“探究酵母菌细胞呼吸的方式”的实验创新

广东省中山市小榄中学 杜 倩

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》教学建议指出，教师在完成教学任务时要高度关注生物学核心素养的达成。落实核心素养的关键是组织以探究为特点的主动学习，实验教学是开展探究活动的重要载体，也是落实学科核心素养的有效途径。目前，多数生物学教师在一线教学过程中，因实验效果差、实验室硬件设施不健全和课时紧张等因素影响，对实验教学多以讲述实验过程和观看演示实验视频为主，较少组织学生亲历实验，造成实验教学效果不明显，核心素养落实不到位。通过对高中生物学实验进行创新和改进，优化实验教学，带领学生主动参与实验方案设计，开展探究活动，可更显著提高教学效果。笔者以“探究酵母菌细胞呼吸的方式”为例，探讨基于生物学核心素养的高中生物学实验改进和创新。

一、实验背景介绍

（一）教材的分析与参考案例的不足

“探究酵母菌细胞呼吸的方式”是人教版普通高中教科书《生物学》必修一第5章第3节细胞呼吸的原理和应用“探究·实践”的实验活动。这个实验探究对开展教学有一定的难度，教材提供的参考案例操作难度较大，耗时相对较长，一个课时内往往难以完成，同时验证性实验通过讲解即可让学生理解。因此许多一线教师取消了本实验的动手操作，以讲授的方式一带而过，使学生对酵母菌细胞呼吸作用的理解以及应用该原理解决实际问题的能力受到一定程度的影响。

（二）改进实验培养核心素养的达成

笔者通过对实验设计、材料、方法、装置等方面进行改进和创新，在教学实施过程中，以学生主动参与设计和小组合作探究为主线，引导学生通过观察现象、发现问题到提出假设、实验验证，得出结论等步骤与小组同学合作和交流，提升学生的核心素养。

（1）生命观念：学生在理解细胞呼吸的方式及结果的同时，形成结构与功能观、物质与能量观。

（2）科学思维：本实验通过将定性实验改进为定性定量实验后，让学生学会变量分析，能运用合适的方法处理解释数据，训练学生演绎与推理能力、归纳与概括能力。

（3）科学探究：在实验设计上善于发现问题，提出问题，并进一步做出合理的改进措施。

（4）社会责任：进一步增进学生对生命的认识，同时关注微生物在生产实践的应用，更好地用科学知识指导生活。

二、实验的改进与创新

（一）设计创新

传统设计：对酵母菌细胞呼吸的产物进行定性分析，简单验证细胞呼吸产物的生成，难以培养学生的科学探究能力，拓展学生的科学思维。

创新设计：改进为定性定量实验，拓展了实验的宽度和深度，不仅使学生对呼吸作用有了更深刻的理解，培养学生的学科核心素养，还更适应高考题目中的呼吸作用的实验探究类题目。

（二）材料创新

传统材料：食用酵母具有价格高、易腐烂、发酵时间长的特点，因此开展实验不方便。

创新材料：将干酵母粉活化后制取酵母培养液开展实验，材料易得，价格便宜，可在短时间内发酵完成，同时联系生活实际，吸引学生的兴趣。

（三）方法创新

传统方法：使用10%的NaOH溶液过滤空气中的CO2来提供酵母菌细胞有氧呼吸所需的氧气。这种方法可能导致CO2过滤不彻底从而影响实验结果；使用酸性的重铬酸钾溶液检测酒精，但未分解完全的葡萄糖也会使酒精变色，从而出现假阳性的实验结果。

创新方法：通过FeCl3催化H2O2分解的方法制取氧气；利用酒精加热易挥发的性质使用呼气式酒精检测仪检测无氧呼吸产生的酒精。该方法增强了实验的严密性和完整性，体现了学科融合的教育理念。

（四）装置创新

传统装置：使用锥形瓶等装置进行实验，需要大量的实验材料且耗时较长，对高中实验课堂教学的开展难度较高。

创新装置：使用注射器和输液管等生活中常见的物品组装实验仪器，具有操作简单、用时少及易于推广的优点。

本方法用到的实验装置有如下几种。

1．定性实验检测装置（图1、图2）

图1 有氧呼吸定性装置

图2 无氧呼吸定性装置

有氧呼吸定性实验装置：由两个60 mL输液管（A1管、A2管）、一个带调节器的输液管和一个试管（A3管）组成。通过输液管连通两个注射器。无氧呼吸定性装置：由一个输液管（B1管）、一个带调节器的输液管和一个试管（B2管）组成。直接将输液管的另一端伸进B2管中。

呼吸作用产生的酒精，可通过酒精灯加热使反应液中的酒精挥发，使用呼气式酒精检测仪可检测酒精含量（图3）。

图3 酒精检测装置

2．定量实验检测装置（图4、图5）

图4 有氧呼吸定量装置

图5 无氧呼吸定量装置

细胞呼吸的定量实验装置与定性实验装置原理一致，但将两个试管调整为两个注射器，且C3管内装有30 mL的NaOH溶液。

三、教学过程的实施

（一）课前准备

观看传统实验操作视频，参考教材案例的说明，查阅相关资料，提出问题：实验方案是否严谨？有无更加科学、精准的实验方案？学生通过思考总结，商讨研究完成实验方案设计与改进，同时教师对学生的方案进行科学性指导。

（二）课堂探究

结合课前预习和制订的探究方案，分两个大组开展探究。各小组交流讨论，分析实验结果。

探究一：定性实验——探究细胞呼吸的产物

学生根据定性实验检测装置的原理来开展探究实验：首先关闭调节器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酵母菌培养液。A1管反应完成后打开调节器1，将产生的气体推入A2管内，关闭调节器反应5分钟后，在A3管中加入5 mL澄清石灰水溶液，取下A1管的连接口接入A3管内，同时打开调节器1，将A2管内的气体推入A3管中，可观察到A3管中溶液变浑浊。

无氧呼吸定性实验装置：关闭调节器2，B1管内加入5 mL酵母菌培养液，B2管内加入5 mL澄清石灰水溶液，反应5分钟后打开调节器1，将其中产生的气体推入B2管内，可观察到B2管中溶液变浑浊。呼气式酒精检测仪上的读数表示酒精的含量。整理实验结果记录，见表1。

表1 探究酵母菌细胞呼吸方式的结果记录

探究二：定量实验——有氧呼吸和无氧呼吸产生CO2量的关系分析

学生根据定量实验检测装置的原理来开展探究实验：与定性实验装置方法过程一致。首先记录参与两个反应装置的气体体积a1、a2；待有氧呼吸结束后，将两个装置反应产生的全部气体转移至C3管、D2管内，记录此时气体体积b1、b2；NaOH溶液会吸收反应产生的CO2，反应结束后记录C3管内气体体积c1，其中b1－c1即为有氧呼吸产生的CO2量，b2为无氧呼吸产生的CO2量。为减小实验误差，应遵循实验设计的平行重复原则，每组实验重复3次，获得实验数据后取平均值。整理实验结果记录，见表2。

表2 探究酵母菌细胞有不同呼吸方式产生CO2量的结果记录

各小组派代表汇报结果，班级进行讨论互评。教师强调实验过程中出现的问题及注意事项，并对呼吸作用的知识进行适当的拓展分析，对有氧呼吸和无氧呼吸的关系进行解释分析。

（三）课堂延伸

由于课堂教学时间有限，学生可以结合课堂经验，在课后进行进一步探究如下问题。

（1）氧气浓度越高，酵母菌细胞呼吸产生的CO2越多？

（2）氧气影响酵母菌的细胞呼吸，除此之外还有哪些因素可影响：CO2，温度等？

（3）发酵时，利用酵母菌的特性如何控制氧气使葡萄酒的酿制更加成功？

四、评价与反思

（一）教学评价

从学生的课堂表现以及操作的规范性、方案的严谨性、结果的科学性来看，本节实验教学在完成基础知识学习的同时，加深拓展了知识的理解和探究。

本节课堂设计合理，根据问题导学法和“假说演绎法”引导学生提出问题，并尝试设计实验解决问题，帮助学生形成科学的学习习惯和思维。这对学生学习其他文化科目及长远的发展都具有一定的积极影响。

（二）教学反思

笔者通过对实验设计、材料、方法、装置等方面进行改进和创新，利用物理化学实验的仪器方法、思维等多个方面进行学科借鉴融合，增强了实验的严密性和完整性，提高了结果的准确性和可信性。

本实验改进的最大亮点是在原定性实验的基础上，加入了探究性更强的定量实验，拓展了实验的深度和宽度，通过数据的定量分析，使学生理性思维得以发展，科学探究能力进一步提升。