基于科學探究的高中生物學實驗改進

張力希 錢敏艷

摘要“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗中，通過改進傳統實驗裝置，優化實驗條件，利用數字化技術實時對比和監測酵母菌在有氧和無氧條件下的CO2生成量、酒精產生量及產熱情況等指標，同時采用血糖儀對比兩種條件下葡萄糖的消耗量。

關鍵詞 科學探究 細胞呼吸 數字化技術 實驗改進

中圖分類號G633. 91文獻標志碼B

生物學是一門基于實驗的自然科學，高中生物學實驗教學是培養學生生物意識、科學思維習慣和提升學科核心素養的重要途徑。《普通高中生物學課程標準（2017年版）》指出，要改變課程實施過于強調接受學習、死記硬背的現狀，倡導學生主動參與、樂于探究、勤于思考，培養學生獲取新知識的能力、交流合作的能力等。以“探究酵母菌細胞呼吸的方式”為例，傳統的實驗教學由于課時、實驗材料、裝備等問題，通常是向學生演示該實驗，這種方法大大降低了學生的主觀能動性。因此，在新課改新高考背景下，筆者通過改進實驗裝置、創新實驗策略、優化實驗方案，引導學生積極參與到課堂的學習和研究，真正激發學生學習的主動性，鍛煉學生分析、解決問題的能力。

1分析教材內容，發現實驗不足

“探究酵母菌細胞呼吸的方式”是人教版高中生物學教材中可以開展的一個探究性實驗，內容豐富，在動手操作、數據分析和聯系生活實際等方面具有較高價值。通過實驗，學生可初步認識酵母菌在有氧和無氧條件下呼吸產物的不同。但在實際教學開展該實驗時，往往會遇到以下困難：①該實驗氣密性要求高，實驗過程較長，一般需要8～10 h才能完成；②有氧和無氧條件的控制不精準，會導致有氧呼吸和無氧呼吸開始的時間不明確；③對CO2和酒精產生量只能做到定性，不能做到定量；④傳統實驗設計中，不能控制酵母菌的有氧呼吸和無氧呼吸同時進行，不能實時對比兩種呼吸方式下CO2量、產熱情況、酒精生成量以及葡萄糖的消耗量等指標。

2創新實驗策略，提高實驗效率

為了能更好地開展課堂教學，筆者對傳統的實驗進行了改進，利用傳感器將生成的CO2、酒精及產熱情況可視化，同時實時對比酵母菌在兩種呼吸方式下消耗葡萄糖的情況。改進后的實驗可以通過簡單的手段獲得精確的實驗結果，節省了時間。教師還可將演示實驗改為分組探究實驗，提高學生的自主探究能力。

2.1實驗裝置改進

2.1.1創設有氧和無氧裝置

教師綜合利用物理知識和化學知識，設計氧氣發生裝置，如圖1和2所示。該裝置中，注射器中加入體積分數為20%的H2O2溶液，雙支口尖底玻璃瓶中加入質量分數為5%的FeCl3溶液，玻璃瓶置于磁力攪拌器（帶鐵架臺），用硅膠管連通儀器形成恒壓裝置，以保證液體順利滴落。此外，設計了2個三通閥，一個控制液體的開關，另一個通過固定三通閥的角度，控制H2O2溶液的流速為每分鐘20滴，進入FeCl3溶液發生反應，使得產氧速度適中，實驗效果好。該裝置還可以通過三通閥角度調節流速從而調整進氧量，為進一步探究氧氣濃度對酵母菌呼吸作用的影響提供可能性，為課外拓展實驗提供一定的思路。無氧裝置中通過滴加石蠟油對反應液進行液封，隔絕空氣，實現真正的無氧環境。

2.1.2設計加樣和取樣口，巧用定量注射器

在有氧裝置和錐形反應瓶之間設計加樣和取樣口，通過三通閥控制液體的進出。巧用注射器在加樣口定量加入葡萄糖溶液。在無氧裝置中也設計了加樣和取樣口，通過注射器同時注入等量葡萄糖溶液，控制有氧和無氧裝置的反應同時進行，達到實時對比有氧和無氧呼吸方式下CO2等指標的目標。另外，也可在不中斷實驗反應的前提下，中途取樣，實時監測反應的進程。

2.1.3采用雙支口錐形瓶，增加磁力攪拌器

改進后的實驗采用定制的雙支口錐形瓶代替傳統錐形瓶，可以減少玻璃導管的使用，方便與傳感器的連接，更快捷地檢測實驗指標，同時減少了傳統實驗錐形瓶的使用數量，簡化實驗裝置。

反應過程中錐形瓶置于磁力攪拌器上，有利于酵母菌充分接觸葡萄糖溶液，減少局部反應的影響，使得反應更均勻。前期，學生通過多次預實驗，排除磁力攪拌器轉子轉動對反應溫度的影響，充分體現了實驗設計的嚴謹性。

2.2實驗材料改進

實驗試劑：安琪酵母，葡萄糖粉末，消泡劑，石蠟油，蒸餾水，體積分數為30%的H2O2溶液，FeCl3固體，酸性重鉻酸鉀溶液。

實驗儀器：CO2傳感器，溫度傳感器，乙醇傳感器，血糖儀，移液槍，250 mL雙支口錐形瓶，150 mL尖底雙支口玻璃瓶，平底雙支口玻璃瓶，燒杯，平底管，量筒，試管，注射器，磁力攪拌器，電子天平，計算機等。

2.3實驗內容改進

雙支口錐形瓶連接CO2傳感器、溫度傳感器以及乙醇傳感器，利用傳感器收集和分析數據，實時監測和對比酵母菌在兩種條件下的產物的生成量，同時通過取樣口抽取一定量的反應液，并利用血糖儀分析反應液中剩余葡萄糖的量，對比相同時間下，酵母菌在有氧和無氧環境中的葡萄糖消耗量。

3實現定量分析，優化教學效果

學生組成興趣小組，經過多次實驗和多輪改進，設計不同濃度（質量分數為1%～10%）的酵母菌溶液和不同濃度（質量分數為4%～20%）的葡萄糖溶液，按照不同的比例（4∶1，3∶1，2∶1，1∶1）混合后分析數據。為保證酵母菌在有氧和無氧條件下能正常生存，同時使實驗檢測的各項指標的差異化更大，考慮到能在課堂的短時間內更好地呈現數據，給學生留有充足的時間思考和分析出現的各種問題，最終按照酵母菌/葡萄糖體積比例為3∶1，選擇酵母菌溶液質量分數為8%，加入240 mL、室溫預活化15 min后加入一定量消泡劑（每500 mL中加入1 mL），葡萄糖溶液質量分數為12%，注射器中各吸入80 mL，在室溫下進行實驗。

3.1數字化實驗結果分析

連接實驗裝置，打開加樣口，同時加入80 mL葡萄糖溶液。依次打開氧氣發生裝置、磁力攪拌器、傳感器接入口、采集數據，結果如圖3所示。

反應4 min后，傳感器數據顯示，酵母菌在有氧條件下CO2指標上升5.4816%（釋放CO254 816 ppm），無氧條件下上升0.003%（釋放CO230 ppm），測得有氧條件下溶液溫度上升0.88℃，無氧時僅上升0.3℃。乙醇傳感器測得無氧條件下酵母菌產生酒精量為0.19%。以上結果說明，酵母菌在有氧條件下產生更多的CO2、釋放更多的熱量，在無氧條件下會產生一定量酒精。

3.2課堂教學效果評價

教師通過改進實驗裝置，優化實驗條件，將課堂時間更多地留給了學生，激發了學生課堂參與的熱情。教師引導學生分析實驗結果，幫助學生初步構建了“生物通過細胞呼吸將儲存在有機物中的能量轉化成生物體可以利用的能量”生物學概念，并引導學生從物質與能量的視角去探索呼吸作用，明晰了兩種呼吸方式的異同，最終達成了本節課的教學目標。

3.3實驗結果再探究

課堂實驗中，學生采用血糖儀測定反應液中的葡萄糖剩余量時發現：相同時間內，酵母菌在有氧條件下消耗更多的葡萄糖，該結論似乎和“酵母菌在無氧條件下消耗更多葡萄糖”的結論是相悖的。此外，也有學生在課堂中采用傳統的重鉻酸鉀鑒定酒精的方法，向兩種呼吸條件下的反應液中滴加等量的重鉻酸鉀，溶液均出現灰綠色。這又是怎么一回事呢？

為進一步探究，小組設計表1，測定不同反應時間后反應液中的葡萄糖剩余量。

每隔4 min用血糖儀檢測反應液中的葡萄糖濃度，計算酵母菌在有氧和無氧條件下的葡萄糖消耗量。實驗結果顯示，反應相同時間，酵母菌在有氧條件下會消耗更多的葡萄糖。

為探究酵母菌有氧條件下反應液中出現灰綠色的情況，學生查閱資料后發現，酸性介質中乙醇具有還原性，將六價鉻還原為三價鉻，溶液由橙紅色變成灰綠色，而葡萄糖也具有還原性，故可將六價鉻還原。小組在質量分數為12%的葡萄糖溶液中加入等量酸性重鉻酸鉀，溶液呈灰綠色，說明有氧條件反應液中出現灰綠色的原因是存在剩余的葡萄糖。

4結語

改進后的實驗從CO2生成量、產熱量、酒精生成量、葡萄糖消耗量4個維度實時對比分析酵母菌呼吸方式的差異性。教師利用傳感器進行實時監測，方便捕捉細微變化，使整個反應過程可視化、直觀化，同時從定性和定量兩個角度對酵母菌的呼吸方式進行了詳細分析。改進后的實驗操作方便，數據分析簡單，效果對比明顯，可用于普通高中生物學實驗課堂。此外，利用該裝置，學生可進一步探究不同pH、溫度、O2濃度以及不同糖源等因素對酵母菌呼吸方式的影響，為后續學習細胞呼吸的原理和應用作鋪墊。

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