在模擬實驗中發展生物學學科核心素養

宋凱 婁瓊

摘要 巧用注射器，模擬酵母菌細胞不同氧條件下的呼吸方式，以期學生在主動探究學習過程中，逐步發展科學思維，明晰核心概念，洞悉生物學本質。

關鍵詞 實驗模擬 酵母菌 細胞呼吸 核心素養

中圖分類號C633.91

文獻標志碼B

1 教材分析

本節課是浙科版生物教科書《必修1·分子與細胞》第三章“細胞的代謝”第四節“細胞呼吸”（第二課時）的內容。細胞呼吸為細胞生存，完成生命活動提供絕大部分的能量，與物質出入細胞、細胞光合作用等內容聯系緊密。教材中對細胞呼吸過程的呈現準確、到位、詳盡，學生能較容易地掌握過程中所涉及的物質和能量變化的基礎知識。教材開設的演示實驗——乙醇發酵實驗，由于裝置復雜，耗時久，難以直接改成學生實驗，不利于學生科學思維的發展。因此，學生無法真正參與到實驗中，對細胞呼吸中物質與能量的變化缺乏科學、理性的認識。

2學情分析

學生通過“細胞呼吸”第一課時的學習，已經掌握了細胞需氧呼吸和厭氧呼吸的具體反應過程，認同了細胞生命活動中存在著物質、能量和信息變化的統一性，理解了細胞呼吸將儲存在有機分子中的能量轉化為ATP中的能量，為各項生命活動供能。同時，高二學生已具備一定的科學思維和科學探究能力，能觀察思考、分析推理、遷移應用。設置簡易的細胞呼吸裝置，模擬酵母菌細胞不同氧條件下的呼吸方式，能引導學生體會細胞呼吸過程中的物質和能量變化，發展其生物學學科核心素養。

3教學重難點及突破策略

3.1 改進教材實驗，設計簡易裝置，實現即時的評價反饋

簡易實驗裝置的設計要求學生具備一定的觀察、遷移、應用能力。學生通過分析醫生注射前對注射器進行排氣的原因，遷移到利用注射器設置成簡易的無氧裝置，模擬酵母菌細胞的無氧呼吸;其次，利用雙氧水制取氧氣，并將收集的氧氣通過橡膠導管注入無氧裝置，模擬酵母菌細胞的有氧呼吸;通過調整反應容器中的酵母菌和葡萄糖的濃度配比，縮短反應時間，實現即時的評價反饋。

3.2體會酵母菌不同呼吸方式過程中的物質、能量和信息變化的統一性

教師要引導學生提出可采用直接觸摸反應容器、水浴鍋中添加體溫計、利用小米溫度傳感器等方法，直觀體驗呼吸過程中的能量變化。并引導學生利用已有的化學知識，檢驗裝置中不同氧氣濃度條件下的呼吸產物，明晰不同呼吸方式過程中的物質變化、能量變化與信息變化的統一性。這要求學生必須具備較好的綜合素養，能夠做到多學科的交叉應用，分析推理、動手實踐，在實踐中建構細胞呼吸核心概念。

4教學目標

（1）利用注射器，設計簡易裝置，模擬酵母菌細胞的不同氧條件下的呼吸方式，檢驗其呼吸產物。

（2）借助酵母菌細胞呼吸模擬實驗，從物質與能量視角，體驗并闡明細胞生命活動過程中貫穿著物質、能量、信息變化的統一性。

（3）查閱文獻或咨詢釀酒師，分析葡萄酒釀制過程中攪拌、適當密閉等操作的原因，并提出提升葡萄酒品質的思路，為家鄉的經濟發展獻計獻策。

5教學過程

5.1創設真實情境，激發學習興趣

教師從鎮海區九龍湖杜夾岙村的葡萄節導入新課，展示介紹當地果農自家釀制葡萄酒的過程，引出酵母菌細胞的無氧呼吸是葡萄酒釀制的內在本質。教師通過展示本節課的教學目標，以期學生能在真實情境的體驗式學習過程中，理解細胞呼吸的本質，發展生物學學科核心素養。

設計意圖：生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任是學生生物學學科核心素養的四個具體維度。教師從學生身邊熟悉的真實情境作為切入點，有利于調動學生積極性，使學生快速融入課堂，并激發其愛家愛鄉愛國的社會責任感和自豪感。學生通過設計簡易裝置，模擬酵母菌細胞的不同呼吸方式，促進科學思維的養成、科學探究能力的提升、對生命本質的理解，形成正確的生命觀念。學生運用已有的知識和方法，提出合理的提升葡萄酒品質的思路，在解決實際問題時逐步形成正確價值觀念、必備品格和關鍵能力，達成本節課的學習發展目標。

5.2設計簡易裝置，探究呼吸方式

5.2.1厭氧呼吸裝置的設計及實驗

教師引導學生思考醫生注射前對注射器進行排氣的原因，遷移至利用注射器設計簡易裝置，并加入適當配比的葡萄糖和酵母菌混合液，模擬酵母菌細胞的厭氧呼吸。

5.2.2需氧呼吸裝置的設計及實驗

學生利用先前設置的無氧呼吸裝置，排盡裝置中的空氣，再通過橡膠導管往裝置中注入收集的02（反應物混合液體積的20%，模擬大氣環境中的氧濃度），模擬酵母菌細胞的有氧呼吸，檢測裝置中經有氧呼吸產生的C02。

設計意圖：科學思維和科學探究是生物學學科核心素養的重要組成部分，要求學生具備一定的觀察分析、遷移應用的能力。教師引導學生通過模仿醫生的操作，將注射器設置成簡易細胞呼吸裝置，按照一定的葡萄糖和酵母菌濃度配比，在不同的氧氣條件下，模擬酵母菌細胞的呼吸方式，檢測其呼吸產物，也可測得酵母菌無氧呼吸、有氧呼吸的速率等。同時，也可激發學生利用身邊的材料進行生物學實驗探究的學習熱情。

5.3檢驗呼吸產物，了解呼吸方式

5.3.1 呼吸過程中放能情況的檢測

學生分為三組，分別采用直接觸摸反應容器、水浴鍋中添加體溫計、利用小米溫度傳感器的方法，感受細胞呼吸過程中的能量釋放情況。

5.3.2呼吸產物C02的檢驗

待反應進行10 min左右時，將5 mL的澄清石灰水注入檢驗裝置中，并晃動，作為對照。將反應器上的橡膠管連接至檢驗裝置，注射器朝上。慢慢地將一定量的氣體推至檢驗裝置，并晃動，可觀察到澄清石灰水出現渾濁現象。

5.3.3呼吸產物酒精的檢驗

將無氧呼吸產生的C02多次排出，反復發酵，直至產生足量的酒精;再將反應器中產物注射至燒杯，進行扇聞。

設計意圖：反應產物和放能情況的檢測是細胞呼吸本質和方式的直接體現，即時的課堂評價反饋有利于學生明晰細胞呼吸的本質。利用一定的儀器設備，可以完成放能情況的檢測。采用初中化學知識中的檢驗方法，即可鑒定出酵母菌有氧呼吸產生了C02、無氧呼吸產生了C02和酒精。這不僅體現了學科之間知識的交叉應用，更反應出學生的個人學科綜合素養、動手實踐能力。

5.4理解呼吸本質，明晰核心概念

酵母菌細胞通過細胞呼吸，在不同氧氣條件下，將葡萄糖等有機物分解生成C02和H2O或乙醇和C02，并將儲存在有機分子中的能量轉化為熱能和生命活動可以利用的能量。

6形成性評價

6.1 分析葡萄酒釀制過程中前期需要攪拌、后期需要適當密閉的原因

學生通過分析酵母菌細胞的代謝類型，解釋：葡萄酒釀制過程中前期攪拌是為了讓酵母菌細胞進行充足的有氧呼吸，有利于酵母菌細胞的繁殖，產生足夠多的菌種，并使釀制前期產生的C02逸出;后期適當密閉是為了營造無氧環境，有利于酵母菌細胞的無氧呼吸產生酒精，通常可采用高中化學實驗中常用的有彎曲的安全玻璃管進行液封，既可以調節發酵裝置內外的氣壓，又可防止雜菌進入造成污染。

6.2結合已有的生物化學知識，分析提高葡萄酒的品質的具體措施

學生通過查閱相關的科研文獻、咨詢釀酒師傅等，從葡萄酒釀制所需的葡萄品種的選擇、酵母菌菌種的選擇、葡萄酒的澄清與過濾、反應容器密閉情況的控制、發酵時間的控制、葡萄酒的罐裝與儲存等，提出釀制過程中的注意事項。

設計意圖：教師引導學生結合所學的細胞呼吸相關知識，運用科學的思維方法，辯證性地思考、提出解決葡萄酒釀制過程中的相關問題的思路，初步了解科學探究的一般方法和思路。學生通過查閱、咨詢等活動中，發展信息提取、合作交流、歸納總結等必備的品格和能力。同時，也激發學生的愛家愛國的社會責任感，使學生立志投身于生物學科研事業，為家鄉的經濟發展，貢獻自己的力量。

7教學反思

教師通過預實驗，調整葡萄糖和酵母菌濃度配比，利用注射器模擬酵母菌不同氧氣條件下的細胞呼吸方式，讓學生真正參與到課堂模擬實驗中，合理應用多學科的鑒定方法，實現即時評價反饋。通過呼吸產物的檢驗、能量變化的測定，學生體會了細胞呼吸過程中不同氧氣條件下的物質變化和能量變化，建構出細胞呼吸的核心內涵。同時，學生在關注、思考如何提升葡萄酒品質時，促使其深入了解葡萄酒釀制過程的各個環節，也培育了其愛家愛鄉愛國的社會責任感。

但是，無氧呼吸產物酒精的鑒定時，由于短時間產生的酒精濃度不高，初次扇聞效果不佳，故通過多次排氣，反復發酵，30 min后即可產生足夠多的酒精，進行扇聞。在放能情況測定時，由于反應液體積偏小，即使使用小米溫度傳感器進行檢測，檢測結果的誤差偏大;若能夠進一步增大反應體系，或者使用更加靈敏的溫度檢測儀，可以更加直觀地監測到細胞呼吸的放能情況。

參考文獻：

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