基于科学探究的高中生物学实验改进

张力希 钱敏艳

摘要“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验中，通过改进传统实验装置，优化实验条件，利用数字化技术实时对比和监测酵母菌在有氧和无氧条件下的CO2生成量、酒精产生量及产热情况等指标，同时采用血糖仪对比两种条件下葡萄糖的消耗量。

关键词 科学探究 细胞呼吸 数字化技术 实验改进

中图分类号G633. 91文献标志码B

生物學是一门基于实验的自然科学，高中生物学实验教学是培养学生生物意识、科学思维习惯和提升学科核心素养的重要途径。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》指出，要改变课程实施过于强调接受学习、死记硬背的现状，倡导学生主动参与、乐于探究、勤于思考，培养学生获取新知识的能力、交流合作的能力等。以“探究酵母菌细胞呼吸的方式”为例，传统的实验教学由于课时、实验材料、装备等问题，通常是向学生演示该实验，这种方法大大降低了学生的主观能动性。因此，在新课改新高考背景下，笔者通过改进实验装置、创新实验策略、优化实验方案，引导学生积极参与到课堂的学习和研究，真正激发学生学习的主动性，锻炼学生分析、解决问题的能力。

1分析教材内容，发现实验不足

“探究酵母菌细胞呼吸的方式”是人教版高中生物学教材中可以开展的一个探究性实验，内容丰富，在动手操作、数据分析和联系生活实际等方面具有较高价值。通过实验，学生可初步认识酵母菌在有氧和无氧条件下呼吸产物的不同。但在实际教学开展该实验时，往往会遇到以下困难：①该实验气密性要求高，实验过程较长，一般需要8～10 h才能完成；②有氧和无氧条件的控制不精准，会导致有氧呼吸和无氧呼吸开始的时间不明确；③对CO2和酒精产生量只能做到定性，不能做到定量；④传统实验设计中，不能控制酵母菌的有氧呼吸和无氧呼吸同时进行，不能实时对比两种呼吸方式下CO2量、产热情况、酒精生成量以及葡萄糖的消耗量等指标。

2创新实验策略，提高实验效率

为了能更好地开展课堂教学，笔者对传统的实验进行了改进，利用传感器将生成的CO2、酒精及产热情况可视化，同时实时对比酵母菌在两种呼吸方式下消耗葡萄糖的情况。改进后的实验可以通过简单的手段获得精确的实验结果，节省了时间。教师还可将演示实验改为分组探究实验，提高学生的自主探究能力。

2.1实验装置改进

2.1.1创设有氧和无氧装置

教师综合利用物理知识和化学知识，设计氧气发生装置，如图1和2所示。该装置中，注射器中加入体积分数为20%的H2O2溶液，双支口尖底玻璃瓶中加入质量分数为5%的FeCl3溶液，玻璃瓶置于磁力搅拌器（带铁架台），用硅胶管连通仪器形成恒压装置，以保证液体顺利滴落。此外，设计了2个三通阀，一个控制液体的开关，另一个通过固定三通阀的角度，控制H2O2溶液的流速为每分钟20滴，进入FeCl3溶液发生反应，使得产氧速度适中，实验效果好。该装置还可以通过三通阀角度调节流速从而调整进氧量，为进一步探究氧气浓度对酵母菌呼吸作用的影响提供可能性，为课外拓展实验提供一定的思路。无氧装置中通过滴加石蜡油对反应液进行液封，隔绝空气，实现真正的无氧环境。

2.1.2设计加样和取样口，巧用定量注射器

在有氧装置和锥形反应瓶之间设计加样和取样口，通过三通阀控制液体的进出。巧用注射器在加样口定量加入葡萄糖溶液。在无氧装置中也设计了加样和取样口，通过注射器同时注入等量葡萄糖溶液，控制有氧和无氧装置的反应同时进行，达到实时对比有氧和无氧呼吸方式下CO2等指标的目标。另外，也可在不中断实验反应的前提下，中途取样，实时监测反应的进程。

2.1.3采用双支口锥形瓶，增加磁力搅拌器

改进后的实验采用定制的双支口锥形瓶代替传统锥形瓶，可以减少玻璃导管的使用，方便与传感器的连接，更快捷地检测实验指标，同时减少了传统实验锥形瓶的使用数量，简化实验装置。

反应过程中锥形瓶置于磁力搅拌器上，有利于酵母菌充分接触葡萄糖溶液，减少局部反应的影响，使得反应更均匀。前期，学生通过多次预实验，排除磁力搅拌器转子转动对反应温度的影响，充分体现了实验设计的严谨性。

2.2实验材料改进

实验试剂：安琪酵母，葡萄糖粉末，消泡剂，石蜡油，蒸馏水，体积分数为30%的H2O2溶液，FeCl3固体，酸性重铬酸钾溶液。

实验仪器：CO2传感器，温度传感器，乙醇传感器，血糖仪，移液枪，250 mL双支口锥形瓶，150 mL尖底双支口玻璃瓶，平底双支口玻璃瓶，烧杯，平底管，量筒，试管，注射器，磁力搅拌器，电子天平，计算机等。

2.3实验内容改进

双支口锥形瓶连接CO2传感器、温度传感器以及乙醇传感器，利用传感器收集和分析数据，实时监测和对比酵母菌在两种条件下的产物的生成量，同时通过取样口抽取一定量的反应液，并利用血糖仪分析反应液中剩余葡萄糖的量，对比相同时间下，酵母菌在有氧和无氧环境中的葡萄糖消耗量。

3实现定量分析，优化教学效果

学生组成兴趣小组，经过多次实验和多轮改进，设计不同浓度（质量分数为1%～10%）的酵母菌溶液和不同浓度（质量分数为4%～20%）的葡萄糖溶液，按照不同的比例（4∶1，3∶1，2∶1，1∶1）混合后分析数据。为保证酵母菌在有氧和无氧条件下能正常生存，同时使实验检测的各项指标的差异化更大，考虑到能在课堂的短时间内更好地呈现数据，给学生留有充足的时间思考和分析出现的各种问题，最终按照酵母菌/葡萄糖体积比例为3∶1，选择酵母菌溶液质量分数为8%，加入240 mL、室温预活化15 min后加入一定量消泡剂（每500 mL中加入1 mL），葡萄糖溶液质量分数为12%，注射器中各吸入80 mL，在室温下进行实验。

3.1数字化实验结果分析

连接实验装置，打开加样口，同时加入80 mL葡萄糖溶液。依次打开氧气发生装置、磁力搅拌器、传感器接入口、采集数据，结果如图3所示。

反应4 min后，传感器数据显示，酵母菌在有氧条件下CO2指标上升5.4816%（释放CO254 816 ppm），无氧条件下上升0.003%（释放CO230 ppm），测得有氧条件下溶液温度上升0.88℃，无氧时仅上升0.3℃。乙醇传感器测得无氧条件下酵母菌产生酒精量为0.19%。以上结果说明，酵母菌在有氧条件下产生更多的CO2、释放更多的热量，在无氧条件下会产生一定量酒精。

3.2课堂教学效果评价

教师通过改进实验装置，优化实验条件，将课堂时间更多地留给了学生，激发了学生课堂参与的热情。教师引导学生分析实验结果，帮助学生初步构建了“生物通过细胞呼吸将储存在有机物中的能量转化成生物体可以利用的能量”生物学概念，并引导学生从物质与能量的视角去探索呼吸作用，明晰了两种呼吸方式的异同，最终达成了本节课的教学目标。

3.3实验结果再探究

课堂实验中，学生采用血糖仪测定反应液中的葡萄糖剩余量时发现：相同时间内，酵母菌在有氧条件下消耗更多的葡萄糖，该结论似乎和“酵母菌在无氧条件下消耗更多葡萄糖”的结论是相悖的。此外，也有学生在课堂中采用传统的重铬酸钾鉴定酒精的方法，向两种呼吸条件下的反应液中滴加等量的重铬酸钾，溶液均出现灰绿色。這又是怎么一回事呢？

为进一步探究，小组设计表1，测定不同反应时间后反应液中的葡萄糖剩余量。

每隔4 min用血糖仪检测反应液中的葡萄糖浓度，计算酵母菌在有氧和无氧条件下的葡萄糖消耗量。实验结果显示，反应相同时间，酵母菌在有氧条件下会消耗更多的葡萄糖。

为探究酵母菌有氧条件下反应液中出现灰绿色的情况，学生查阅资料后发现，酸性介质中乙醇具有还原性，将六价铬还原为三价铬，溶液由橙红色变成灰绿色，而葡萄糖也具有还原性，故可将六价铬还原。小组在质量分数为12%的葡萄糖溶液中加入等量酸性重铬酸钾，溶液呈灰绿色，说明有氧条件反应液中出现灰绿色的原因是存在剩余的葡萄糖。

4结语

改进后的实验从CO2生成量、产热量、酒精生成量、葡萄糖消耗量4个维度实时对比分析酵母菌呼吸方式的差异性。教师利用传感器进行实时监测，方便捕捉细微变化，使整个反应过程可视化、直观化，同时从定性和定量两个角度对酵母菌的呼吸方式进行了详细分析。改进后的实验操作方便，数据分析简单，效果对比明显，可用于普通高中生物学实验课堂。此外，利用该装置，学生可进一步探究不同pH、温度、O2浓度以及不同糖源等因素对酵母菌呼吸方式的影响，为后续学习细胞呼吸的原理和应用作铺垫。

参考文献：

[1]朱正威，赵占良.普通高中教科书·生物学·必修1·分子与细胞[M].北京：人民教育出版社，2019：90-91.

[2]张莉.传感器在高中生物学实验教学中的应用[J].生物学教学，2009，34（6）：47-49.

[3]张磊，王璇.基于传感器检测探究盐酸与碳酸钠溶液的反应[J].化学教学，2021，6：74-77.

[4]胡志傲，吴志强.“探究酵母菌呼吸的方式”实验改进和思考[J].生物学教学，2018，43（4）：46-47.

[5]宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书·化学·选修5·有机化学基础[M].北京：人民教育出版社，2007：52.