“探究酵母菌細胞呼吸的方式”的實驗創新

廣東省中山市小欖中學 杜 倩

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》教學建議指出，教師在完成教學任務時要高度關注生物學核心素養的達成。落實核心素養的關鍵是組織以探究為特點的主動學習，實驗教學是開展探究活動的重要載體，也是落實學科核心素養的有效途徑。目前，多數生物學教師在一線教學過程中，因實驗效果差、實驗室硬件設施不健全和課時緊張等因素影響，對實驗教學多以講述實驗過程和觀看演示實驗視頻為主，較少組織學生親歷實驗，造成實驗教學效果不明顯，核心素養落實不到位。通過對高中生物學實驗進行創新和改進，優化實驗教學，帶領學生主動參與實驗方案設計，開展探究活動，可更顯著提高教學效果。筆者以“探究酵母菌細胞呼吸的方式”為例，探討基于生物學核心素養的高中生物學實驗改進和創新。

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》必修一第5章第3節細胞呼吸的原理和應用“探究·實踐”的實驗活動。這個實驗探究對開展教學有一定的難度，教材提供的參考案例操作難度較大，耗時相對較長，一個課時內往往難以完成，同時驗證性實驗通過講解即可讓學生理解。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，使學生對酵母菌細胞呼吸作用的理解以及應用該原理解決實際問題的能力受到一定程度的影響。

（二）改進實驗培養核心素養的達成

筆者通過對實驗設計、材料、方法、裝置等方面進行改進和創新，在教學實施過程中，以學生主動參與設計和小組合作探究為主線，引導學生通過觀察現象、發現問題到提出假設、實驗驗證，得出結論等步驟與小組同學合作和交流，提升學生的核心素養。

（1）生命觀念：學生在理解細胞呼吸的方式及結果的同時，形成結構與功能觀、物質與能量觀。

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

（3）科學探究：在實驗設計上善于發現問題，提出問題，并進一步做出合理的改進措施。

（4）社會責任：進一步增進學生對生命的認識，同時關注微生物在生產實踐的應用，更好地用科學知識指導生活。

二、實驗的改進與創新

（一）設計創新

傳統設計：對酵母菌細胞呼吸的產物進行定性分析，簡單驗證細胞呼吸產物的生成，難以培養學生的科學探究能力，拓展學生的科學思維。

創新設計：改進為定性定量實驗，拓展了實驗的寬度和深度，不僅使學生對呼吸作用有了更深刻的理解，培養學生的學科核心素養，還更適應高考題目中的呼吸作用的實驗探究類題目。

（二）材料創新

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

創新材料：將干酵母粉活化后制取酵母培養液開展實驗，材料易得，價格便宜，可在短時間內發酵完成，同時聯系生活實際，吸引學生的興趣。

（三）方法創新

傳統方法：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。這種方法可能導致CO2過濾不徹底從而影響實驗結果；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，從而出現假陽性的實驗結果。

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

（四）裝置創新

傳統裝置：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的開展難度較高。

創新裝置：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）、一個帶調節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）、一個帶調節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。

呼吸作用產生的酒精，可通過酒精燈加熱使反應液中的酒精揮發，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，但將兩個試管調整為兩個注射器，且C3管內裝有30 mL的NaOH溶液。

三、教學過程的實施

（一）課前準備

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

（二）課堂探究

結合課前預習和制訂的探究方案，分兩個大組開展探究。各小組交流討論，分析實驗結果。

探究一：定性實驗——探究細胞呼吸的產物

學生根據定性實驗檢測裝置的原理來開展探究實驗：首先關閉調節器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酵母菌培養液。A1管反應完成后打開調節器1，將產生的氣體推入A2管內，關閉調節器反應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，同時打開調節器1，將A2管內的氣體推入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：關閉調節器2，B1管內加入5 mL酵母菌培養液，B2管內加入5 mL澄清石灰水溶液，反應5分鐘后打開調節器1，將其中產生的氣體推入B2管內，可觀察到B2管中溶液變渾濁。呼氣式酒精檢測儀上的讀數表示酒精的含量。整理實驗結果記錄，見表1。

表1 探究酵母菌細胞呼吸方式的結果記錄

探究二：定量實驗——有氧呼吸和無氧呼吸產生CO2量的關系分析

學生根據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裝置的氣體體積a1、a2；待有氧呼吸結束后，將兩個裝置反應產生的全部氣體轉移至C3管、D2管內，記錄此時氣體體積b1、b2；NaOH溶液會吸收反應產生的CO2，反應結束后記錄C3管內氣體體積c1，其中b1－c1即為有氧呼吸產生的CO2量，b2為無氧呼吸產生的CO2量。為減小實驗誤差，應遵循實驗設計的平行重復原則，每組實驗重復3次，獲得實驗數據后取平均值。整理實驗結果記錄，見表2。

表2 探究酵母菌細胞有不同呼吸方式產生CO2量的結果記錄

各小組派代表匯報結果，班級進行討論互評。教師強調實驗過程中出現的問題及注意事項，并對呼吸作用的知識進行適當的拓展分析，對有氧呼吸和無氧呼吸的關系進行解釋分析。

（三）課堂延伸

由于課堂教學時間有限，學生可以結合課堂經驗，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）教學評價

從學生的課堂表現以及操作的規范性、方案的嚴謹性、結果的科學性來看，本節實驗教學在完成基礎知識學習的同時，加深拓展了知識的理解和探究。

本節課堂設計合理，根據問題導學法和“假說演繹法”引導學生提出問題，并嘗試設計實驗解決問題，幫助學生形成科學的學習習慣和思維。這對學生學習其他文化科目及長遠的發展都具有一定的積極影響。

（二）教學反思

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

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，通過數據的定量分析，使學生理性思維得以發展，科學探究能力進一步提升。