“影響酵母菌細胞呼吸的因素”實驗改進

張欣欣 李明娥

（1北京市延慶區第五中學 北京 102100 2北京市延慶區教育科學研究中心 北京 102100）

《普通高中生物課程標準》中關于“探究細胞呼吸的原理及應用”的要求需達到理解水平［1］，受學生認知程度和生活常識的限制，對于細胞呼吸的應用不能更好地理解，課程的基本理念要求以實驗探究為主線，注重與實際生活相聯系，而“影響細胞呼吸的因素”實驗探究分析有助于學生理解細胞呼吸的應用，同時該實驗是新課程標準下增設的一個重要實驗，在對傳統實驗分析的基礎上對實驗裝置進行改進，實驗過程既培養了學生動手操作能力、綜合分析能力，又有助于學生創新思維的形成。

1 實驗原理

通過記錄裝有菌液的氣球隨時間的變化使燒杯中溶液液面高度發生變化，反映菌體細胞呼吸的類型和產生氣體體積的變化。

2 實驗用具及材料

酵母菌、乳酸菌、葡萄糖，蒸餾水，水浴鍋、氣球、氣門、氣針、燒杯、量筒、玻璃棒、溫度計、直尺、改良的注射器20mL（注射器去針頭后與氣針鏈接，用封口膜封住連接處）、改良的氣塞（氣塞中間打孔后塞進氣門）（圖1）。

圖1 改良的實驗用具

3 實驗方案的優化

3.1 實驗操作步驟

1）配置100 mL 5%的葡萄糖溶液置于200 mL的燒杯中，然后置于40℃的水浴鍋中水浴使葡萄糖溶液溫度達到40℃（溫度計測量）。

2）將1 g酵母菌溶解于100 mL 5%的葡萄糖溶液中，攪拌均勻，使酵母菌活化，配制成酵母菌培養液（相同溫度水浴）。

3）用改良后的注射器將100 mL酵母菌培養液注入安裝好改良氣塞的氣球（內加重物，如砝碼）中，排凈氣球內的氣體后用細線封口。

4）做好的裝有酵母菌培養液的氣球，放入在40℃水浴鍋中水浴的燒杯中，燒杯外壁粘一直尺（圖2），記錄初始的液面高度，并每間隔 1 min記錄一次液面高度，繪制坐標曲線。

圖2 實驗裝置

3.2 實驗探究因素

1）用上述同樣的方法驗證乳酸菌、醋酸菌無氧呼吸產物。

2）通過改變水浴鍋的溫度可探究溫度對細胞呼吸的影響。

4 實驗結果及分析

圖3 酵母菌的細胞呼吸

圖3是溫度在40℃條件下，隨時間變化該裝置中液面上升的高度情況的3組重復實驗，由實驗數據可知，3~4 min液面高度不變，分析此時間段內酵母菌培養液中含有溶解氧，酵母菌進行有氧呼吸，吸入的O2體積與釋放的CO2體積相同，故液面高度無變化；3~7 min液面高度開始緩慢上升，因O2含量逐漸減少，酵母菌有氧呼吸減弱，無氧呼吸開始并逐漸增強；7 min以后酵母菌完全進行無氧呼吸，產生酒精和CO2。這樣可分析隨著O2濃度減少，酵母菌呼吸類型是如何轉變的，為以往實驗方法的逆向分析。

圖4 溫度對酵母菌呼吸速率的影響

圖4研究溫度對酵母菌呼吸速率的影響，分別為室溫、40℃、60℃條件下，從圖中可知40℃時液面上升高度最快，此溫度下酵母菌呼吸速率最大，若想確定酵母菌呼吸的最適溫度，可逐步縮小溫度差進行確認。

5 實驗創新點

以影響細胞呼吸的因素之一O2濃度為例，教材中沒有提供該實驗的實驗原理、相關的參考資料，而相關的教輔資料中會涉及到O2濃度對酵母菌呼吸類型影響的實驗（圖5），該實驗對學生理解酵母菌的代謝類型，分析O2濃度對細胞呼吸的影響有重要作用，在教學調研中發現，許多教師對該實驗教學僅存留在挖掘材料中相關生物學認識的層面上，有的根本不組織學生做該實驗，只是帶著學生讀教材、做習題而已。一是該實驗所需的實驗裝置難以解決，一些學校實驗室不具備實驗所需的O2傳感器和CO2傳感器；二是該實驗完成時間長，操作步驟繁瑣，因此受課時的限制，許多教師在保證完成教學任務的前提下選擇不做實驗。

圖5 O2濃度對酵母菌呼吸類型的影響［5］

本實驗應用改進裝置對酵母菌呼吸方式的探究進行定量分析，雖然實驗材料、器具簡單，但觀察更直觀，檢測手段更加可行，極大縮短了實驗時間。一個裝置可探究不同因素對不同實驗材料細胞呼吸的影響：①探究溫度對呼吸速率的影響；②探究O2濃度對呼吸速率的影響；③探究不同菌種的呼吸代謝類型（乳酸菌、醋酸菌）。能讓學生更好地理解實驗原理，有助于培養學生的動手操作能力和綜合分析能力。

6 實驗注意事項

1）實驗前要先檢查氣球的密閉情況，避免實驗過程中出現漏液、漏氣現象；

2）往氣球內注射酵母菌培養液，拔出氣針時要注意氣門是否閉合；

3）酵母菌呼吸產生氣體后氣球會浮出水面，注意加重物質量；

4）受視覺狀況影響，不同人讀取數據的標準不同，要注意讀數的準確性。

7 實驗教學傳遞的重要概念

本節內容從《普通高中生物課程標準》的內容標準看，屬于“細胞的代謝”主題，具體要求為：說明細胞呼吸，探究其原理和應用［1］。實驗教學的開展有助于學生更好地理解主動運輸、新陳代謝與ATP等與該部分內容有密切聯系的知識，為學生學習其他生命活動及規律奠定基礎。對學生理解細胞呼吸的類型及關系有所幫助，更能聯系實際生活，學會運用細胞呼吸原理解決生活中一些簡單的生物學問題。

細胞呼吸是一個微觀的化學反應過程，本實驗應用簡單的改進裝置幫助學生分析影響細胞呼吸的因素，將微觀的變化通過更加簡便的宏觀方式加以體現，幫助學生增強感性認識，在教學中通過組織探究性學習活動，設置對照實驗、控制單一變量原則等，學生明確實驗設計原理，領悟科學研究的方法并習得相關的操作技能，從而培養生物學科學素養和實驗創新精神。