基于学科核心素养的“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验教学设计

王 丽

(江苏省海安高级中学 南通 226600)

1 教材分析

“探究酵母菌细胞呼吸的方式”是人教版高中生物学课程模块中的课题。该实验与教材知识紧密结合，而且注重探究。但教材实验的设计也存在一些问题，比如如何判断无氧装置静置一段时间后氧气的去除程度，如何在一节课的时间内完成酵母菌细胞呼吸方式的探究，如何改进实验装置使得实验更加严谨，这都是笔者要重点探究的问题。笔者引导学生对实验进行改进，利用实验室具备的水浴锅、移液器、上嘴过滤瓶、分液漏斗、集气瓶等实验仪器完成该实验，并重点对有氧和无氧装置产生的实验现象进行讨论分析，充分将科学思维贯穿于学生的科学探究过程中，使实验课上出一定的思维高度。

2 学情分析

学生已经学习了ATP是细胞的能量通货的相关知识，明确ATP可以由细胞呼吸产生，这为本节课学习奠定了基础。但本节课对实验探究能力要求高，实验过程中，教师应强化规范操作，引导学生对实验设计进行调整和改进，小组合作完成实验操作并分析实验结果。

3 实验器材与试剂

水浴锅、血糖检测仪、酒精检测仪、上嘴过滤瓶、分液漏斗、集气瓶、具支管、橡胶软管、量筒、烧杯、培养皿、注射器、大针头等。质量分数为5%的葡萄糖溶液、30%的H2O2溶液、MnO2、酸性重铬酸钾(K2Cr2O7)溶液、酵母菌活化液、澄清石灰水。

4 实验装置设计及意图

实验装置在教材基础上进行了改进：

(1) 考虑到教材用气泵通气需用质量分数为10%的NaOH溶液去除空气中的CO2，操作繁琐，笔者借助分液漏斗和集气瓶这套装置，利用MnO2催化H2O2制O2，既可以为酵母菌细胞呼吸提供充足O2，又省去除CO2的实验装置(图1)。

图1 有氧呼吸测试装置

(2) 教材选用锥形瓶进行实验，不方便取酵母菌培养液进行酒精检测。笔者用上嘴过滤器替代锥形瓶，并于瓶塞上安装10cm长的针头(针头上安装软管接注射器)用于添加溶液和取样，而上嘴可作为天然排气管口(图2)。

图2 无氧呼吸测试装置

(3) 用装有澄清石灰水的具支管代替教材中锥形瓶，用于检测CO2产生情况，既节约了试剂的用量，也缩短了出现实验结果的时间，且具支管也存在天然排气口。

(4) 借助水浴锅控制温度在35℃，有助于反应在15min左右的时间内完成。

5 教学过程

5.1 新课导入 以江阴特产“黑杜酒”(简介黑杜酒的由来)和“马蹄酥”导入，引出与其相关的酵母菌。结合当地生活的实际，通过学生熟悉的材料，营造一种文化氛围，激发学习兴趣。

5.2 观察现象，提出问题 请学生根据观察到的现象，提出想要探究的问题并作出合理假设。学生先在展板上写，后简要阐述：①酵母菌有氧和无氧条件是否都能产生CO2？(假设：酵母菌有氧和无氧条件都可以产生CO2)②有氧条件下酵母菌能否产生酒精？(假设：有氧条件下酵母菌不产生酒精)③如何检测CO2和酒精？④黑杜酒的酿制什么季节为宜？让学生学会正确的观察并提问，便于后续实验操作更具有方向性。

5.3 实验设计 通过分析教材实验装置原理及缺陷，引到本节课装置的选择和组装(利用打印好的装置示意图选择性地在展板上粘贴并及时展示)及其优势的介绍。通过装置的分析掌握该实验的基本原理及装置连接要点，为后续实验操作奠定基础。

5.4 实验操作 分组完成实验操作(组装装置、酵母活化、试剂添加、CO2检测、发酵液酒精的酸性重铬酸钾检测、酒驾仪检测)。通过手机热点链接，实时展示现场CO2检测和酒精鉴定情况以及出现的一些异常情况。通过实验操作过程以及对实验结果的分析，让学生感悟合作学习的重要性；体验敢于质疑、尊重事实、如实记录的科学精神和态度的重要性。

5.5 实验结果及分析 具体如下：

5.5.1 有氧和无氧装置中CO2的检测结果及分析 实验结果(图略)显示，有氧装置和无氧装置澄清石灰水均出现浑浊，但有氧装置澄清石灰水出现浑浊时间较早，且浑浊程度较深。由此得出，酵母菌在有氧和无氧条件下均产生了CO2，且有氧呼吸产生的CO2比无氧呼吸多。小组讨论分析出现这一现象的原因可能有：①酵母菌在氧气充足时繁殖快，一段时间后有氧装置中酵母菌数量多；②酵母菌在氧气充足时代谢快，消耗葡萄糖较多。

展示兴趣小组的学生用数码显微镜和血糖检测仪在有氧和无氧装置澄清石灰浑浊程度出现差异时，对酵母菌数目进行观察和计数的结果(表1)和对发酵液中葡萄糖进行的检测结果(表2)。

表1 培养液中酵母菌数目(单位：108个/mL)

表2 培养液中葡萄糖浓度(单位：mmol/L)

由表1可知酵母菌在有氧和无氧条件下其种群数量并没有显著差异，因此有氧装置中酵母菌繁殖快不能解释实验结果。由表2分析可知，无氧装置中培养液中葡萄糖浓度均较有氧装置中浓度低，即相同的时间内，无氧呼吸消耗葡萄糖较多，那么，为何无氧装置产生的CO2反而少呢？此时，教师引出细胞呼吸概念以及有氧和无氧呼吸反应式，引导学生分析有氧呼吸的本质是有机物彻底氧化分解释放大量能量，产生大量CO2；而酵母菌无氧呼吸有机物分解不彻底，部分碳储存在酒精中(借此引入酒精的结果分析)。

实验结果的分析过程中，教师通过这种充满认知冲突、环环紧扣的预设，用科学思维将科学探究串联成线，将科学素养的培养落实到位。

展示文献数据(表3)。从表中可以看到，在实验开始的4h内，装置内的葡萄糖浓度还是很高的。因为葡萄糖是还原糖，其还原性比酒精还强。因此，有氧和无氧装置均出现灰绿色并不能直接证明酒精的存在，消耗掉其中的葡萄糖大约需要5～6h。

表3 分时用斐林试剂检测培养液中葡萄糖检测结果[1]

(注：“+”表示有砖红色沉淀，“—”表示无砖红色沉淀)

为进一步证明培养液中是否有酒精存在，采用酒精检测仪进行定量检测(图略)，结果发现，只有无氧装置中培养液挥发的酒精导致检测仪发光报警并显示酒精量，而有氧装置中未出现发光报警现象，且酒精显示量为零。由此得出结论：酵母菌在氧气充足条件下不产生酒精，而无氧装置中产生酒精。

综上所述，酵母菌在有氧和无氧条件下均可以进行细胞呼吸，在有氧和无氧条件下酵母菌均可以产生CO2，且有氧呼吸产生的CO2多，酵母菌无氧呼吸还产生酒精。

6 总结反思

本节课通过对教材实验装置的改进，引导学生设计实验并对实验结果进行了全面分析，体现了“科学思维、科学探究”的生物学学科核心素养教育。但是实验中也存在些许问题，如不同的学生实验过程难免出现各种不规范的操作，教师需要强调规范操作对实验结果定量分析的重要性。

通过本节课学习，不仅要求学生掌握探究实验的一般过程，更重要的是要让学生懂得实验过程中科学的思维习惯养成远比实验方法的掌握更重要。中学生物学实验普遍存在“重验证、轻探究”的现象，尤其对实验的“异常”结果常缺乏理性的分析和挖掘。然而，实验是培养学生理性思维的重要途径，只有建立在科学思维基础上的科学探究才真实有效。

*前文受合肥翰思科学仪器公司关注*