基于PBL 教學模式的“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗教學設計

陳靜思

（河北唐山外國語學校，河北 唐山 063000）

一、一教材分析

“探究酵母細胞呼吸的方式”是人教版高中生物必修一中的一個重要的探究性實驗。再此之前學生已經學習了“線粒體”和“細胞的能量通貨——ATP”等相關基礎知識以及“探究影響酶活性的條件”的探究性實驗的相關知識。為本節課的學習奠定了基礎。

通過對酵母細胞呼吸方式的探究，可以使學生了解到有氧呼吸和無氧呼吸的條件和生成的產物，為后面“細胞呼吸”的學習打下基礎。

二、設計思路

本實驗采用PBL（problem-based learning）基于問題的學習的教學模式。以教師講授為主的實驗教學模式，很大程度上讓理論與實踐有一種割裂，學生跟隨教師設計的教學進度開展學習，缺乏主動學習的積極性，缺少自主設計實驗的機會。PBL教學模式下，教師通過引導學生發現與實驗相關的生物學現象，從而逐步組織學生通過提出問題、查閱資料、小組合作設計實驗、實施實驗、分析數據和得出結論。更能體現學生學習的主體地位，使學生從被動模仿式地開展實驗改變為主動參與解決實際問題的實驗設計活動中，不僅提高了發現問題、探究問題、解決問題的能力，還提高了實驗操作技能和創新思維。

三、教學目標

1.生命觀念方面：說出酵母菌細胞呼吸的方式和產物。2 科學思維方面：學會對實驗條件的控制和對實驗結果的檢測,提高學生對于實驗步驟的嚴謹性。3.科學探究方面：親身實踐探究的一般步驟，理解探究的真諦。4.社會責任方面：通過探究活動，培養科學的學習方法，養成科學態度，建立科學價值觀。

四、實驗裝置設計與優化

在實際教學中，由于藥品和器材準備復雜、實驗耗時長等諸多原因，實驗開設率并不高。為解決以上問題，通過查閱資料，對實驗裝置進行了改進與優化，改進后的實驗簡單易行，用時較短，留下更多的時間給學生進行探討。

酵母菌培養液：教材選用新鮮的食用酵母，不便于保存。改用高活性干酵母，其活性較新鮮酵母高1g 活性干酵母相當于2.5g 新鮮酵母[1]。用1g 高活性干酵母加10ml 蒸餾水（溫水）活化3min，加入等體積質量分數為5%葡萄糖溶液混勻（要現配現用）。

酵母細胞培養裝置：教材中用錐形瓶連接而成的裝置，連接復雜，試劑耗費量特別大，實驗過程所耗時間較長，需要8～10h。改進后的裝置由，用60ml、20ml 注射器和帶流量調節器的輸液管組成。并在輸液管上安裝上連接器，便于與注射器連接。（見圖1）

該裝置的優點：

①通過推出注射器中的氣體，關閉流量閥直接制造無氧環境。②可以直接向注射器中充入氧氣制造有氧環境。

③可以很直觀的看到有氧呼吸和無氧呼吸過程中氣體體積的變化過程。

充氧設備：教材中的設備要連接氣泵，并使用NaOH 除去空氣中的CO2。若吹氣量不足或NaOH 除不干凈空氣中的CO2，會對實驗造成影響。改進后，用便攜式氧氣瓶直接通入氧氣，操作簡便、無CO2 干擾。

酒精檢測方法：教材中使用的酸性條件的重鉻酸鉀溶液，操作過程繁瑣，濃硫酸有腐蝕性，并且使用條件苛刻，需要培養液中的葡萄糖徹底被耗盡，否則葡萄糖會使重鉻酸鉀發生類似的反應[2]。改進后，將培養后的酵母菌培養液放入試管中，加熱至沸騰可直接用酒精檢測儀檢測酒精含量，操作安全便捷。（見圖2）

圖2

CO2 檢測方法：教材中用錐形瓶盛放澄清石灰水，需要的CO2 量較大才能變渾濁，由于培養裝置的改進，產生的CO2 量也變少，所以改進后，用試管盛放澄清石灰水，效果更明顯。（見圖3）

圖3

呼吸速率的比較：教材中通過澄清石灰水變渾濁的程度來檢測酵母菌培養液中CO2 的產生情況，耗時長，且有一定的主觀性。改進后通過檢測單位時間CO2 的釋放量和底物的消耗量來比較有氧、無氧的呼吸速率。

①CO2 釋放速率：有氧組——通入氧氣后，不斷搖晃注射器，使酵母菌與氧氣充分接觸（發酵液中氧氣的溶解度較低）。當氣體體積發生變化后立即停止反應，將氣體推入盛有NaOH 的注射器中，減少的氣體體積即為有氧呼吸產生的CO2 的量（見圖4）。無氧組——與有氧組同時終止反應，可直接觀察氣體的增加量，即為無氧呼吸產生的CO2 的量（見圖5）。

圖4

圖5

②底物消耗速率：用血糖儀來測定反應前后酵母菌培養液中葡萄糖含量（見圖6）。

圖6

五、教學過程

（一）創設情境，激發興趣

教師展示“礦泉水瓶吹氣球”的實驗現象。吸引學生注意，引起學生思考，怎樣讓礦泉水瓶把氣球吹起來？引出本節課要學習的酵母細胞。

設計意圖：新課的導入就如影劇的序幕一樣，可以引起學生的注意和興趣，充分調動學生學習的積極性和主動性。

（二）觀察現象，提出問題

教師提出問題，酵母菌在生活中有哪些應用？學生會想到發面和釀酒。再引導學生思考，發面和釀酒的過程需要怎樣的條件，又會發生什么變化？能不能通過這些現象提出可探究性的問題？

學生會提出一系列的問題，例如：是不是酵母菌在有氧環境和無氧環境下都能進行細胞呼吸？酵母細胞呼吸產生的氣體是不是CO2？無氧呼吸有酒精產生，有氧呼吸能不能產生酒精？如何檢驗是否有CO2 和酒精的產生？無氧和有氧條件下哪個呼吸作用更快？學生提到有些問題可能與本實驗的相關性并不高，這時需要老師給與一定的引導。

最終師生一起確立探究課題：探究酵母細胞有氧呼吸的產物；探究酵母細胞無氧呼吸的產物；探究酵母細胞有氧呼吸與無氧呼吸的速率。

設計意圖：該過程針對生活中的真實情境，引導學生抓住關鍵現象，發現問題，并提出有可探究性的問題。

（三）小組合作、設計實驗

首先引導學生思考，設計一個實驗最先要考慮的是什么？引出學生對自變量、因變量、觀測指標和無關變量的思考。

其次，給定實驗裝置和實驗材料，以及相關資料（包括檢驗方法、設備改進相關資料、實驗材料的用量相關資料。）讓學生分為三個大組，分別討論上述三個探究課題的具體的實驗過程。在學生書寫實驗過程中，自然會生成許多問題。例如：如何設置有氧環境和無氧環境？如何對產物進行檢測更便捷準確？如何確定有氧組進行的是否為有氧呼吸？反應何時終止？怎樣比較有氧呼吸與無氧呼吸的速率，以什么為指標來進行衡量？等等。有了問題，學生便會通過討論和查閱資料的形式，進行解決。有些問題比較復雜，這時需要教師在旁邊進行指導。例如：何時終止有氧呼吸？酵母細胞以葡萄糖為底物，有氧呼吸吸收的氧氣等于釋放的CO2，所以這時氣體體積是不變的，所以當有氧組氣體體積發生變化便應終止反應。

最后，達成一致的實驗設計思路。

設計意圖：該過程通過引導學生自主設計實驗，培養學生的科學思維與創新思維。通過小組討論，也培養了合作精神。

（四）進行實驗、完善操作

教師進行實驗分組，一共6 組。

1 組：有氧呼吸定性組——檢測產物中是否有CO2。

2 組：無氧呼吸定性組——檢測產物中是否有CO2。

3 組：有氧呼吸定性組——檢測產物中是否有酒精。

4 組：無氧呼吸定性組——檢測產物中是否有酒精。

5 組：有氧呼吸定量組——測定有氧呼吸過程中

6 組：無氧呼吸定量組——測定無氧呼吸過程中產生CO2 的體積和葡萄糖減少量。

1、3為有氧呼吸定性組，2、4為無氧呼吸定性組，分別檢測產物中是否有CO2、酒精。

5、6 組分別為有氧呼吸和無氧呼吸定量組，分別檢測產生CO2 的體積和葡萄糖減少量。

有氧組1、3、5：用60ml 注射器，吸取酵母培養液5ml，通入氧氣50ml，關閉氣閥。反應過程中不斷搖晃注射劑，一旦體積發生變化，馬上終止反應。

無氧組2、4、6：20ml 注射器吸入5ml 酵母培養液，推出多余空氣，關閉氣閥，制造成無氧環境。2、4 組當體積不再發生變化后終止反應。6 組，在5 組終止反應時，也終止反應。

反應結束后，1、2 組將氣體推入澄清石灰水中，看澄清石灰水是否變渾濁。2、4組將氣體通入酒精檢測儀，看是否有酒精產生，若沒有，可再將酵母細胞培養液倒入試管內，加熱至沸騰，看是否能檢測出酒精。5 組將氣體推入裝有質量分數為10%的NaOH 溶液中，并反復抽吸，觀察并記錄氣體體積的減少量，即為CO2 的產生量。6 組直接記錄氣體的增加量。并用血糖儀分別檢測兩組酵母細胞培養液中葡糖糖的減少量。

教師在學生操作過程中給與指導，并引導學生在操作過程中進一步完善實驗步驟。例如，有氧呼吸組，充氣過程中，輸液軟管中的氣體會不會影響實驗，學生會進行先給軟管充氣的改進。無氧呼吸組反應的時間較長，學生會想到要在適宜的溫度下進行培養可以縮短，會提出使用溫水浴的操作改進等等。

設計意圖：該過程可培養學生的實驗操作能力，體會紙上設計和實際操作的差異性。提高學生對于實驗步驟的嚴謹性。

（五）結果展示、討論交流

實驗完成后要求學生交流各組的實驗結果，并填實驗結果記錄錄表。

實驗結果表明有氧呼吸無氧呼吸都能明顯使澄清石灰水變渾濁，即能產生CO2，單位時間內有氧呼吸產生的CO2，消耗的葡萄糖要比無氧呼吸多。無氧呼吸不用加熱培養液，就可以明顯檢測出有酒精含量。有氧呼吸幾乎無酒精產生，但是也有小組能夠檢測出少量的酒精。留給學生課下去查閱資料并作出合理解釋。

通過學生分析，得出結論：酵母菌培養液中的溶氧量很低，在菌體發酵的旺盛時期，一般只能維持微生物正常呼吸15～30s[3]其后微生物的有氧呼吸就會收到抑制。所以，如果反應時沒有充分搖晃注射器，有些酵母細胞不能充分與氧氣接觸，會進行無氧呼吸。或者沒有在氣體一發生變化就終止反應，進行了一段時間無氧呼吸。

設計意圖：要讓學生懂得尊重實驗結果，出現不符合預期的實驗結果，要學會分析，并找出原因。

五、教學反思

本節課，教師給學生創設情境，提供資料，引導學生提出探究問題和實施實驗需要解決的問題，PBL 教學過程中最重要的就是問題的提出，不是教師的自問自答，而是學生的自問自答。雖然有會有同學提出部分問題與要探究的課題關聯度不高，但也都是圍繞著酵母細胞的呼吸，課堂上做到了大膽思考、大膽表達。正是這種較高的參與度，學生們體會到了科學探究的流程，提高了科學思維能力，也更有成就感。

學生在撰寫實驗方案和實驗結果并進行完善的過程中，學生的思維是逐級遞進的，是由層次性的，這也是科學探究的一個重要環節，盡管有些學生設計的方案可行性不高，但要對學生思維的靈活性給與充分的肯定。

但采用PBL 教學法，也有一定的局限性，學生把大把的時間用于如何解決問題上，可能忽視了對基礎知識的準確掌握，并且這樣的課堂很容易出現時間不夠用的情況，所以需要老師把握好課堂的節奏，合理安排時間。