“探究酵母菌呼吸的方式”實驗改進和思考

胡志傲 吳志強 肖安慶

(1 湖北省武漢市水果湖高級中學 430000； 2 安徽省蕪湖市第十二中學 241002； 3 廣東省深圳市鹽田高級中學 518083)

人教版高中生物學教材“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗，通過探究酵母菌在不同條件下的呼吸方式，幫助學生直觀地掌握有氧呼吸和無氧呼吸的特點，學會總結、歸納出有氧呼吸和無氧呼吸的區別與聯系，為后面進一步學習細胞呼吸方式的具體過程做好知識儲備。

1 實驗教學實施中的問題

教材中“探究酵母菌呼吸的方式”這一實驗，設計科學嚴謹、思路清晰。但是在實驗教學中發現，如果完全按照教材中的實驗設計，也存在一些待解決的問題：一是實驗材料方面，該實驗提供的酵母菌培養液是10g新鮮食用酵母菌與240mL質量分數為5%的葡萄糖溶液混合而成。這種酵母菌培養液容易發酵過度，導致實驗結果不明顯。二是實驗裝置方面，在無氧呼吸裝置中，把反應裝置連通澄清石灰水溶液，何時開始無氧呼吸難以確定；在有氧呼吸裝置中，直接通入混有二氧化碳的空氣，無法判斷裝置中二氧化碳的來源是呼吸作用產生的，還是空氣中原本存在的，為實驗結果的檢測帶來不便。

此外，該實驗耗時長(培養8～10 h)、容易出現不可控因素。因此，筆者教學實踐中嘗試利用注射器和輸液管，開展“探究酵母菌呼吸方式”實驗，對實驗材料的使用量進行重新設置，確保此實驗能夠在課堂上完整、高效進行。

2 酵母菌液與葡萄糖溶液混合比例的探討

依據以上分析，將高活性干酵母菌與37℃左右的溫水以質量比為1 ∶10混合，攪拌均勻后可制得酵母菌液。通過大量實驗發現，這種酵母菌液和質量分數為20%的葡萄糖溶液配置而成的酵母菌培養液，實驗效果明顯。

為了進一步探究酵母菌混合液的最佳配方，將酵母菌液與質量分數為20%的葡萄糖溶液以體積比為1 ∶1和1 ∶2分別混合均勻，制成兩種不同酵母菌培養液。利用這兩種培養液分別進行無氧呼吸實驗。實驗結果發現：培養5min后，兩種比例的混合液產生氣體體積相差不大，均能產生2mL左右的氣體。這有利于在課堂教學中短時間內收集呼吸作用的產物，直接檢測二氧化碳的生成。培養兩小時后，1 ∶1混合的酵母菌培養液產生氣體量基本保持不變，這表明葡萄糖已經被消耗完全。然而1 ∶2混合的酵母菌液此時仍然不斷產生氣體，這表明培養液中仍然有葡萄糖沒有被消耗完。而葡萄糖的存在會影響酒精的檢測，所以實驗必須等待注射器中葡萄糖完全消耗后，才能進行酒精的測定。

因此，1 ∶1混合的酵母菌培養液節約原料，葡萄糖消耗所需時間短，短時間內能獲取生成的氣體，實驗現象明顯。

3 注射器在“探究酵母菌呼吸的方式”實驗中的應用

3.1 無氧呼吸裝置 參考各版本教材中的裝置，不難發現教材中的裝置并不能為酵母菌提供無氧環境。基于此，筆者利用20mL注射器作為無氧呼吸的反應容器，注射器直接吸取配置好的酵母菌培養液1mL，注射器中若不慎吸入空氣，可逆向排出。然后將一定長度的輸液管(約10cm)安裝在針筒頭上，密封針口，關閉調節器，隔絕空氣，為酵母菌提供真正的無氧環境(圖1)。

圖1 無氧呼吸裝置

圖2 氧氣發生器

3.2 有氧呼吸裝置 可增加氧氣簡易發生器提供氧氣來開展實驗(圖2)。直接為酵母菌提供純氧，那么裝置中出現的二氧化碳就一定是呼吸作用產生的。經過大量預實驗，發現60mL的注射器作為氧氣發生器效果最佳。將注射器的針口連上一段輸液管，用連上輸液管的注射器直接吸取2mL的體積分數為10%的過氧化氫溶液，清洗好輸液管的一端后，再直接吸取無機催化劑氯化鐵溶液1mL，輕輕晃動注射器，使兩種液體充分混合，排出針筒內的氣體，關閉調節器，針筒內開始制造并儲存氧氣，為酵母菌有氧呼吸提供充足氧氣。

遵循對照原則和單一變量原則，同樣選取20mL注射器作為有氧呼吸的反應容器。使用20mL注射器小心緩慢吸取1mL酵母菌培養液，而后將氧氣發生器輸液管的另一端連接在20mL注射器針筒頭上，打開調節器，開始緩慢向注射器內推入一定體積的氧氣，關閉調節器。進行了一系列實驗后，發現1mL酵母菌培養液中通入14mL氧氣時，注射器的示數一直不變，表明該裝置中的酵母菌一直進行著有氧呼吸，即14mL氧氣是充足的(圖3)。

圖3 有氧呼吸裝置

3.3 水浴加熱條件 教材中提到將裝置置于25℃～35℃中培養，然而沒有給出具體建議。有條件的學校可以置于恒溫水浴鍋或者恒溫培養箱中培養；沒有相關設備的學校，可以將注射器置于盛有溫水的燒杯中，隔一段時間，充入一定的熱水，以保證水溫在37℃左右，能使細胞代謝處于旺盛狀態，加快呼吸作用速率，縮短實驗等待的時間。

3.4 產物的檢測 酵母菌培養液在兩種不同的反應容器中保溫5min后，能明顯看到有氣體產生。鑒于實驗時間較短，產生的氣體量并不大，所以用澄清石灰水檢測生成的氣體不一定能觀察到明顯現象，選擇更靈敏的試劑溴麝香草酚藍水溶液能使結果更明顯。將輸液管的一端浸入盛有溴麝香草酚藍水溶液的2mL EP管中，將調節器打開至一定程度，慢慢推動注射器拉桿，可以觀察到EP管中的氣泡使溴麝香草酚藍由藍慢慢變綠，最終變成黃色。EP管輕便，方便存放，易拿取，可回收重復利用；并且由于體積小，氣泡看得更加明顯，便于觀察(圖4)。

圖4 呼吸產物檢測結果

4 結語

改進后的實驗，可操作性強、用時短、實驗現象明顯，可以在中學課堂中推廣。3～5min就能明顯看到氣泡的產生，5～10min注射器針筒內就能收集到一定體積的氣體，開始進行氣體的檢測。有氧呼吸裝置中產生了二氧化碳，注射器的刻度卻沒有發生變化，以此讓學生了解有氧呼吸分解葡萄糖，消耗的氧氣量和產生的二氧化碳量相同，使學生印象深刻，為后面的學習打下堅實基礎。注射器和輸液管(連接著調節器)來源于生活，能夠使學生認識到“知識來源于生活”，從而引導學生樹立“知識要緊密結合生活實際”的意識。注射器和輸液管不易破損、便于拿取、可重復利用，節約實驗成本。代替錐形瓶和玻璃導管，使實驗設備簡單化、清晰化，使實驗更加安全，可操作性更強。這樣的一堂實驗課，不僅教師能引導學生進行實驗設計，而且學生能親自動手實踐，觀察明顯的實驗現象，得出實驗結論，真正做到培養學生的動手實踐和總結歸納能力。

(基金項目：2016年度全國教育科學規劃課題教育部青年課題“新一輪課改背景下高中生物核心素養的實踐研究，No.EHA160474)

*前文受翰思科學儀器公司關注*