用输液器改进“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验

一、整合内容本身和学习过程

首先利用学生亲身经历过的事实创设问题情境；然后，对学生科学分组和分工，使各小组做到合理搭配，分工细致、职责分明；再利用学生初中阶段学过呼吸作用的知识作为认知基础，充分挖掘教材内容，引导学生根据课本知识，主动探究酵母细胞的呼吸方式。教师所设计的问题应该由浅入深、由易到难、层层递进，为学生提供活跃创造性思维的载体，令学生“身临其境”。教师也可以利用学生自己产生的疑问来设计教学。例如，学生在认知过程中的猜想和假设，酵母菌有氧呼吸除了有CO2产生还有其他物质产生吗?学生的深层思考——酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸产生的CO2到底谁多谁少?学生在探究和问题再生的过程中所得到的思维结果——其他生物无氧呼吸也产生酒精吗?学生在原有的思维基础上获得更多的发展空间——是否还有其他的方法来检测CO2和酒精?这样既关联到核心知识，又关联到核心思想方法，更关联到学生发展的核心素养。

二、批判性地学习知识和思想

如果上述带有一定难度的问题介于学生现有水平和可能的发展水平两者之间的最近发展区，又符合学生的认知习惯，就能调动学生探究的积极性，发挥其潜能。教师基于实验原理，提出问题，引导学生小组进行合作：怎么鉴定有无CO2产生?如何比较CO2产生的多少?重铬酸钾溶液检测酒精在其他酸性条件下也变成灰绿色?引导学生，思考实验材料与实验试剂的选择以及实验装置的设计：为什么选择单细胞的酵母菌?怎么配制酵母菌培养液?怎样保证酵母菌在整个实验过程中能保持活性?为什么选择糖类最合适?糖类中为什么选择葡萄糖更好?你可以设计出比教材所示的更简便实用的实验装置吗?各学习小组讨论实验步骤，构建自己的见解，在各种观点之间建立多元联接。此时，教师适时地补充问题：①本实验的自变量是什么?因变量是什么?无关变量又是什么?②设置几组实验?哪个是实验组?哪个是对照组?③怎样控制有氧和无氧的条件?学生在理解事物的基础上不断地质疑辨析，在质疑辨析中加深对深层知识和复杂概念的理解，并把它们纳入原有的认知结构中，顺利进行下一个发展区，进而更主动地参与学习和构建知识的过程。

三、实现知识的同化和顺应

进入实验室，学生在活动过程中又不断地调整原有认知结构：

有的学生用温水活化酵母菌；有的学生在各瓶中依次加入特定的溶液和活化好的酵母菌菌种；有的学生按照教材的设计来连接组装实验装置；有的学生接通通气泵的电源开始实验；有的学生观察记录实验过程中现象；有的学生检测酒精生成；有的学生思考两种呼吸的化学方程式书写??各成员自觉地把探究过程中的发现与自己的预测或猜想进行对照，互帮互学、主动发现并提出新的探究问题，迸出了创新的火花，手脑结合在形成技能素养的同时内化形成知识、积极思维，使探究活动不断向深层次发展，并对建构产生的结果进行重新审视、分析、调整，同时主动地对新知识作出理解和判断，运用原有的知识经验对新概念(原理)或问题进行分析、鉴别、评价，形成自我对知识的理解，建构新的认知序列。

四、创造性地解决现实问题

组长代表本组汇报探究过程、结果和自我评价，成员1评价其他小组的优点，成员2评价其他小组的有待改进的地方，成员3对其他小组提出改进意见和建议??各小组在如此充分的交流中，既能在对自己有更深层了解的同时及时发现同学的闪光点，也能在密切了解与同伴合作关系的同时认同团队的力量，更能充分发展表达能力、交流能力、逻辑思维能力。教师对学生的汇报与交流要进行总结、肯定、论证和升华，引导他们完善进一步的探究设计。

教师根据学生的问题预设问题、设计情境，可提供资料、材料设备等方法来解决学生问题：①通过在学习任务单上提供酵母菌和线粒体的知识来激活学生的前概念。②用真空袋分别装一块加发酵粉的面团(留有空气)和一块没加发酵粉的面团(不留空气)来针对有氧呼吸过程中水的生成，进而让学生尝试建构酵母菌细胞呼吸的方程式。③运用计算机数据采集系统，自动迅速地采集并记录锥形瓶溶液中溶解氧、空间中的CO2和O2浓度数值，然后用Excel软件和Origin软件作溶解氧、CO2以及O2浓度的变化曲线，准确分析在有氧呼吸过程中O2消耗量与CO2产生量之间的固定关系，进而让学生领会有氧呼吸化学方程式的变化实质。④创设问题情境(有三支试管，A试管中含有细胞质基质，B试管中仅含线粒体，C试管中既有细胞质基质又有线粒体)，要求学生分析真核生物有氧呼吸的主要场所里，再引导学生根据物质守恒定律和同位素标记法进而构建有氧呼吸过程图以及元素的来龙去脉，这样就从模式生物的研究来理解细胞生物学的基本原理。⑤通过资料收集和利用教材资源，促进学生结合生产生活实际，探讨细胞呼吸原理在生产生活实践中的运用，并引导学生透彻地分析其中的实例，拓宽其视野(无氧呼吸中还有乳酸发酵)。

“探究酵母菌细胞呼吸的方式”是人教版高中生物学必修1《分子与细胞》第 5章第3 节的一个重要探究实验。

教材提供的参考方案中锥形瓶装置体积大且组建困难，试剂用量多，橡皮球或气泵间歇性通气( 约50 min) 过程繁琐。实验耗尽葡萄糖需要9 h以上，学生难以及时观察到实验结果。

实验耗时长，导致很多教师只能以播放实验视频的形式向学生讲解实验内容，不能有效训练学生的探究能力。

1. 装置搭建

1. 1 装置的结构组成

有氧组装置由1支20mL注射器、1条5．5号输液器、1支10 m L玻璃试管、试管架组成( 图1) 。

无氧组装置由1个流量调节器、1条5．5号输液器、1支10 m L

玻璃试管、试管架组成( 图2) 。

A侧软管上连滴壶

B侧软管伸入试管中。

1.3装置的工作原理

有氧组用注射器作为自动充气装置，利用新鲜土豆或白菜梗中的H2O2酶催化H2O2分解制备O2，创设有氧环境。

滴壶作为酵母菌细胞呼吸的反应容器，注射器内产生的O2通过 A侧软管流向滴壶，滴壶中酵母菌细胞呼吸产生的CO2，通过B侧软管流向澄清石灰水或BTB中进行检测( 图3) 。

无氧组关闭流量调节器，用石蜡油液封酵母菌培养液，创设无氧环境。若无石蜡油，可静置10 min待酵母菌消耗掉滴壶中原有的O2，这两种方式的检测结果几乎一致。酵母菌细胞呼吸产生的CO2，通过B 侧软管流向澄清石灰水或BTB中进行检测( 图4) 。

2. 实验步骤

2.1 试剂的配置

酵母菌培养液由0．2 g 葡萄糖粉、0．4 g高活性干酵母粉和2 m L蒸馏水混合而成，注意现配现用。

BTB的配置，取0．025 g BTB粉末加入750 m L煮沸过的自来水中，若配好时呈黄色，可滴加极少量0．01g / m L的Na OH溶液调至蓝色。

酸性重铬酸钾溶液由浓硫酸与浓度为2%的重铬酸钾溶液等体积混合而成。

H2O2溶液用30%H2O2溶液与水按1 ∶ 4的比例稀释。

2.2  CO2的检测

有氧组:

①拔出注射器的活塞柄，向空筒中放入2 条土豆细丝( 约1.5g) ，塞回活塞，抽取5 m L H2O2溶液和15 m L空气后水平放置;

②搭建有氧组装置;

③用5 m L注射器量取1 m L的酵母菌培养液，注射器针头从滴壶的加药橡胶口插入，注入酵母菌培养液后拔出;

④滴壶B侧软管放入盛有1 m L澄清石灰水或BTB的试管中，左手按住注射器，右手轻轻摇动滴壶，促进酵母菌与O2的接触，观察记录试剂的颜色变化和所用时长。

若室内温度低，需在滴壶下放置一个装有一半开水的培养皿，为酵母菌的生活提供一个较适宜的温度环境，缩短反应时间。

用20 m L 注射器抽满空气后和滴壶相连，将注射器及滴壶内的气体输入1 m L BTB中，BTB 的初始颜色未发生改变。该实验说明注射器和滴壶内空气中的 CO2浓度有限，不会使BTB变色，因此没有去除注射器和滴壶内一开始残留的CO2。

无氧组:

①搭建无氧组装置;

②向滴壶中注入 1 m L的酵母菌培养液后再注入适量的石蜡油;

③滴壶 B 侧软管放入盛有澄清石灰水或 BTB 的试管中，观察记录试剂的颜色变化和所用时长。

2.3 酒精的检测

由于葡萄糖、干酵母粉中的食品添加剂SMS和酒精一样会使酸性重铬酸钾溶液发生相似的颜色变化。为避免酸性重铬酸钾溶液与酵母菌培养液中葡萄糖、SMS的直接接触，选用酸性重铬酸钾溶液直接检测酒精蒸气的办法。

取1 m L 现配酵母菌培养液于试管中，加热使酵母菌灭活。检测培养液除酵母菌可以产生的酒精外，葡萄糖、SMS等物质是否也会挥发使酸性重铬酸钾液滴发生颜色变化，半小时内液滴无颜色变化，说明该方法可行。

步骤:

①有氧组滴壶A 侧软管伸入空试管中，捏扁滴壶，挤入酵母菌培养液;

②试管放入装有适量开水的50 m L 小烧杯中水浴加热;

③快速用胶头滴管吸取酸性重铬酸钾溶液，蘸一滴在盖玻片盒盖中央;

④快速将盖玻片盒盖倒扣在试管口上，让盒盖上的酸性重铬酸钾液滴正对试管口内部，观察记录酸性重铬酸钾溶液的颜色变化。

无氧组检测酒精的方法，同上( 图 5) 。

3. 结果与分析

3.1  CO2的检测

室温25℃ ，滴壶置于装有一半开水的培养皿上，记录10 min 后的实验现象。

用BTB检测的结果: 有氧组BTB由蓝变绿再变黄，无氧组BTB 由蓝变绿。

用澄清石灰水检测的结果: 有氧组很浑浊，无氧组略微浑浊。BTB 和澄清石灰水的检测结果都表明，酵母菌在有氧和无氧条件下呼吸产物都有 CO2且有氧条件下产生的CO2更多。相较之下，BTB检测CO2更灵敏，现象更易观察，推荐使用。实验开课时间在冬季，室温若低于20℃，观察到现象的时长会略有延长。

3.2 酒精的检测

有氧组酸性重铬酸钾液滴仍为黄色，无氧组酸性重铬酸钾液滴由黄变绿。说明酵母菌只在无氧条件下产生酒精。

经实践发现，极少的酒精蒸气就会使酸性重铬酸钾液滴发生颜色变化，故酒精检测时间不宜过长，约2 min即可，避免有氧组试管内

的酵母菌在检测过程中进行无氧呼吸产生酒精，对实验结果产生干扰。

4.改进的亮点

4.1 巧用生活资源，使实验简单易行

用输液器做实验的主体装置，气密性好、成本低，1 套装置成本在10元以内，易采购，并可重复使用。装置的组建和使用方法简单，学生可亲自动手完成分组实验。

4.2 实验用时短，损耗低，现象明显

原实验方案需480 m L 酵母菌培养液，改进后的实验方案只需2 m L; 原实验需时长8—10 h，改进后的实验能在30 min 内完成且实验现象明显。

4.3 该装置可进一步进行定量探索

滴壶两侧软管可直接连接二氧化碳传感器，定量检测酵母菌在有氧和无氧条件下的呼吸速率( 图 6) 。

由于滴壶体积小，高活性干酵母的量若过多，滴壶内 CO2浓度短时间即会达传感器测量峰值，不利于数据收集。0．05 g 葡萄糖粉、0.05 g高活性干酵母粉和1 m L 蒸馏水混合的培养液较适宜。有氧组匀速滚动滴壶，促进酵母菌与空气中的O2接触，创设有氧环境; 无氧组加适量石蜡油液封，制造无氧环境。CO2传感器与数据采集器、电脑连接，打开电脑配套软件设置用Excel表格记录每5 s 滴壶CO2的百分比浓度值(ppm) ，数据收集时长只需400s。用 Excel

表格呈现的原始数据，计算每5 s 内CO2的增加量，再求取平均值，用单位时间内 CO2的增加量表示呼吸速率。检测结果，酵母菌有氧呼吸速率约是无氧呼吸的3倍。

五、教学反思

生物学是一门以观察和实验为基本研究方法的自然科学，而科学探究更是一项促进深度学习的实践活动。教师应把本该在实验室学习的时间还给学生，重组教学资源，优化科学探究的过程，从教室走进实验室、从教师演示实验到学生分组实验、从理论探究到实际操作、从课堂教学走向课外实践，积极引导学生把握实验常规，训练提高实验技能和操作能力，锻炼个人独立思考的能力。教师要引导学生对实验进行整体分析、系统思考和综合体验，并能有效开展科学探究来补充、延伸课堂教学的时空，形成一定的科学探究能力和科学态度与价值观，培养学生运用结论进行分析问题、拓展知识、解决现实问题等方面的创新能力，并把探究活动推向常态化，使学生在享受探究乐趣的同时，逐渐增强实验中自发的探究动机，让知识在探究中获得新生，让能力在探究中得到提高，让情感在实际问题情境和人际交往中逐渐升华。

教师要摒弃说教，抓住合作的时机，让学生有效地参与科学探究、开展真讨论，说出自己的想法。然后，学生在小组内进行纠正和整合，并分配任务、相互合作来完成。感受学习中的合作也是学习的一部分，不仅学会了合作的方法，还培养了合作的能力，提高将来适应和参与社会的能力。在激励教育过程中，基础好的学生会尽力帮助组内的其他成员，而基础较差的学生则会变压力为动力，使小组内出现互动、互助、互勉、互进的局面，全面提升学生的整体素质。教师要注意加强指导，使学生的合作与探究更科学。例如，到各个小组中进行引导，引导他们如何帮助同伴、如何倾听同伴的发言、如何共同讨论、如何相互交流，以及协调小组成员间的分歧和归纳小组成员的观点等方面。教师要注意把握学生的探究和讨论方向，在此过程中逐步实现了师生互动、生生互动的多元互动方式，不仅利于教师的引导，而且可以培养及强化学生的合作精神和合作意识。

“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验教学内容是基于核心概念“细胞的生存需要能量和营养物质”下的四级概念“有氧呼吸和无氧呼吸”，是整个高中生物学科结构的主干部分，是人们认识客观世界的基础。学生参与了实验的全过程，能正确使用一般的实验器具，学会检测酒精、二氧化碳等细胞呼吸产物的方法，提高了运用语言表达、信息分享与合作的能力；并且就探究过程不断修正、完善和发展，使探究活动不断向深层次迈进。学生的思维活动贯穿在探究的全过程：通过分类，概述酵母菌细胞的呼吸方式；通过比较，学会控制自变量，观察和检测因变量的变化，以及设置对照组和重复实验；通过综合，说出细胞呼吸原理在农业生产和日常生活中的应用；通过理解抽象的细胞代谢概念，体会细胞是生命活动的基本单位；通过归纳，从微观层面把握生命的本质，体会生命的奇妙，形成知识的衔接与过渡，构建完整的知识框架，实现从知识广度的量变到思维广度的质变，获得更多发展空间。