利用pH傳感器探究酵母菌細胞呼吸的方式

李培青　郭軍英

摘要 利用pH傳感器對酵母茵的細胞呼吸進行實時檢測，反應靈敏，現象直觀;對得到的數據加以定量分析，可以準確判斷細胞呼吸的方式。

關鍵詞 pH傳感器酵母菌 細胞呼吸 探究實驗

中圖分類號G633. 91 文獻標志碼B

“酵母菌細胞呼吸的方式”是人教版生物《必修1.分子與細胞》第五章第三節中一個重要的探究性實驗。酵母菌的細胞呼吸是一個溫和的過程，釋放產物CO2比較緩慢，如果用教材推薦的澄清石灰水檢測CO2耗時較長，且現象不夠明顯。筆者指導學生借助pH傳感器檢測因通入CO2而引起Na2CO3溶液的pH靈敏變化，探究細胞呼吸的方式，進而加深學生對細胞呼吸本質的理解。

1 實驗背景分析

1.1數字化手段與生物教學的融合

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》明確指出：高中生物課程應關注信息化環境下的教學改革，及時更新教學內容和手段。利用數字化手段為學生的生物學習搭建新的平臺，營造新的學習環境，豐富傳統實驗教學，優化教學環節，有利于引發學生的再思考。數字化信息技術與學科教學的整合已是學術界和教學實踐過程中專家和教師公認的基本理念。借助數字化手段進行探究活動帶來的不僅僅是一種經歷和體驗，更多的是帶給學生深度學習的思考與成長。

1.2 生物傳感器

生物傳感器原理是以酶、細胞等生物活性材料為感知元件，通過換能器將生物反應的信息轉化成可定量識別的數字信號。生物傳感器具有特異性強、靈敏度高、簡單快速等優勢，在食品分析、環境監測等領域應用廣闊。教師借助現代化實驗技術，可以使枯燥的實驗過程變得有趣，有利于提高實驗教學效率，培養學生的主動探索、自主探究的創新能力。然而大量的隨機訪談結果表明，很多學生沒有使用過傳感器。

1.3 pH傳感器

生物傳感器種類較多，如溫度傳感器、CO2傳感器、O2傳感器在實驗教學案例中已有應用。本實驗嘗試借助pH傳感器檢測因通入CO2而引起Na2CO3溶液的pH變化。飽和的Na2CO3呈堿性，當CO2通入飽和的Na2CO3溶液中會發生反應：CO2+Na2CO3+H2O=2NaHCO3。由于NaHCO3的水解程度小于Na2CO3的水解，所以H+濃度增多，故生成的NaHCO3溶液pH減小。實驗證明，該裝置反應靈敏，直觀簡潔，可視性強。

2 實驗探究過程

2.1 材料與裝備

發酵瓶、錐形瓶、燒杯、量筒、市售安琪酵母、蒸餾水、NaOH溶液、飽和Na2CO3溶液、緩沖液（pH 8.0）、精密pH儀、北京友高（YOCO）超級數據采集器、pH傳感器等。

2.2 設計探究清單

針對本探究實驗設計切實可行的探究方案，討論斟酌并最終確定探究清單，既激發學生主動參與意識，又發展學生的科學探究素養。

2.3 連接裝置

教師指導學生連接兩組細胞呼吸裝置（圖1），連接pH傳感器，檢查密封性，調試傳感器。

2.4 開始預實驗

配制酵母菌培養液，在A、B瓶的右側都連接裝有飽和Na2CO3溶液，并連接pH傳感器測量端的廣口瓶，在B瓶左側連接有NaOH溶液的廣口瓶，并不斷通入空氣。打開采集器電源，將pH傳感器與數據采集器相連。在pH為8.0的緩沖溶液中對pH傳感器進行校正，同時借助精密pH儀進行驗證，確保初始值的精確度。pH傳感器設置為每1秒讀取1次數值（另有小組設置為每5秒讀取1次數值），數據采集10 min。

2.5 采集數據

單擊記錄數據，計算機數據采集器開始記錄Na2CO3溶液的pH變化。經過一段時間的實驗后，待pH曲線出現明顯變化后單擊停止記錄。利用計算機強大的數據處理功能繪制曲線，通過數字和圖表等直觀數據的分析來準確反映定量實驗的結果。

3 結果與分析

3.1 實驗結果

借助友高數字化實驗系統的數據處理功能自動生成時間-pH變化曲線（圖2、圖3），可以直觀呈現酵母菌在有氧和無氧條件下的CO2生成量存在差別，下面的藍色曲線（有氧條件）下降相對更為明顯。在實驗初始階段酵母菌呼吸產生的CO2使得Na2CO3溶液pH值下降，后來都趨于穩定。

3.2 實驗分析

酵母菌的細胞呼吸是一個溫和緩慢的過程，其中微弱的、瞬時的物質變化可被靈敏的pH傳感器以電信號形式顯示，使實驗結果量化。本探究實驗設置了兩組讀取參數，即每Is讀取1次數值和每5s讀取1次數值。在相同的時間（10 min）內.兩組探究實驗讀取的次數不同，但是圖2和圖3中呈現的兩種呼吸方式所引起的pH變化曲線幾乎一致。這說明在無關變量相同且適宜的條件下，有氧呼吸比無氧呼吸引起的pH變化更明顯，而與讀取參數的設置無關。此外，外界的溫度、酵母菌的數量、葡萄糖的含量、飽和Na2CO3溶液的體積都會影響數據采集的有效時長。

4 實驗創新感悟

本探究實驗結合學校的優勢和教學的需要，將pH傳感器與數字化系統有機結合，改進實驗教學手段，實現了信息技術與生物學實驗整合的突破，滿足了學生的學習需求，符合學生中心理論。

在中學教材中酵母菌的細胞呼吸實驗屬于定性實驗，本探究實驗借助pH傳感器能輕易地根據pH變化做出準確的判斷，使學生領略到定量試驗在科學探究中的重要性。此外，學生能直觀感受pH傳感器持續檢測的精確度高，利用計算機處理大量數據，定量分析更加科學。

研究性學習小組全程參與，學生學在其中，從設計探究清單、掌握傳感器的功能、硬件連接方式、數據分析軟件的使用等，并對獲得的信息進行加工和應用，所以本探究實驗的開展，不僅能有效促進實驗教學，培養學生的主動探索，自主探究的創新能力，還能進一步培養學生的獲取信息素養，也符合STEM課程的教學理念。

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