酵母菌細胞呼吸方式實驗的優化與再探究

馮曉靜

摘要 探討酵母菌呼吸方式實驗是高中生物實驗教學中經典的實驗內容，分別探討了酵母菌呼吸裝置的設計和實驗方法。針對不同的課堂設計對本節內容自變量、因變量的探討，以及再探究酵母菌在細胞呼吸中更深層的物質變化無能量轉換，可以為后續的理論知識學習打下基礎。

關鍵詞 酵母菌實驗裝置自變量實驗再探究

中圖分類號 Q-331

文獻標志碼 B

文件編號：1003-7586（2020）08-0036-02

酵母菌屬于兼性厭氧菌的單細胞真菌，既可以進行有氧呼吸，也可以進行產酒精的無氧呼吸。酵母菌呼吸方式是高中生物學教材《必修1·分子與細胞》中的一個探究實驗，要求學生設計和對比實驗，分析分別在有氧和無氧條件下酵母菌的呼吸情況，從自變量的控制（即氧氣的有無）、因變量二氧化碳的產生及含量的檢測以及酒精的檢測等方面探究兩種不同的呼吸方式。但該實驗難以操作，普通學校較難開展，故筆者對該實驗中自變量的控制、因變量的測定方法進行優化與總結，并且對實驗進行了拓展與再探究，從而使實驗更加科學，同時可為不同條件學校的需求提供選擇依據，也為學生開展探究實驗提供了新的課題。

1實驗方法的改進

1.1制造有氧環境的方法

教師盡量利用日常生活用品制造有氧環境，可購買市售的氧氣袋或便攜式氧氣瓶，直接從中抽取氧氣使用;或者利用空氣泵泵入，但空氣泵需要接入電源。教師也可以直接簡化實驗，取兩只注射器，一只為有氧裝置，一只為無氧裝置，其中有氧的裝置提前抽取部分空氣。

教師引導學生聯系化學中通過制造氧氣發生器制造氧氣，回憶已經學過的關于酶的內容：無機催化劑FeCl3可以催化H2O2釋放氧氣。接著，制造有氧環境：先在注射器中加入少量MnO2，再將H2O2吸入到注射器中，接著讓其混合反應，產生大量O2，再用一根橡皮管將O2推至酵母菌有氧呼吸的裝置中。該方法的優點是可以排除了空氣中其他氣體如CO2的干擾，確保參與反應的為O2;缺點為不可保障O2的持續供應。

1.2制造無氧環境的方法

教材的方法：若是錐形瓶或其他瓶裝置的實驗，則封閉瓶口，讓其反應一段時間，待其消耗完氧氣。該法較簡單，缺點是在等待的過程中，酵母菌會利用瓶中的氧氣進行有氧呼吸，產生CO2，干擾實驗結果。

用石蠟油或食用油隔絕空氣，在酵母菌葡萄糖溶液表面滴加石蠟油或食用油，從而隔絕空氣，人工制作一個無氧的封層。該法較為便捷，效果也比較好。

使用注射器制造缺氧環境是一種簡單易行的方法，在注射口的導管上夾上止水夾，防止空氣的進入。此方法較方便，注射器易購買，較廉價，亦方便操作。

1.3檢測二氧化碳的方法

目前為止，最簡單、常見的方法是“澄清石灰水”，也是在平時的實驗操作中最常使用的。教師引入“溴麝香草酚藍水溶液”。此前，學生從未接觸過該溶液，且該反應中顏色變化較復雜，因此教師可以邀請一位學生上臺，讓其對著溴麝香草酚藍水溶液的試管吹氣，其他學生可以觀察到試管中的溶液由原本的藍色慢慢變成了綠色最后變成黃色。前面兩種方法較常用也較簡單，但若將實驗從定性升級為定量實驗，可以采用二氧化碳傳感器實時記錄二氧化碳產生量。

1.4檢測酒精的方法

檢測酒精的方法基本采用重鉻酸鉀法，只需要在酵母菌培養液中滴加重鉻酸鉀溶液即可，比較簡單。但該實驗也有值得注意的地方，如單從實驗現象無法排除重鉻酸鉀與葡萄糖溶液反應產生顏色反應的可能，故可在葡萄糖溶液中滴加重鉻酸鉀溶液，觀察顏色變化。但這依然無法排除溶液中酵母菌及其他產物的影響。故若為證明酒精的存在，可以額外開展探究實驗，用“蒸餾法”將酒精蒸發處理，具體操作過程為：將酵母菌培養液放入90℃的水浴中，讓酒精揮發到有重鉻酸鉀的試管中，觀察顏色變化。

檢測酒精還可以直接使用市售的酒精檢測儀檢測，排除以上所述無關條件的干擾，精確直觀。

2實驗的再探究

2.1有氧呼吸吸收O2含量與產生CO2含量的比較

簡易裝置中，使用注射器的有氧裝置，在反應前后刻度不變，說明酵母菌有氧呼吸中吸入的氧氣等于放出的二氧化碳量。利用傳感技術實時計算單位時間內O2減少量的變化與CO2增加量，計算所得結果發現數值很接近（圖1）。

2.2有氧呼吸和無氧呼吸產生熱能的測定

使用溫度傳感器對有氧和無氧裝置中的前后溫度進行檢測（圖2），有氧呼吸溫度前后增加了0.4℃，無氧呼吸增加了0.1℃。

另一個簡易的方法是用溫度計測量，將實驗裝置放于保溫瓶中。學生分組實時動態記錄溫度變化。結果發現有氧呼吸的溫度上升高于無氧呼吸裝置。

3實驗總結與反思

3.1改進后的實驗更加簡便

本節實驗內容知識量大，思維量大，課前準備量也比較大，對教師和學生的要求比較高。以上的幾個實驗的改進之處大都可以將實驗變得更加簡便或是更加精確。推薦采用注射器法，注射器作為市售的可得廉價商品，不僅更加精確，而且節省材料用量，效果顯著。

3.2實驗改進有利于提高實驗的科學性

通過對實驗操作進行改進，利用現有的技術進行更加精確的定量實驗，可以更明確地對有氧呼吸和無氧呼吸的產物和產物量進行分析。例如，采用氧氣泵來供應氧氣，在一定程度上保證了氧氣源源不斷地供應，從而解決了傳統方法因為氧氣供應不足而進行無氧呼吸的問題。利用氧氣、二氧化碳、溫度傳感器可以進一步探究呼吸過程中的物質變化，為后續的學習奠定基礎，也讓學生有更直觀的認識。

3.3可以提升學生的核心素養

教師可以選擇多種改進方法或者進行再探究，也可以讓學生在課外進行再探究，實施相關課題或社團的動手操作，不僅可以豐富學生的視野，也可以拓展學生的思維，從而提高學生的探究能力。除此之外，實驗由于操作時需用到重鉻酸鉀等具有強腐蝕性的試劑，故操作時教師應要求學生帶上護目鏡、橡膠手套或口罩以保障自身安全，使學生養成良好的實驗操作習慣。這些都可以提升學生的生物學學科核心素養。

3.4充分利用現代技術提高教學效率

在實驗操作中，很多與實驗匹配的實驗操作工具為授課提供了極大的幫助。例如，軟件希沃授課助手的運用，能實現移動終端與PC（及智能平板）之間的多個平臺互聯互動的應用軟件。教師利用希沃授課助手將智能手機一鍵拍照上傳，時刻分享學生的實驗操作，不再限于三尺講臺、實時投影，對學生所連接的實驗裝置以積極所得實驗現象進行拍攝講解或實時直播。傳感器也為生命科學實驗的拓展和探究打開了一扇窗，通過數字化實驗，將實驗數據傳入電腦。這樣采用簡單的手段獲得相對精確的實驗結果，可以節約課堂時間，提高課堂效率。

3.5可以提升教師的科學素養

由于教師在授課過程中需要高度關注生物學學科核心素養的達成，涵蓋了生命觀念、科學思維、科學探究、社會責任四個方面的基本要求。科學探究層面上要求學生對實驗有不同程度的掌握。學生能夠熟練完成書本上給出的實驗僅僅是達到了前兩個階段的水平，但最高階段的水平需要恰當并熟練使用工具展開觀察，針對日常生活的真實情境提出問題，再基于對相關資料的查閱設計并實施可行性方案，并能夠運用多種方法記錄，甚至創造性地使用數學方法分析實驗結果，最后可以在團隊中組織交流，運用科學術語精準闡明實驗結果。這種高標準的實驗要求則是該實驗創新操作的原因，可以在一定程度上的創新并完成實驗，得出精確的實驗結論，對提高學生的生物學學科核心素養有很大的幫助。