基于學科核心素養的“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗教學設計

李小玲

(山東省東營市第二中學 東營 257000)

1 教材分析及設計思路

“探究酵母菌細胞呼吸的方式”是人教版高中生物學教材中的一項學生活動，是學生在學習了“線粒體”和“細胞的能量通貨——ATP”等相關知識之后，學習“細胞呼吸”等知識之前的一個探究性實驗。教材要求學生通過探究活動，設計和進行對比實驗，分析有氧和無氧條件下酵母菌細胞呼吸的情況。但教材提供的裝置和操作方法，在課程實施過程中受到實驗條件的限制，影響實驗課效果。

為此，需要優化實驗裝置，并在此基礎上通過科學探究的一般過程，引導學生探究酵母菌細胞呼吸的方式，以此增強學生對自然現象的好奇心，掌握科學探究的基本思路和方法，發展科學思維，逐步培養學生的生物學學科核心素養。

2 教學目標

依據課程標準中的內容要求、學業要求及學業質量標準，并圍繞培養學生核心素養的要求，制訂了如下的教學目標：

(1) 學會在真實情境下提出問題、設計實驗、分組實施及結果分析等步驟，掌握科學探究的思路和方法，發展科學思維。

(2) 通過檢測酵母菌細胞呼吸產物，能夠準確說出有氧呼吸與無氧呼吸的條件和產物。

(3) 通過對酵母菌細胞呼吸方式的探究，探討生產生活中細胞呼吸原理的應用，形成社會責任感。

3 實驗裝置設計及操作優化

(1) 有氧呼吸裝置： 以注射器作為反應容器，利用MnO2催化H2O2分解制備氧氣(圖1)，代替教材中利用橡皮球或氣泵間歇性通氣創造有氧環境，操作簡單，且省去NaOH除CO2裝置。

圖1 有氧呼吸裝置

(2) 無氧呼吸裝置： 利用注射器作為反應容器(圖2)，堵塞針頭，確保酵母菌真正只進行無氧呼吸，可通過注射器刻度直接讀取無氧呼吸過程中CO2的產量，不僅做到了定性檢測，且實現了定量檢測。

圖2 無氧呼吸裝置

(3) 檢測CO2方法： 分別將有氧、無氧條件下注射器中的酵母菌培養液產生的氣體推入含有溴麝香草酚藍水溶液的注射器(圖3)，可快速檢測CO2，效果明顯。

圖3 檢測CO2裝置

(4) 檢測酒精方法： 葡萄糖和酒精在酸性條件下均能與橙色的重鉻酸鉀反應變成灰綠色，若有氧呼吸裝置中葡萄糖未全部耗盡，則干擾實驗結果。由于酒精沸點低，可利用蒸餾法分離酒精，再利用酒精檢測儀進行檢測(圖4)，既保證實驗結果的準確性，又可讀取酒精的含量，做到定性檢測與定量檢測協調統一。

圖4 檢測酒精裝置

4 教學過程

4.1 創設情境 導入新課 向學生展示提前準備好的A、 B兩組發面團，A組充分接觸空氣，B組用塑料袋密封。引出與發面過程相關的酵母菌。

設計意圖： 通過學生熟悉常見的發面現象，激發學生的探究欲望，引出本節教學內容。

4.2 觀察現象 提出問題 通過觀察兩組發面團中蜂窩狀組織等，引導學生積極思考、提出問題，并作出假設，根據實驗條件篩選出部分探究性問題及假設(表1)，由此生成兩個探究性課題： 探究酵母菌在有氧條件下細胞呼吸的產物、探究酵母菌在無氧條件下細胞呼吸的產物。

設計意圖： 針對日常生活中的真實情境，引導學生發現現實生活中的生物學問題，鼓勵學生思考，促使學生學會抓住情境中的關鍵現象，并提出清晰明了、可探究的生命科學問題，為后續實驗指明方向。

表1 根據發面現象提出的問題及作出的假設

4.3 設計實驗 驗證假設 通過對探究實驗流程及實驗原理的講解、教材裝置局限性的分析，引導學生設計實驗方案，并畫出裝置圖，教師利用希沃授課助手中的拍照上傳功能將具代表的可行性方案同屏到一體機屏幕上，并進行指導和完善。之后全班分為兩個大組，分別探究酵母菌在有氧條件、無氧條件下細胞呼吸的產物。

各小組組裝實驗裝置，實施實驗方案，教師巡視過程中將學生出現的問題及操作失誤同屏到一體機，及時進行糾正。實驗結束后每組學生填寫實驗記錄表(表2)。

設計意圖： 明確實驗方向后，引導學生自主設計實驗方案，培養學生運用科學方法解決問題的思維習慣，提高學生創新能力；通過方案的實施，鍛煉學生實踐能力，培養團隊合作精神，掌握科學探究的思路和方法。并且利用希沃授課助手中同屏技術及時展示教學過程中出現的問題，實時答疑解惑、糾正失誤，令學生印象深刻。

表2 “探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗記錄表

4.4 分析結果 得出結論 實驗結束后，各小組派一名代表展示分析本組實驗結果，闡明是否符合預期，得出結論，利用Excel軟件統計酵母菌無氧呼吸過程中CO2的產量，求出平均值，并總結實驗過程中新生成的問題，如： ①有氧呼吸的產物是否只有CO2，教師引導學生觀察有氧條件下發面團，周圍有水的形成，推測有氧呼吸的產物不僅有CO2，還有水；②如何檢測有氧條件下CO2的產量，教師引導學生討論，集思廣益，最終學生提出利用NaOH等堿性溶液吸收有氧裝置中的CO2，注射器中氣體總量減去剩余氣體量，即為有氧呼吸中CO2的產量。學生交流情況匯總如表3所示。

表3 學生交流匯總表

設計意圖： 不同小組通過對實驗結果的展示與交流，驗證了實驗猜想，得出結論，學生親歷科學探究實驗的一般流程。學生在分析實驗結果的過程中思維得以延伸，提出了有價值的探究問題，并在尊重實驗事實的前提下，用科學的思維方法去解決這些問題，于細微處逐步發展學生科學思維，在后續自主探究實驗中再次落實生物學學科核心素養中的科學探究。

4.5 評價與反思 學生展示成果后填寫實驗評價表(表4)，讓學生在評價中獲取有效的反饋信息，提高自己的學習水平，肯定自己的成績，找到自己的不足。教師在此基礎上引導學生對實驗過程及實驗設計進行優化，不斷完善方案。

設計意圖： 采用學生自評和互評及教師評相結合的形式，并結合學生課堂行為表現來衡量學生的學習態度和能力，教師利用評語及時反饋學生學習情況，激發學生學習的主動性、提高學生應用所學知識解決實際問題的能力，促進學生生物學學科核心素養的養成。

表4 “探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗評價表

5 教學反思

本節課是以生活中發面團這一真情實境為導向，依據科學探究實驗的一般流程展開，旨在培養學生的生物學學科核心素養，尤其是科學探究和生物學實踐能力。通過本節探究式教學，為學生提供了探究、自主、合作式學習的機會，搭建了動手實踐和體驗的舞臺，相比于被動地接受知識、按部就班地完成教材實驗，學生更樂于自主探究，以此獲得成就感，提升實驗探究能力，逐步發展科學思維；教師利用同屏技術集思廣益，實現實驗設計的多樣化；實驗裝置做到了定性檢測與定量探究協調統一，讓學生在量的變化中了解事物的本質。