“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗改進分析

摘 要： “探究酵母菌細胞呼吸的方式”是人教版高中生物必修1《分子與細胞》，第五章第三節：“ATP的主要來源——細胞呼吸”中的探究性實驗。充分利用此實驗，可提高學生實驗創新、設計實驗、實施實驗的能力。高考命題中重視考查學生的綜合能力和科學思維，激發學生學習生物科學的興趣，培養實事求是的科學態度，幫助學生形成正確的價值觀，促進學生德、智、體、美、勞全面發展。

關鍵詞： 酵母菌;細胞;呼吸方式;裝置;改進

《普通高中生物學課程標準》提出，生物課程設計的宗旨是培養學生學科核心素養。學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力。生物學科核心素養包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。本節課筆者以探究酵母菌的細胞呼吸方式為例，在引導學生進行探究實驗的過程中，培養學生對自然現象和規律的求知欲和好奇心，掌握科學探究的基本方法和思路，提高學生理論聯系實踐的能力;在探究中，培養學生團隊合作和勇于創新的精神。筆者在本節課的教學中著重培養學生的科學思維和科學探究。

“探究酵母菌細胞呼吸的方式”是人教版高中生物必修1《分子與細胞》，第五章第三節：“ATP的主要來源——細胞呼吸”中的探究性實驗。學生在學習細胞呼吸之前進行此實驗，可以了解有氧呼吸和無氧呼吸的生成產物和條件，并為后面學習無氧呼吸和有氧呼吸的過程、原理、影響因素、應用等知識打下堅實的基礎。在探究過程中，可以幫助學生體會探究實驗的一般流程：提出問題—做出假設—設計實驗—進行實驗—結論、交流和應用。提高了學生的創新思維和實驗設計能力，通過對實驗結果的檢測，可以幫助學生了解酵母菌無氧呼吸和有氧呼吸的結果、產物鑒定，提高了學生的科學素養。另外，本實驗可以為學生學習選修1《生物技術實踐》專題一課題一中果酒制作的原理打下基礎。

高考命題中重視考查學生的綜合能力和科學思維，激發學生學習生物科學的興趣，培養實事求是的科學態度，幫助學生形成正確的價值觀，促進學生德、智、體、美、勞全面發展。本節課在教學中，如果按照教材中提供的實驗方案進行實驗，反應時間需要8～10小時，難以在課堂中開展，實驗效果也不是很理想。因此，在實際教學中大多數教師只是講解實驗，使這個非常重要的探究性實驗失去了意義。筆者對該實驗進行改進，創新了裝置，重新設計了教學過程，利用小組對比實驗的方法，取得了較好的教學效果。

一、 實驗目標

（一）知識目標

1. 了解酵母菌的生物分類，即單細胞真菌，真核生物，代謝類型。

2. 說出酵母菌進行無氧呼吸和有氧呼吸的產物。

3. 舉例說出細胞呼吸原理在日常生活、工業和農業生產中的實際應用。

（二）能力目標

1. 能控制實驗條件，動手組裝不同的實驗裝置，對產物進行檢測。

2. 能根據實驗現象，分析并提出問題，然后設計具體可行的實驗方案。

3. 能根據實驗現象，分析實驗結果，得出實驗結論，提高運用語言表達能力。

4. 能對異?，F象嘗試分析原因，培養批判性思維能力。

（三）情感目標

1. 學習探究實驗的方法，建立正確科學的價值觀。

2. 參與小組合作，總結和分享實驗結果。

二、 實驗原理及設計思路

（一）實驗原理

酵母菌是真核生物，單細胞真菌，代謝類型為異養兼性厭氧型，因此在有氧和無氧條件下都能生存，它是研究細胞呼吸的不同方式較好的材料。酵母菌在平常生活中應用很廣泛，可以加入面粉中做饅頭、面包，也可以釀酒，學生可以根據生活實例，聯系本實驗，思考酵母菌細胞呼吸的條件和產物。

（二）設計思路

酵母菌在無氧條件下產生酒精，在有氧和無氧條件下都能產生二氧化碳。

三、 教材和本次改進用到的實驗器材

“安琪”高活性干酵母菌、質量分數為10 % 的NaOH溶液、一次性大頭針、5 % 葡萄糖溶液、橡膠軟管、體積分數為3 % 的H2O2溶液、一次性注射器、橡皮球、20mL試管、質量分數為20 % 的肝臟研磨液、澄清的石灰水、溴麝香草酚藍水溶液、濃硫酸、重鉻酸鉀、錐形瓶等。

四、 實驗中的創新之處及改進方法

（一）實驗前的準備

1. 提前布置預習任務，讓學生了解實驗基本原理。

（1）本實驗的自變量、因變量、無關變量是什么？如何排除無關變量？本實驗分幾組？

（2）怎樣保證酵母菌在整個實驗中能正常生活？

（3）怎樣鑒定有無酒精產生？有無CO2產生？如何比較CO2產生的多少？

（4）怎樣控制有氧和無氧條件？有沒有更好的方法？

2. 培訓小組組長，讓其了解實驗基本過程及注意事項。

3. 小組長進行預實驗。

（二）酵母菌進行有氧呼吸裝置的改進

教材中的實驗裝置（圖1）：

B瓶內為酵母菌培養液;A瓶為質量分數為10 % 的NaOH溶液，作用是吸收空氣中的二氧化碳;C瓶為澄清的石灰水，用于檢測酵母菌細胞呼吸產生的二氧化碳。

有氧呼吸裝置的改進（圖2）：

在教材所給的有氧裝置中，質量分數為10 % 的NaOH溶液，是否將空氣中的二氧化碳除盡了？澄清的石灰水變渾濁是否會因為空氣中沒有除盡的二氧化碳造成的？學生設計了圖2裝置。在NaOH溶液和酵母菌培養液之間加一個裝有澄清的石灰水的錐形瓶，用于檢測空氣中的二氧化碳是否除盡，使實驗更加嚴謹。

（三）自變量氧氣的控制

教材中的有氧呼吸裝置連通橡皮球（或氣泵），將空氣依次間歇性地通過裝有氫氧化鈉、酵母菌的培養液、澄清的石灰水的三個錐形瓶（約50分鐘）。然后將實驗裝置放到25～35度的環境中培養8～10小時。如果課堂進行此實驗耗時長，不易實施。對此，筆者進行改進，不但縮短了實驗時間，而且可以讓學生在課堂上設計、進行實驗。

改進：

在酵母菌培養液上連接產生氧氣的裝置。取一個錐形瓶加入過氧化氫溶液。錐形瓶上端連接醫用注射器或者分液漏斗，注射器或者分液漏斗里面加入質量分數為20 % 的新鮮肝臟研磨液。通過控制注射器的活塞桿或分液漏斗，將肝臟研磨液加入含過氧化氫的錐形瓶，過氧化氫酶催化H2O2分解產生氧氣，氧氣通入含酵母菌培養液的錐形瓶，來代替氣泵充氣。既節約時間又能保證有氧條件，還能防止無關變量的影響。

（四）酵母菌進行無氧呼吸裝置的改進

教材中的無氧裝置是將酵母菌培養液連接裝有澄清的石灰水的錐形瓶，根據澄清石灰水的渾濁程度，判斷二氧化碳的產生情況。教材中用的方法是將裝置放置一段時間消耗瓶中原有的氧氣，但放置的時間不好把握。

無氧呼吸裝置改進：

1. 將裝有酵母菌培養液的錐形瓶中通入惰性氣體氮氣或者表面用液體石蠟液封，隔絕空氣，保證單一變量，以排除錐形瓶中的空氣對實驗結果的影響。

2. 實驗中也可以用注射器將無氧呼吸裝置抽成真空狀態，這樣可以較快達到無氧狀態，縮短實驗的時間。

（五）配置葡萄糖溶液用40度左右溫水

由于此實驗大概在11月進行，氣溫較低，用40度溫水配置葡萄糖溶液可以縮短實驗時間，在短時間可觀察到明顯的實驗現象。配置葡萄糖溶液用40度左右溫水，并用恒溫水浴鍋加熱，將溫度設置為35～38度。加快反應速度，縮短反應時間。

（六）酵母菌的選擇

通過使用不同的酵母菌進行比較，發現選用“安琪”高活性干酵母進行實驗，實驗效果明顯、發酵快。

五、 進行實驗

教師強調實驗需要注意事項后，全體學生在組長的帶領下，學生分組進行實驗，一組用教材中的裝置，其他組用改進后的裝置開始實驗。學生需要仔細觀察實驗現象、記錄實驗結果，教師巡視，觀察每組學生的實驗結果，發現操作不規范的地方及時指導。每組分別匯報實驗情況，生生間進行交流。

六、 分析結果，得出結論

學生進行實驗后，可觀察到：有氧呼吸裝置中澄清的石灰水先變渾濁，無氧呼吸裝置中澄清的石灰水后變渾濁且渾濁程度低。

從有氧裝置中取出的液體加入酸性重鉻酸鉀還是橙色，無氧呼吸裝置取出的液體加入酸性重鉻酸由橙色變灰綠色。

可得出結論：酵母菌無氧呼吸能產生酒精;酵母菌有氧條呼吸和無氧呼吸都能產生CO2，且有氧呼吸產生的多。

存在問題：

1. 在鑒定中有一組學生取了有氧呼吸裝置的酵母菌培養液中的液體進行酒精鑒定，發現發酵液也從橙色變成了灰綠色，這是怎么回事呢？教師引導學生如實記錄實驗結果，并分析實驗原因。

學生討論并分析原因：

可能由于反應時間短，瓶內氧氣不足造成部分酵母菌進行無氧呼吸產生酒精導致。

2. 生生互助、糾正操作錯誤

①取試劑的量一般是兩毫升，但是學生取了半試管;②有氧和無氧裝置中取出液體的量不相等，未遵循等量原則;③滴加試劑的方法不對，存在貼壁滴加問題等。

3. 實驗前必須檢驗裝置的氣密性

在學生進行實驗的過程中有兩組學生實驗失敗，分析原因發現是裝置的氣密性不嚴，導致細胞呼吸產生的CO2沒有全部通入澄清的石灰水中。

4. 課堂生成的問題

有人認為該實驗裝置中酒精和二氧化碳的產生是葡萄糖水溶液的純化學反應，與酵母菌無關。如何駁斥這個觀點？這些問題引發了學生進一步的思考。

七、 實驗效果評價

在本節課的教學中，將課本實驗改進后，能讓學生在課堂上完成這種復雜實驗過程并親自體驗，檢測到實驗結果，大大提高了學生學習興趣，提高了學生動腦動手操作能力。學生通過討論、設計實驗、展示交流、進行實驗、相互評價、取長補短、不斷完善等方式實現思維碰撞，使學生真正成了課堂的主人。

參考文獻：

[1]普通高中生物學課程標準（2017年版）.人民教育出版社.

[2]胡士達，沈建軍.“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗的幾點探討和改進[J].生物學通報，2011，46（5）：34-36.

[3]生物課程教材研究開發中心.普通高中課程標準實驗教科書生物必修1分子與細胞[M].課程教材研究所，北京：人民教育出版社，2017.

[4]劉翠麗.“探究酵母菌細胞呼吸的方式實驗的改進”[J].實驗教學與儀器，2016.

作者簡介：? 李敏，新疆維吾爾自治區庫爾勒市，新疆第二師華山中學。