探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式實驗改進(jìn)綜述

邵美霞，趙晨霞，申玉華，李曉蘭，江會鵬，鄭夢清

（1.赤峰學(xué)院 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院；2.赤峰市紅旗中學(xué)，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

人教版高中生物必修1第5章第3節(jié)中的“探究酵母菌細(xì)胞的呼吸方式”實驗是重要的探究性實驗，開展該實驗有助于培養(yǎng)學(xué)生的動手操作以及數(shù)據(jù)處理能力，更是對呼吸作用知識點的鞏固。眾多研究表明，在教學(xué)過程中開展該實驗耗時長，一般耗時8-10小時，并且有氧呼吸的實驗組需要持續(xù)供氧，課堂上很難保證實驗的順利進(jìn)行。另外該實驗的材料處理和儀器設(shè)置都有待改良，實驗結(jié)果測量的準(zhǔn)確性也需要改善。通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)已有研究從不同方面對該實驗進(jìn)行了改良和創(chuàng)新，本文總結(jié)已有的改進(jìn)方案，旨在為廣大師生提供參考借鑒，選擇適合的實驗教學(xué)設(shè)計。

1 實驗材料的改進(jìn)處理

1.1 實驗材料酵母菌的選取

本實驗所采取的主要材料是酵母菌，通過培養(yǎng)酵母菌，觀察其有氧呼吸和無氧呼吸所得到的氣體，因此，酵母菌培養(yǎng)液的配制至關(guān)重要。教材中所給的參考操作是將兩份等量的酵母菌分別放入兩個錐形瓶（標(biāo)記為A、B瓶）中，分別注入240mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的葡萄糖溶液。閱讀文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，在實際的課堂操作中，新鮮酵母不易保存，其活性要低于干酵母。按活細(xì)胞率計算，已有研究探明活性干酵母的活細(xì)胞數(shù)是新鮮酵母的2.6倍[1]，所以本實驗的開展多選用干酵母作為實驗材料。另外酵母菌的生長受溫度的影響較大，已有研究提出酵母菌生長的適宜溫度是20～30℃，需用25℃左右的溫水對酵母菌進(jìn)行活化處理，可增強(qiáng)酵母菌的活性[2]。為了方便教學(xué)，使實驗過程中酵母菌活性較好地支持實驗教學(xué)過程，一般需提前1h活化酵母菌，讓處于休眠狀態(tài)的干酵母重新恢復(fù)正常活性狀態(tài)[3]。

1.2 酵母菌與葡萄糖配比

在酵母菌培養(yǎng)過程中，酵母菌與葡萄糖的配比也會影響酵母菌發(fā)酵的過程，進(jìn)而影響實驗結(jié)果。胡士達(dá)等人通過調(diào)整酵母菌和葡萄糖的配比可避免葡萄糖和檢測酒精的重鉻酸鉀進(jìn)行反應(yīng)，葡萄糖作為還原性糖，在酸性條件下能與重鉻酸鉀發(fā)生反應(yīng)變成灰綠色，跟酒精的檢測結(jié)果發(fā)生重合，葡萄糖是否消耗完全便成了重要的因素，將實驗條件設(shè)置為：5%的葡萄糖溶液240mL，安琪牌高活性干酵母10g，溫度約27℃時，葡萄糖5h后被完全消耗掉[4]。胡志傲等人也通過大量反復(fù)實驗得出酵母菌與葡萄糖配比為1:1時效果最理想，且僅用2小時便能將葡萄糖消耗完，不影響結(jié)果的檢測[5]。按照酵母菌和葡萄糖1:1配比進(jìn)行實驗教學(xué)，不僅獲得了較快的氣體產(chǎn)生速率，而且實驗效果明顯，并節(jié)約了實驗材料。在實際教學(xué)環(huán)境當(dāng)中，該配比實現(xiàn)了原材料的節(jié)約，獲得氣體的快速且便捷，從而使得實驗效果明顯。這說明合理改善實驗條件可減少實驗準(zhǔn)備時間，且能達(dá)到較好的實驗結(jié)果。

綜合以上對該實驗的改進(jìn)，筆者認(rèn)為在教學(xué)過程中，酵母菌和葡萄糖價格均比較便宜，且獲取方便，教師可以進(jìn)行多次實驗將酵母菌的培養(yǎng)液進(jìn)行改良，提高產(chǎn)氣效率，縮短實驗時間。也可以組織學(xué)生進(jìn)行探究實驗，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計改良實驗，提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新思維。

2 實驗儀器和操作方案的改進(jìn)

本實驗用錐形瓶、U形玻璃管和橡皮球等儀器，雖然這些儀器在學(xué)校的實驗室都比較方便獲得，但這些實驗器材在實際組裝的過程中很容易出現(xiàn)誤差，無法實現(xiàn)較高的精確度。比如：酵母菌細(xì)胞有氧呼吸裝置需要一直通氣至培養(yǎng)液中的葡萄糖消耗完[4]，用橡皮球間歇性向裝置提供空氣的條件難以實現(xiàn)，且并不是每個學(xué)校都滿足使用氣泵的條件；錐形瓶用U形玻璃管連接氣密性差，無法排除外界空氣的影響；教材上提供的裝置無法保證無氧呼吸實驗的無氧環(huán)境；以及其他在課堂實驗當(dāng)中可能出現(xiàn)的問題。對此，通過查閱文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)較多研究者選擇將錐形瓶改成注射器，起到了比較好的效果。如鄭榮玲等人將裝酵母菌培養(yǎng)液的錐形瓶改成注射器，注射器的體積不僅比錐形瓶小，而且有刻度，可以快速檢測到產(chǎn)生的氣體及其體積[2]。另外也有其他創(chuàng)新想法出現(xiàn)，如劉翠麗采用一個醫(yī)用輸液管代替U形玻璃管，用250mL葡萄糖溶液塑料瓶代替錐形瓶進(jìn)行培養(yǎng)，材料簡單易取，手動就可以控制氣體的排放速度[6]。胡桂平等人利用血糖儀精確地測量酵母菌培養(yǎng)液中葡萄糖的濃度值，可反映出該反應(yīng)條件下有氧或無氧呼吸的速率，更能幫助學(xué)生了解酵母菌呼吸的過程[7]。

雖然部分學(xué)者對實驗儀器進(jìn)行了創(chuàng)新，但是大部分學(xué)校實驗室內(nèi)無法大量采購輸液管和醫(yī)用葡萄糖等，限制了部分創(chuàng)新方法在高中實驗中的開展，可以將其作為演示實驗，讓學(xué)生看到較明顯的實驗結(jié)果，所以實驗儀器方面可根據(jù)實驗室條件而采用合適的方式讓學(xué)生了解實驗結(jié)果，并對不同方法進(jìn)行描述，闡明優(yōu)缺點，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)思維素養(yǎng)。

2.1 有氧條件的實驗裝置改良

有氧條件下的實驗裝置如圖1所示。

圖1 有氧呼吸實驗裝置示意圖（教材）

（1）如何實現(xiàn)持續(xù)為裝置提供氧氣？教材上提供的參考是使用橡皮球或氣泵來提供空氣，如圖1所示。但橡皮球難以實現(xiàn)長時間供氣，而氣泵需要花費較多資金購買，容易造成資源浪費。因此，朱霞本著學(xué)以致用的理念，采用初三化學(xué)實驗中空氣制備氧氣的裝置。也有學(xué)者利用過氧化氫在催化劑的作用下分解為氧氣的實驗（過氧化氫在二氧化錳的催化作用下生成水和氧氣）為有氧呼吸提供氧氣來源[8]，如圖2所示。張曉娜采用了過氧化氫分解生成氧氣的方法為有氧呼吸提供氧氣，其裝置的鏈接方式如圖 3 所示，圖中 A0、A1、A2依次是 H2O2、酵母菌培養(yǎng)液和澄清的石灰水，實驗效果較好。不同的方法產(chǎn)生的氧氣為酵母菌的有氧呼吸提供反應(yīng)物，同時調(diào)整實驗條件使得裝置短時間內(nèi)能生成足夠的氧氣通入酵母菌培養(yǎng)液中。

圖2 二氧化錳催化過氧化氫制造氧氣（朱霞）

圖3 過氧化氫分解制造氧氣（張曉娜）

（2）如何保證通入的氣體中二氧化碳是否被氫氧化鈉溶液吸收干凈？在圖1中在酵母菌培養(yǎng)液前面放置了10%的氫氧化鈉溶液，但卻不能確定二氧化碳何時被吸收完畢。如若不能判斷，將會導(dǎo)致氣體進(jìn)入澄清石灰水中，導(dǎo)致得到的實驗結(jié)果產(chǎn)生誤差。對此，梁付春將通入氫氧化鈉溶液的管道末端安裝一塊氣石（就是氧氣泵管子前面的如石頭一樣的物體，通氣體之后會冒氣泡，增大對氣體的吸收），可以明顯增大氫氧化鈉溶液對二氧化碳的吸收[9]，如圖4所示。當(dāng)然，因為通入氣體的時間太長，氣體量較大，就算安裝氣石也有可能無法完全吸收二氧化碳。而閆計春提出在氫氧化鈉溶液和酵母菌培養(yǎng)液之間添加一個裝有澄清石灰水的錐形瓶，檢測通入的氣體中二氧化碳是否被氫氧化鈉溶液吸收干凈[10]，如圖5所示。將兩者結(jié)合起來，可能會排除空氣中二氧化碳的影響。

圖4 有氧呼吸實驗裝置氣石放置圖

圖5 有氧呼吸裝置改進(jìn)示意圖（閆計春）

2.2 無氧條件的實驗裝置改良

無氧條件最難實現(xiàn)的便是如何為酵母菌培養(yǎng)液創(chuàng)造無氧環(huán)境。教材中的裝置如圖6所示，教材中并未說明酵母菌培養(yǎng)液瓶中原有的部分氧氣怎樣處理，如不進(jìn)行處理，則開始反應(yīng)時應(yīng)為有氧呼吸，待氧氣消耗完才變?yōu)闊o氧呼吸，如果加入酵母菌后馬上連接澄清的石灰水錐形瓶肯定會影響實驗結(jié)果。所以在講解無氧呼吸時，一般會建議將酵母菌培養(yǎng)液放置一段時間，待瓶中氧氣消耗完后再連接澄清的石灰水錐形瓶。

圖6 無氧呼吸實驗裝置示意圖（教材）

為了能夠更好地創(chuàng)造無氧環(huán)境，胡志傲等人的研究表明：可以將一定長度的輸液管(約10cm)安裝在針筒頭上，然后將針口密封，關(guān)閉調(diào)節(jié)器，這便能夠隔絕空氣，為酵母菌提供了無氧環(huán)境[5]，如圖7所示。張曉娜用注射器反復(fù)抽取瓶中空氣，創(chuàng)造無氧環(huán)境，滿足酵母菌進(jìn)行無氧呼吸的條件[11]。將錐形瓶和U型管改為注射器和輸液管之后，裝置的氣密性可以得到了較大的提升。若想進(jìn)一步將氧氣隔絕，也可采用在培養(yǎng)液表面滴加液態(tài)石蠟或者植物油，做到隔絕外部氣體進(jìn)入培養(yǎng)液當(dāng)中[8]，并且不需要等待容器中氧氣耗盡再進(jìn)行實驗，有效減少實驗誤差。

圖7 無氧呼吸改進(jìn)裝置

3 實驗結(jié)果檢測的改進(jìn)

本實驗的結(jié)果檢測非常重要，實驗現(xiàn)象直接反映了實驗的成功與否。查閱眾多文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)，不同學(xué)者對檢測二氧化碳和酒精的方法進(jìn)行了改良和創(chuàng)新,使得部分檢測方法更加方便快捷。

3.1 有氧呼吸結(jié)果檢測的裝置改良

酵母菌細(xì)胞有氧呼吸的反應(yīng)式如下：

C6H12O6(葡萄糖）＋6H2O(水）＋6O2（氧氣）→6CO2(二氧化碳）＋12H2O（水）＋能量

教材提供的參考建議是采用澄清石灰水或者溴麝香草酚藍(lán)溶液來檢驗二氧化碳的存在。澄清石灰水和二氧化碳可以相互反應(yīng)，產(chǎn)生碳酸鈣沉淀，澄清石灰水變渾濁，其反應(yīng)式：Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓(白色)+H2O。如果繼續(xù)通入過量的二氧化碳，石灰水會再次變得澄清，其反應(yīng)式為：CaCO3+H2O+CO2=Ca(HCO3)2。這一原理要求所檢測的二氧化碳不能過量，否則實驗結(jié)果不準(zhǔn)確。溴麝香草酚藍(lán)水溶液可以作為一種酸堿指示劑，變色范圍為pH6.0(黃色)～pH7.6(藍(lán)色)之間，當(dāng) pH7.0 時呈現(xiàn)綠色[12]。二氧化碳溶于水后逐漸呈弱酸性，因此指示劑會由藍(lán)變綠再變黃，實驗效果明顯。因此，用澄清石灰水檢測存在弊端，采用溴麝香草酚藍(lán)水溶液檢測二氧化碳的結(jié)果更加精確。另外，檢驗二氧化碳還有其他更加方便快捷的方法：如趙蘋提出了用石蕊試紙檢測的方法，在注射器末端用膠帶紙粘住一小塊濕潤的石蕊試紙后，并保留一段空氣柱，試紙變紅則有二氧化碳的產(chǎn)生[13]。若想進(jìn)一步精確二氧化碳的產(chǎn)生量，章青采用了碳酸氫鹽指示劑（Hydrogencarbonate indicator），該試劑容易吸收二氧化碳并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可用于檢測二氧化碳的產(chǎn)生量[14]。

3.2 無氧呼吸結(jié)果檢測的裝置改良

酵母菌細(xì)胞無氧呼吸 (酒精發(fā)酵)的反應(yīng)式如下：

C6H12O6(葡萄糖）→2C2H5OH（酒精）＋2CO2（二氧化碳）＋能量

在無氧呼吸的檢測當(dāng)中，除了要檢測二氧化碳之外，還要檢測產(chǎn)生的酒精。教材中用重鉻酸鉀檢測酒精的產(chǎn)生，其實重鉻酸鉀有毒性，是一級致癌物，存在一定的安全隱患。為避免實驗中因操作不當(dāng)引起的不良后果，梁付春采用酒精檢測儀檢測產(chǎn)生的酒精，在實驗裝置的止水夾前端的玻璃管上連接酒精檢測儀，檢測儀可顯示產(chǎn)生的酒精量，所以使用酒精檢測儀檢測不僅精準(zhǔn)而且快速安全[9]。但大多數(shù)高中實驗室中無法購置多臺酒精檢測儀，導(dǎo)致實驗的開展受限。也有學(xué)者將重鉻酸鉀和濃硫酸按不同比例進(jìn)行配置實驗，發(fā)現(xiàn)5g重鉻酸鉀和50mL濃硫酸混合配置成的溶液毒性和危險性均降低，進(jìn)行酒精檢測實驗時用量減少[10]，也能較好地反映實驗結(jié)果。

綜上所述，筆者認(rèn)為改良實驗結(jié)果應(yīng)該基于每個學(xué)校的資源配置的基礎(chǔ)上，如很多學(xué)校無法配備碳酸氫鹽指示劑和酒精檢測儀，則新實驗方法的推廣較難。本試驗的目的是引導(dǎo)學(xué)生探索有氧呼吸和無氧呼吸的過程，不僅鍛煉了學(xué)生思考的能力，而且要求學(xué)生親自動手，邊思考邊操作，敢于創(chuàng)新，培養(yǎng)高中生生物科學(xué)思維和科學(xué)探究等學(xué)科核心素養(yǎng)。

4 實驗教學(xué)設(shè)計的建議

本實驗所銜接的內(nèi)容是有氧呼吸和無氧呼吸的反應(yīng)過程，是必修1第五章的核心內(nèi)容之一。實驗設(shè)計不僅要引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還要為后面的學(xué)習(xí)內(nèi)容打下基礎(chǔ)。教師需要有培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究和創(chuàng)新精神的思想準(zhǔn)備，并應(yīng)用于真實課堂環(huán)境中。如先明香等人運用支架式教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維，搭建支架引導(dǎo)學(xué)生協(xié)作學(xué)習(xí)，快速突破學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”[15]。近年來一線教師常將支架式教學(xué)用于一般的課堂教學(xué)中，鮮有用于實驗教學(xué)，頗具創(chuàng)新性。除此之外，將5E教學(xué)模式植入課堂中，可以幫助學(xué)生轉(zhuǎn)化抽象概念，構(gòu)建新知識框架[16]。5E教學(xué)模式包括引入 （Engagement）、 探究（Exploration）、解釋（Explanation）、遷移（Elaboration）和評估（Evaluation）這五個環(huán)節(jié)，該模式建立于概念轉(zhuǎn)變的理論基礎(chǔ)上，有效幫助學(xué)生轉(zhuǎn)變前概念，構(gòu)建新概念，近年來具有較強(qiáng)的推廣性，應(yīng)用于本實驗可提高實驗教學(xué)效果。根據(jù)目前的研究來看，本實驗還可以基于生物學(xué)科的核心素養(yǎng)要求來進(jìn)行實驗教學(xué)設(shè)計[17]。依據(jù)新課標(biāo)的要求，本實驗可以通過引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行一系列活動，如準(zhǔn)備實驗器材、提出問題、制定實驗計劃（或改良計劃）、小組合作以及實驗數(shù)據(jù)分析等，圍繞生物核心素養(yǎng)提高學(xué)生科學(xué)探究能力，發(fā)展科學(xué)探究思維。另外，我國注重培養(yǎng)全面發(fā)展的人才，為了提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，跨學(xué)科融合的教學(xué)活動層出不窮。楊建忠等人嘗試將初高中理化生實驗的多個角度進(jìn)行相互借鑒融合，改進(jìn)該實驗的探究方案[18]。該實驗的許多反應(yīng)原理和實驗裝置離不開化學(xué)和物理學(xué)科的知識作為支撐，學(xué)生進(jìn)行實驗的同時，引導(dǎo)其回憶相關(guān)學(xué)科知識點并應(yīng)用于實驗中。這一做法不僅可以幫助學(xué)生溫故知新，還能提高學(xué)生的實踐分析能力。

本實驗還應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生密切聯(lián)系生活實際，善于發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，筆者發(fā)現(xiàn)多位研究者選擇變換思維。如高萍等人以生活為基調(diào)，同時提供兩套實驗裝置以供學(xué)生參考，鍛煉學(xué)生解決問題的能力，讓學(xué)生對比思考不同實驗裝置在實驗過程中的異同點，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力，研究者將保鮮袋、廢舊礦泉水瓶、牛奶吸管、凡士林等物品作為實驗材料進(jìn)行實驗，而且這些實驗材料均為日常生活中常見的材料，也能完成實驗過程并取得較好的實驗結(jié)果，與日常生活結(jié)合緊密可使得學(xué)生更好地突破實驗難點[19]。為了實現(xiàn)對實驗的生活化改進(jìn)，竇向梅提出在場景引入時可以讓學(xué)生觀察剛和好的面團(tuán)和發(fā)好的面團(tuán)，體驗酵母菌的發(fā)酵結(jié)果[20]。教師還可以安排學(xué)生通過查閱相關(guān)的科研文獻(xiàn)或者咨詢釀酒師傅等實踐活動，了解釀酒的全過程（從葡萄酒釀制所需的葡萄品種的選擇到葡萄酒的罐裝與儲存），并結(jié)合呼吸作用的結(jié)果總結(jié)釀酒與微生物的關(guān)系[21]。生物學(xué)本身就是從生活中來，回到生活中去。師生利用生活中常見的資源，有利于教師的教也有助于學(xué)生的學(xué)，更能培養(yǎng)學(xué)生擁有一雙善于發(fā)現(xiàn)的眼睛和創(chuàng)新創(chuàng)造的能力。同時，本實驗的另外一個重點也是為了引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會什么是相互對照實驗，如何控制變量從而實現(xiàn)探究目的。

5 結(jié)語

生物學(xué)是一門以實驗探究為基礎(chǔ)的學(xué)科，學(xué)生在學(xué)習(xí)生物時若不能進(jìn)行重點知識的相關(guān)實驗探究，便如同紙上談兵，完全無法起到提高其核心素養(yǎng)的作用。高中生物的實驗必須要得到更多的重視，在不斷進(jìn)行的高考改革中，考試形式更貼近生活化，且實驗題或?qū)嶒炋骄款}的出題幾率增加，學(xué)生只有更多地熟知與基本知識相關(guān)的實驗及實驗過程才能更好地把握高考題。然而，在現(xiàn)實的實驗教學(xué)中，依照教材的實驗，有些實驗條件不能滿足實驗要求，使得僅有的幾個實驗?zāi)軌蝽樌_展，這不僅限制了學(xué)生科學(xué)思維能力的拓展，也限制了學(xué)生科學(xué)探究能力和動手能力的提升。所以教師應(yīng)在教學(xué)的過程中，從多角度克服困難保證更多實驗的開展。學(xué)校應(yīng)當(dāng)將實驗教學(xué)落實到行動上來，配備基礎(chǔ)的實驗用具，逐漸引進(jìn)精密儀器，實現(xiàn)學(xué)生能做實驗、教師能教實驗。教師在學(xué)校資源允許的條件下應(yīng)發(fā)揮研究創(chuàng)新精神，進(jìn)一步改良實驗教學(xué)設(shè)計，促進(jìn)定量定性探究，引導(dǎo)學(xué)生在探究中學(xué)，在興趣中學(xué)，能夠闡明有氧呼吸與無氧呼吸的實驗過程及實驗過程中所涉及的科學(xué)問題。