“探究酵母菌細胞呼吸的方式”的實驗創(chuàng)新

廣東省中山市小欖中學(xué) 杜 倩

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》教學(xué)建議指出，教師在完成教學(xué)任務(wù)時要高度關(guān)注生物學(xué)核心素養(yǎng)的達成。落實核心素養(yǎng)的關(guān)鍵是組織以探究為特點的主動學(xué)習(xí)，實驗教學(xué)是開展探究活動的重要載體，也是落實學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑。目前，多數(shù)生物學(xué)教師在一線教學(xué)過程中，因?qū)嶒炐Ч?、實驗室硬件設(shè)施不健全和課時緊張等因素影響，對實驗教學(xué)多以講述實驗過程和觀看演示實驗視頻為主，較少組織學(xué)生親歷實驗，造成實驗教學(xué)效果不明顯，核心素養(yǎng)落實不到位。通過對高中生物學(xué)實驗進行創(chuàng)新和改進，優(yōu)化實驗教學(xué)，帶領(lǐng)學(xué)生主動參與實驗方案設(shè)計，開展探究活動，可更顯著提高教學(xué)效果。筆者以“探究酵母菌細胞呼吸的方式”為例，探討基于生物學(xué)核心素養(yǎng)的高中生物學(xué)實驗改進和創(chuàng)新。

一、實驗背景介紹

（一）教材的分析與參考案例的不足

“探究酵母菌細胞呼吸的方式”是人教版普通高中教科書《生物學(xué)》必修一第5章第3節(jié)細胞呼吸的原理和應(yīng)用“探究·實踐”的實驗活動。這個實驗探究對開展教學(xué)有一定的難度，教材提供的參考案例操作難度較大，耗時相對較長，一個課時內(nèi)往往難以完成，同時驗證性實驗通過講解即可讓學(xué)生理解。因此許多一線教師取消了本實驗的動手操作，以講授的方式一帶而過，使學(xué)生對酵母菌細胞呼吸作用的理解以及應(yīng)用該原理解決實際問題的能力受到一定程度的影響。

（二）改進實驗培養(yǎng)核心素養(yǎng)的達成

筆者通過對實驗設(shè)計、材料、方法、裝置等方面進行改進和創(chuàng)新，在教學(xué)實施過程中，以學(xué)生主動參與設(shè)計和小組合作探究為主線，引導(dǎo)學(xué)生通過觀察現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)問題到提出假設(shè)、實驗驗證，得出結(jié)論等步驟與小組同學(xué)合作和交流，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

（1）生命觀念：學(xué)生在理解細胞呼吸的方式及結(jié)果的同時，形成結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀。

（2）科學(xué)思維：本實驗通過將定性實驗改進為定性定量實驗后，讓學(xué)生學(xué)會變量分析，能運用合適的方法處理解釋數(shù)據(jù)，訓(xùn)練學(xué)生演繹與推理能力、歸納與概括能力。

（3）科學(xué)探究：在實驗設(shè)計上善于發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，并進一步做出合理的改進措施。

（4）社會責(zé)任：進一步增進學(xué)生對生命的認識，同時關(guān)注微生物在生產(chǎn)實踐的應(yīng)用，更好地用科學(xué)知識指導(dǎo)生活。

二、實驗的改進與創(chuàng)新

（一）設(shè)計創(chuàng)新

傳統(tǒng)設(shè)計：對酵母菌細胞呼吸的產(chǎn)物進行定性分析，簡單驗證細胞呼吸產(chǎn)物的生成，難以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，拓展學(xué)生的科學(xué)思維。

創(chuàng)新設(shè)計：改進為定性定量實驗，拓展了實驗的寬度和深度，不僅使學(xué)生對呼吸作用有了更深刻的理解，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，還更適應(yīng)高考題目中的呼吸作用的實驗探究類題目。

（二）材料創(chuàng)新

傳統(tǒng)材料：食用酵母具有價格高、易腐爛、發(fā)酵時間長的特點，因此開展實驗不方便。

創(chuàng)新材料：將干酵母粉活化后制取酵母培養(yǎng)液開展實驗，材料易得，價格便宜，可在短時間內(nèi)發(fā)酵完成，同時聯(lián)系生活實際，吸引學(xué)生的興趣。

（三）方法創(chuàng)新

傳統(tǒng)方法：使用10%的NaOH溶液過濾空氣中的CO2來提供酵母菌細胞有氧呼吸所需的氧氣。這種方法可能導(dǎo)致CO2過濾不徹底從而影響實驗結(jié)果；使用酸性的重鉻酸鉀溶液檢測酒精，但未分解完全的葡萄糖也會使酒精變色，從而出現(xiàn)假陽性的實驗結(jié)果。

創(chuàng)新方法：通過FeCl3催化H2O2分解的方法制取氧氣；利用酒精加熱易揮發(fā)的性質(zhì)使用呼氣式酒精檢測儀檢測無氧呼吸產(chǎn)生的酒精。該方法增強了實驗的嚴密性和完整性，體現(xiàn)了學(xué)科融合的教育理念。

（四）裝置創(chuàng)新

傳統(tǒng)裝置：使用錐形瓶等裝置進行實驗，需要大量的實驗材料且耗時較長，對高中實驗課堂教學(xué)的開展難度較高。

創(chuàng)新裝置：使用注射器和輸液管等生活中常見的物品組裝實驗儀器，具有操作簡單、用時少及易于推廣的優(yōu)點。

本方法用到的實驗裝置有如下幾種。

1．定性實驗檢測裝置（圖1、圖2）

圖1 有氧呼吸定性裝置

圖2 無氧呼吸定性裝置

有氧呼吸定性實驗裝置：由兩個60 mL輸液管（A1管、A2管）、一個帶調(diào)節(jié)器的輸液管和一個試管（A3管）組成。通過輸液管連通兩個注射器。無氧呼吸定性裝置：由一個輸液管（B1管）、一個帶調(diào)節(jié)器的輸液管和一個試管（B2管）組成。直接將輸液管的另一端伸進B2管中。

呼吸作用產(chǎn)生的酒精，可通過酒精燈加熱使反應(yīng)液中的酒精揮發(fā)，使用呼氣式酒精檢測儀可檢測酒精含量（圖3）。

圖3 酒精檢測裝置

2．定量實驗檢測裝置（圖4、圖5）

圖4 有氧呼吸定量裝置

圖5 無氧呼吸定量裝置

細胞呼吸的定量實驗裝置與定性實驗裝置原理一致，但將兩個試管調(diào)整為兩個注射器，且C3管內(nèi)裝有30 mL的NaOH溶液。

三、教學(xué)過程的實施

（一）課前準(zhǔn)備

觀看傳統(tǒng)實驗操作視頻，參考教材案例的說明，查閱相關(guān)資料，提出問題：實驗方案是否嚴謹？有無更加科學(xué)、精準(zhǔn)的實驗方案？學(xué)生通過思考總結(jié)，商討研究完成實驗方案設(shè)計與改進，同時教師對學(xué)生的方案進行科學(xué)性指導(dǎo)。

（二）課堂探究

結(jié)合課前預(yù)習(xí)和制訂的探究方案，分兩個大組開展探究。各小組交流討論，分析實驗結(jié)果。

探究一：定性實驗——探究細胞呼吸的產(chǎn)物

學(xué)生根據(jù)定性實驗檢測裝置的原理來開展探究實驗：首先關(guān)閉調(diào)節(jié)器1，在A1管中制氧（加入5 mL H2O2溶液和10滴FeCl3溶液），A2管中加入5 mL酵母菌培養(yǎng)液。A1管反應(yīng)完成后打開調(diào)節(jié)器1，將產(chǎn)生的氣體推入A2管內(nèi)，關(guān)閉調(diào)節(jié)器反應(yīng)5分鐘后，在A3管中加入5 mL澄清石灰水溶液，取下A1管的連接口接入A3管內(nèi)，同時打開調(diào)節(jié)器1，將A2管內(nèi)的氣體推入A3管中，可觀察到A3管中溶液變渾濁。

無氧呼吸定性實驗裝置：關(guān)閉調(diào)節(jié)器2，B1管內(nèi)加入5 mL酵母菌培養(yǎng)液，B2管內(nèi)加入5 mL澄清石灰水溶液，反應(yīng)5分鐘后打開調(diào)節(jié)器1，將其中產(chǎn)生的氣體推入B2管內(nèi)，可觀察到B2管中溶液變渾濁。呼氣式酒精檢測儀上的讀數(shù)表示酒精的含量。整理實驗結(jié)果記錄，見表1。

表1 探究酵母菌細胞呼吸方式的結(jié)果記錄

探究二：定量實驗——有氧呼吸和無氧呼吸產(chǎn)生CO2量的關(guān)系分析

學(xué)生根據(jù)定量實驗檢測裝置的原理來開展探究實驗：與定性實驗裝置方法過程一致。首先記錄參與兩個反應(yīng)裝置的氣體體積a1、a2；待有氧呼吸結(jié)束后，將兩個裝置反應(yīng)產(chǎn)生的全部氣體轉(zhuǎn)移至C3管、D2管內(nèi)，記錄此時氣體體積b1、b2；NaOH溶液會吸收反應(yīng)產(chǎn)生的CO2，反應(yīng)結(jié)束后記錄C3管內(nèi)氣體體積c1，其中b1－c1即為有氧呼吸產(chǎn)生的CO2量，b2為無氧呼吸產(chǎn)生的CO2量。為減小實驗誤差，應(yīng)遵循實驗設(shè)計的平行重復(fù)原則，每組實驗重復(fù)3次，獲得實驗數(shù)據(jù)后取平均值。整理實驗結(jié)果記錄，見表2。

表2 探究酵母菌細胞有不同呼吸方式產(chǎn)生CO2量的結(jié)果記錄

各小組派代表匯報結(jié)果，班級進行討論互評。教師強調(diào)實驗過程中出現(xiàn)的問題及注意事項，并對呼吸作用的知識進行適當(dāng)?shù)耐卣狗治觯瑢τ醒鹾粑蜔o氧呼吸的關(guān)系進行解釋分析。

（三）課堂延伸

由于課堂教學(xué)時間有限，學(xué)生可以結(jié)合課堂經(jīng)驗，在課后進行進一步探究如下問題。

（1）氧氣濃度越高，酵母菌細胞呼吸產(chǎn)生的CO2越多？

（2）氧氣影響酵母菌的細胞呼吸，除此之外還有哪些因素可影響：CO2，溫度等？

（3）發(fā)酵時，利用酵母菌的特性如何控制氧氣使葡萄酒的釀制更加成功？

四、評價與反思

（一）教學(xué)評價

從學(xué)生的課堂表現(xiàn)以及操作的規(guī)范性、方案的嚴謹性、結(jié)果的科學(xué)性來看，本節(jié)實驗教學(xué)在完成基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)的同時，加深拓展了知識的理解和探究。

本節(jié)課堂設(shè)計合理，根據(jù)問題導(dǎo)學(xué)法和“假說演繹法”引導(dǎo)學(xué)生提出問題，并嘗試設(shè)計實驗解決問題，幫助學(xué)生形成科學(xué)的學(xué)習(xí)習(xí)慣和思維。這對學(xué)生學(xué)習(xí)其他文化科目及長遠的發(fā)展都具有一定的積極影響。

（二）教學(xué)反思

筆者通過對實驗設(shè)計、材料、方法、裝置等方面進行改進和創(chuàng)新，利用物理化學(xué)實驗的儀器方法、思維等多個方面進行學(xué)科借鑒融合，增強了實驗的嚴密性和完整性，提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信性。

本實驗改進的最大亮點是在原定性實驗的基礎(chǔ)上，加入了探究性更強的定量實驗，拓展了實驗的深度和寬度，通過數(shù)據(jù)的定量分析，使學(xué)生理性思維得以發(fā)展，科學(xué)探究能力進一步提升。