在不中斷實驗反應(yīng)的前提下，中途取樣，實時監(jiān)測反應(yīng)的進程。

2.1.3采用雙支口錐形瓶，增加磁力攪拌器

改進后的實驗采用定制的雙支口錐形瓶代替?zhèn)鹘y(tǒng)錐形瓶，可以減少玻璃導(dǎo)管的使用，方便與傳感器的連接，更快捷地檢測實驗指標，同時減少了傳統(tǒng)實驗錐形瓶的使用數(shù)量，簡化實驗裝置。

反應(yīng)過程中錐形瓶置于磁力攪拌器上，有利于酵母菌充分接觸葡萄糖溶液，減少局部反應(yīng)的影響，使得反應(yīng)更均勻。前期，學(xué)生通過多次預(yù)實驗，排除磁力攪拌器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動對反應(yīng)溫度的影響，充分體現(xiàn)了實驗設(shè)計的嚴謹性。

2.2實驗材料改進

實驗試劑：安琪酵母，葡萄糖粉末，消泡劑，石蠟油，蒸餾水，體積分數(shù)為30%的H2O2溶液，F(xiàn)eCl3固體，酸性重鉻酸鉀溶液。

實驗儀器：CO2傳感器，溫度傳感器，乙醇傳感器，血糖儀，移液槍，250 mL雙支口錐形瓶，150 mL尖底雙支口玻璃瓶，平底雙支口玻璃瓶，燒杯，平底管，量筒，試管，注射器，磁力攪拌器，電子天平，計算機等。

2.3實驗內(nèi)容改進

雙支口錐形瓶連接CO2傳感器、溫度傳感器以及乙醇傳感器，利用傳感器收集和分析數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測和對比酵母菌在兩種條件下的產(chǎn)物的生成量，同時通過取樣口抽取一定量的反應(yīng)液，并利用血糖儀分析反應(yīng)液中剩余葡萄糖的量，對比相同時間下，酵母菌在有氧和無氧環(huán)境中的葡萄糖消耗量。

3實現(xiàn)定量分析，優(yōu)化教學(xué)效果

學(xué)生組成興趣小組，經(jīng)過多次實驗和多輪改進，設(shè)計不同濃度（質(zhì)量分數(shù)為1%～10%）的酵母菌溶液和不同濃度（質(zhì)量分數(shù)為4%～20%）的葡萄糖溶液，按照不同的比例（4∶1，3∶1，2∶1，1∶1）混合后分析數(shù)據(jù)。為保證酵母菌在有氧和無氧條件下能正常生存，同時使實驗檢測的各項指標的差異化更大，考慮到能在課堂的短時間內(nèi)更好地呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，給學(xué)生留有充足的時間思考和分析出現(xiàn)的各種問題，最終按照酵母菌/葡萄糖體積比例為3∶1，選擇酵母菌溶液質(zhì)量分數(shù)為8%，加入240 mL、室溫預(yù)活化15 min后加入一定量消泡劑（每500 mL中加入1 mL），葡萄糖溶液質(zhì)量分數(shù)為12%，注射器中各吸入80 mL，在室溫下進行實驗。

3.1數(shù)字化實驗結(jié)果分析

連接實驗裝置，打開加樣口，同時加入80 mL葡萄糖溶液。依次打開氧氣發(fā)生裝置、磁力攪拌器、傳感器接入口、采集數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖3所示。

反應(yīng)4 min后，傳感器數(shù)據(jù)顯示，酵母菌在有氧條件下CO2指標上升5.4816%（釋放CO254 816 ppm），無氧條件下上升0.003%（釋放CO230 ppm），測得有氧條件下溶液溫度上升0.88℃，無氧時僅上升0.3℃。乙醇傳感器測得無氧條件下酵母菌產(chǎn)生酒精量為0.19%。以上結(jié)果說明，酵母菌在有氧條件下產(chǎn)生更多的CO2、釋放更多的熱量，在無氧條件下會產(chǎn)生一定量酒精。

3.2課堂教學(xué)效果評價

教師通過改進實驗裝置，優(yōu)化實驗條件，將課堂時間更多地留給了學(xué)生，激發(fā)了學(xué)生課堂參與的熱情。教師引導(dǎo)學(xué)生分析實驗結(jié)果，幫助學(xué)生初步構(gòu)建了“生物通過細胞呼吸將儲存在有機物中的能量轉(zhuǎn)化成生物體可以利用的能量”生物學(xué)概念，并引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)與能量的視角去探索呼吸作用，明晰了兩種呼吸方式的異同，最終達成了本節(jié)課的教學(xué)目標。

3.3實驗結(jié)果再探究

課堂實驗中，學(xué)生采用血糖儀測定反應(yīng)液中的葡萄糖剩余量時發(fā)現(xiàn)：相同時間內(nèi)，酵母菌在有氧條件下消耗更多的葡萄糖，該結(jié)論似乎和“酵母菌在無氧條件下消耗更多葡萄糖”的結(jié)論是相悖的。此外，也有學(xué)生在課堂中采用傳統(tǒng)的重鉻酸鉀鑒定酒精的方法，向兩種呼吸條件下的反應(yīng)液中滴加等量的重鉻酸鉀，溶液均出現(xiàn)灰綠色。這又是怎么一回事呢？

為進一步探究，小組設(shè)計表1，測定不同反應(yīng)時間后反應(yīng)液中的葡萄糖剩余量。

每隔4 min用血糖儀檢測反應(yīng)液中的葡萄糖濃度，計算酵母菌在有氧和無氧條件下的葡萄糖消耗量。實驗結(jié)果顯示，反應(yīng)相同時間，酵母菌在有氧條件下會消耗更多的葡萄糖。

為探究酵母菌有氧條件下反應(yīng)液中出現(xiàn)灰綠色的情況，學(xué)生查閱資料后發(fā)現(xiàn)，酸性介質(zhì)中乙醇具有還原性，將六價鉻還原為三價鉻，溶液由橙紅色變成灰綠色，而葡萄糖也具有還原性，故可將六價鉻還原。小組在質(zhì)量分數(shù)為12%的葡萄糖溶液中加入等量酸性重鉻酸鉀，溶液呈灰綠色，說明有氧條件反應(yīng)液中出現(xiàn)灰綠色的原因是存在剩余的葡萄糖。

4結(jié)語

改進后的實驗從CO2生成量、產(chǎn)熱量、酒精生成量、葡萄糖消耗量4個維度實時對比分析酵母菌呼吸方式的差異性。教師利用傳感器進行實時監(jiān)測，方便捕捉細微變化，使整個反應(yīng)過程可視化、直觀化，同時從定性和定量兩個角度對酵母菌的呼吸方式進行了詳細分析。改進后的實驗操作方便，數(shù)據(jù)分析簡單，效果對比明顯，可用于普通高中生物學(xué)實驗課堂。此外，利用該裝置，學(xué)生可進一步探究不同pH、溫度、O2濃度以及不同糖源等因素對酵母菌呼吸方式的影響，為后續(xù)學(xué)習(xí)細胞呼吸的原理和應(yīng)用作鋪墊。

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