“探究酵母菌细胞呼吸方式”数字化实验教学的探讨

奚 菲 陶洁敏

（蚌埠第二中学 安徽蚌埠 233000）

随着中学生物学课程标准在全国范围内的实施，生物学实验教学的重要性和作用得到了重视。而新的实验设备的使用需要教师的研究，尤其是数字化设备与学科教学的整合，能丰富传统的实验教学内容，优化教学环节，解决教学难点。

“探究酵母菌细胞呼吸方式”是高中生物学必修1中一个重要的探究性实验，但由于实验装置复杂、实验过程较长及课时有限等方面的原因，该实验虽能锻炼学生的实验操作能力，但学生大都将时间花在安装实验仪器上，对实验结果的分析很仓促，不能很好地引发学生的再思考。本实验利用传感器取代传统的实验检测试剂，不仅灵敏度更高，且有利于培养学生自主探究的能力。

酵母菌是兼性厌氧菌，在氧气充足时进行有氧呼吸，在缺少氧气的条件下可进行酒精发酵，产生二氧化碳和酒精。利用二氧化碳传感器可检测酵母菌在不同条件下产生二氧化碳总量的变化，进而分析整个过程中二氧化碳产生速率的变化；利用溶解氧传感器可检测酵母菌对溶液中氧气的利用，并结合二氧化碳传感器所测的结果，引导学生思考酵母菌的细胞呼吸方式。

1 教学目标

1）知识目标：学会酵母菌呼吸实验装置的搭建；学会运用LabPro数据采集器采集数据并分析数据；提高分析曲线和解释曲线变化的能力。

2）能力目标：知道酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸的过程；通过酵母菌呼吸方式的实验探究，交流、表达、质疑，了解科学实验的设计思路。

3）情感态度与价值观目标：学会小组合作，共享实验结果，学会合作学习；通过酵母菌呼吸方式的实验探究,有利于培养学生实事求是的科学品质。

2 教学准备

2.1 材料及设备 安琪酵母10 g，葡萄糖，蒸馏水，100 mL锥形瓶，烧杯，量筒，计算机，LabPro数据采集器，二氧化碳传感器，乙醇传感器，溶解氧传感器，气体压力传感器，恒温水浴锅等。

2.2 酵母菌培养装置的探索和改进 按照教材的实验设计，学生安装装置需花费大量时间，该套装置对气密性的要求较高，学生实际操作有一定难度。据此作了以下几个方面的改进：

2.2.1 适当增大培养液葡萄糖的浓度 酵母菌在缺乏氮源的环境中，生长代谢较慢。当葡萄糖浓度比较低时，随着葡萄糖浓度的增加，细胞呼吸速率增加。当葡萄糖浓度增加到某一数值时，再增加葡萄糖的浓度，由于受到细胞内、外环境渗透压的影响，细胞呼吸速率不再增加，甚至还会降低。因此教师在实验课前做了充分的预实验，分别用质量分数为5%、10%、20%的葡萄糖溶液进行酵母菌发酵实验，并用气体压力传感器检测发酵瓶内气体的变化。结果发现各组实验在其他条件一致的情况下，葡萄糖浓度越高，发酵瓶内气体压力开始增大的时间越短，但当葡萄糖浓度达到10%以后，发酵瓶内气体压力的变化不明显，如图1、图2所示。

图1 质量分数为10%葡萄糖溶液的发酵瓶内压力变化

图2 质量分数为20%的葡萄糖溶液的发酵瓶内压力变化

2.2.2 减小反应瓶体积改用小锥形瓶 本实验重点在于证明细胞呼吸产物，能出现现象即可。使用小锥形瓶不仅可减少葡萄糖和酵母菌液的用量，还可在短时间内排尽残留空气，明显测出呼吸产物。教师预实验时发现，若使用100 mL的锥形瓶进行发酵实验，在其他条件适宜的状况下，短时间内效果较为明显，若使用500 mL的塑料瓶，则气体压力传感器检测结果在20 min内仍然不明显。因此本实验选用100 mL的锥形瓶作为发酵瓶。

2.2.3 适当增大培养液体积 教学中在有限的时间内出现实验结果才有一定的意义，故适当增大培养液体积可保证在20 min内出现明显的实验结果，这样可给学生留有充足的时间进行思考和分析。

2.2.4 同时检测二氧化碳和氧气 本实验采用一个三通接头与适合传感器直径大小的接头连接，进而用透明胶带密封，使2个传感器可同时测定一个发酵瓶内氧气和二氧化碳的变化，减少了实验过程的时间和实验误差。其次从接头处入手，保持了发酵瓶的完整性，比有些实验中利用塑料瓶打孔制作2个传感器接口的密封性更好。

3 教学过程

传统实验的器材、药品繁多，学生在一节课内成功地完成实验十分困难，在实际教学中教师常把实验课上成课堂讨论探究。运用数字化传感器技术，不仅可实现正常的课堂实验教学，还可将演示实验改为分组探究实验,从而提高学生的探究能力。

3.1 课前预习 由于实验最终的结果是以曲线和定量的结果显示，因此学生在实验前一天需预习教材中有关呼吸作用的知识。

3.2 酵母菌的活化 课前酵母菌活化1～2 h，将2 g高活性干酵母加入盛有100 mL 27℃温水的烧杯中，用玻璃棒搅拌均匀，27℃恒温水浴保温。

3.3 提出问题 ①运用已学知识预测发酵瓶中溶解氧的浓度和二氧化碳的浓度应该如何变化？②尝试根据每一时间段内溶解氧和二氧化碳浓度的变化，解释酵母菌的呼吸方式是什么？③引导学生自主选择合适的传感器，检验酵母菌无氧呼吸是否有其他产物?

3.4 分组与实验 ①将学生分为6组，每组4人。每位学生领取一份由教师事先准备好的实验记录表。②连接传感器、数据采集器和电脑，预热溶解氧传感器约5 min。③取100 mL锥形瓶1个，分别将40 mL活化后的酵母菌加入到60 mL、0.1 g/mL葡萄糖溶液中，水浴锅温度设置为27℃。④将锥形瓶同时接入二氧化碳和溶解氧传感器，每组锥形瓶均用透明胶带密封，如图3所示。⑤与此同时打开软件，测定酵母菌悬液中溶解氧的浓度变化和酵母菌产生的二氧化碳量。分析实验结果，并与预测做对比进行分析。

图3 溶解氧传感器和二氧化碳传感器

4 结果与讨论

4.1 实验结果 如图4、图5所示，从溶解氧的曲线图中可知，溶解氧的含量持续下降，直至一个较低水平时不再变化。这与许多学生作出的“瓶中的氧气在细胞呼吸中会被耗尽”的预期并不相符，可见有氧呼吸虽然消耗氧气，但过低的氧气并不能被酵母菌吸收利用。实验结果表明，应存在一个拐点，当氧浓度高于拐点时，细胞进行有氧呼吸，低于此点则进行发酵。与此同时，瓶中二氧化碳的量持续上升，直至最大值，发酵瓶中二氧化碳浓度保持稳定。观察瓶中溶液，能发现整个过程都有气泡产生。

图4 溶解氧的浓度变化曲线图

图5 二氧化碳含量变化曲线图

4.2 讨论与交流 综合实验结果，教师指导学生对数据进行不同程度的分析。

问题1：某一时刻，酵母菌在进行何种类型的细胞呼吸？

从溶解氧的曲线图（图4）可直观地看到其浓度如果下降，说明进行有氧呼吸；如果溶解氧的浓度不再下降，而二氧化碳继续增加，则说明酵母菌进行不耗氧的酒精发酵。

问题2：酵母菌的细胞呼吸方式是怎样的？

根据2条曲线的变化，学生不难得出：酵母菌既可进行有氧呼吸又可进行酒精发酵，属于兼性厌氧菌。

问题3：酵母菌无氧呼吸的产物中除了二氧化碳，还有酒精吗？如何验证？

有的学生认为可用酸性重铬酸钾定性检测，也有的选择用乙醇传感器定量测定。结果表明实验初期没有乙醇产生，100 s左右才开始产生，再比较图4，氧气浓度较低时，酵母菌开始进行酒精发酵，此时产生酒精，说明酵母菌在缺氧时，呼吸作用的产物还有酒精。此外，结合以上3条曲线所示的每一时刻二氧化碳的产生量，溶解氧的消耗量及酒精含量，教师还可引导学生计算酵母菌在某一时刻酒精发酵和有氧呼吸的强度。

5 课后拓展与再探究

在对曲线数据分析时，由于兴趣浓厚，学生提出了许多可进一步探究的问题，例如“不同培养温度对酵母菌呼吸速率的影响”，以下就是学生利用二氧化碳传感器在不同的条件下检测酵母菌呼吸强度所得出的结果（图6）。经过多次实验，结果表明，温度在35℃左右的条件下，安琪酵母发酵完成所用的时间最短。另有学生探究“酵母菌呼吸强度与糖的种类的关系”，其中包括葡萄糖、乳糖、果糖和蔗糖。利用二氧化碳传感器得出，酵母菌利用葡萄糖的效率最高，利用乳糖的效率最低（图7）。

图6 酵母菌呼吸强度与温度的关系

图7 酵母菌呼吸强度与糖的种类的关系

6 教学反思

6.1 优选实验材料 在干酵母生产过程中添加了山梨醇酐单硬脂酸酯（SMS），主要起保护作用。有研究表明呼吸作用完成后，经重铬酸钾浓硫酸溶液检测，原本有氧呼吸是不产生酒精的，但是培养液变成了灰绿色，因为干酵母中含有SMS。使用纯酵母（实验室培养，按10%比例稀释）的对比实验显示，实验结果与预期完全相符。因此本实验选择纯酵母作为实验菌种更具说服力，只是实验室纯酵母细胞呼吸作用的时间稍长，且需解决在实验室提前培养纯酵母菌种等问题。

6.2 课前进行培训，严格检查装置的气密性 在实验教学的过程中，有些学生的检测结果并不理想，究其原因是因为在连接装置时，没有仔细检查装置的气密性。虽然三通接头的口径和二氧化碳传感器检测部位的直径基本相等，但由于有的学生连接时不够细心，导致接头处的连接比较松动，有的学生没有用透明胶带进行二次密封，导致在实验过程中曲线不够平滑等问题。对于这一问题，教师应提高学生严谨踏实的科学探究意识，并提前对学生进行操作培训，以求达到更好的效果。

主要参考文献

［1］李露艳.“探究酵母菌细胞呼吸的方式”的2种实验教学方式比较.生物学教学，2011,36(9):45.

［2］张莉.传感器在高中生物学实验教学中的应用.生物学教学，2009,34(6):47.

［3］张圆圆.例谈数字化设备在生物实验教学中的作用.中国现代教育装备，2012,10(8):16.

［4］谭文生,王仕昭.“探究酵母菌细胞呼吸的方式”的实验装置及操作方法.生物学教学，2012,37(12):32.

［5］吴建华,王雪.“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验的问题探讨.生物学通报，2014,49(2):51.