“探究酵母菌發(fā)酵現(xiàn)象”實驗裝置的創(chuàng)新和應(yīng)用

朱列俠 郟紅麗

摘要 利用“三通”接頭、注射器等器材制造了2個簡易的“酵母菌發(fā)酵”實驗裝置。實驗課堂教學(xué)實踐表明，該裝置用于“酵母菌發(fā)酵”相關(guān)實驗，既便于直觀定性地感知酵母發(fā)酵實驗現(xiàn)象的變化，也可定量地檢測發(fā)酵產(chǎn)物的生成量，有利于落實課標(biāo)中提出的實驗教學(xué)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞 發(fā)酵 酵母菌 實驗創(chuàng)新

中圖分類號 G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》的教學(xué)建議中提出：應(yīng)當(dāng)鼓勵學(xué)生參與教學(xué)設(shè)計，創(chuàng)造性地設(shè)計低成本、易于操作的實驗;安排學(xué)生主動獲取證據(jù)，如實記錄數(shù)據(jù)，作出判斷;重視培養(yǎng)學(xué)生通過文字描述、數(shù)據(jù)表格、圖形等方式完成報告，通過“做中學(xué)”落實教學(xué)目標(biāo)。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》的教學(xué)建議中提到：加強(qiáng)和完善生物學(xué)實驗教學(xué)。鼓勵設(shè)計低成本的教學(xué)實驗，在重視定性實驗的同時，也應(yīng)重視定量實驗，讓學(xué)生在量的變化中了解事物的本質(zhì)。教師應(yīng)給學(xué)生提供機(jī)會去學(xué)習(xí)生物學(xué)研究中的測量方法，實事求是地記錄、整理和分析實驗數(shù)據(jù)，定量表述實驗結(jié)果等。可見，加強(qiáng)和完善生物學(xué)教學(xué)是落實生物學(xué)概念教學(xué)、培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的重要途徑。

酵母菌的發(fā)酵或無氧呼吸實驗是中學(xué)生物教學(xué)中一個重要實驗，但無論在初中的“探究酵母菌發(fā)酵現(xiàn)象”實驗中，還是在高中的“探究酵母菌的無氧呼吸”實驗中，都存在兩個問題：1完全無氧條件的創(chuàng)造難以保證，導(dǎo)致結(jié)果不易解釋;2難以定量檢測酵母菌發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)生量。鑒于此，依據(jù)初高中課程標(biāo)準(zhǔn)的實驗教學(xué)建議，筆者制造了2個簡易“酵母菌發(fā)酵”裝置，創(chuàng)新了實驗方案。

1探究酵母菌發(fā)酵產(chǎn)物的實驗創(chuàng)新方案一

1.1實驗材料

塑料瓶、量筒、“三通”、橡皮塞、氣球、軟管、夾子、注射器、乙醇傳感器、澄清石灰水、蒸餾水、干酵母、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的葡萄糖溶液。

1.2實驗步驟

（1）裝置的制備：選取2個塑料瓶，分別貼上A、B兩個標(biāo)簽。在2個塑料瓶瓶口各加一個“三通”，“三通”的上方各套一個氣球，另一端塞上已插入輸液器的橡皮塞，并用夾子夾住軟管（圖1）。

（2）發(fā)酵：在2個瓶中分別加入100mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的葡萄糖溶液，在A瓶中加入5g酵母菌。將裝置放于室溫環(huán)境中發(fā)酵20min。

（3）CO2的檢測：觀察氣球體積的變化，用兩支注射器分別吸取2mL澄清石灰水，再從相應(yīng)的瓶中分別吸取8mL氣體，振蕩，觀察現(xiàn)象。

（4）乙醇的檢測：取下氣球，連接乙醇傳感器（圖1），檢測乙醇含量;同時，感知乙醇的有無。

1.3實驗結(jié)果

觀察發(fā)酵裝置中氣球的體積變化，可見與A瓶連接氣球逐漸膨脹，而與B瓶連接的氣球內(nèi)氣體體積并無變化，說明酵母發(fā)酵過程中有氣體產(chǎn)生。發(fā)酵20min后，與“三通”連接的注射器抽取等量8mL氣體，與注射器中的澄清石灰水混合，可以發(fā)現(xiàn)，與A瓶連接的注射器中澄清石灰水變的混濁，而與B瓶連接的注射器中的澄清石灰水無明顯變化，說明發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣體為CO2。取下氣球，將乙醇傳感器分別插入發(fā)酵液瓶中，顯示A瓶中的乙醇含量為0.238%，B瓶中的含量為0.008%（B瓶中理論值應(yīng)為0，受限于乙醇傳感器的靈敏度，應(yīng)為實驗誤差），說明酵母發(fā)酵過程中產(chǎn)生了乙醇。移走乙醇傳感器，直接感知乙醇揮發(fā)的氣味，可以聞到A中乙醇的氣味，而B瓶中沒有乙醇的氣味。

1.4實驗的創(chuàng)新點

在發(fā)酵的塑料瓶口連接“三通”、再連接氣球和注射器的裝置的優(yōu)點是：一方面通過觀察氣球的體積變化，可直觀地感知生物發(fā)酵中氣體的產(chǎn)生;另一方面通過注射器定量抽取氣體，與澄清石灰水相混合，觀察澄清石灰水的渾濁程度，可初步定量檢測發(fā)酵中CO2的產(chǎn)生量。此外，該裝置去掉氣球后，既可直接感知乙醇的氣味，也可直接連接乙醇傳感器，裝置和傳感器之間吻合度及氣密性好，便于乙醇檢測。因此，該實驗裝置既可“定性”地直觀感知發(fā)酵產(chǎn)物，也可“定量”地檢測發(fā)酵產(chǎn)物的生成量。

2探究酵母菌發(fā)酵產(chǎn)物的實驗創(chuàng)新方案二

創(chuàng)新方案一的實驗裝置有明顯的優(yōu)點，但由于塑料瓶體積大，發(fā)酵時，瓶內(nèi)O2對發(fā)酵產(chǎn)物會有影響。為了解決這個問題，利用注射器易于創(chuàng)造無氧環(huán)境，并帶有體積刻度。使用這套裝置進(jìn)行實驗，取得了良好的效果。下面以“探究溫度對酵母發(fā)酵的影響”為例，說明裝置的使用。

2.1實驗材料

量筒、天平、注射器、橡皮塞、恒溫水浴鍋、乙醇傳感器、干酵母、葡萄糖溶液、蒸餾水、冰塊。

2.2實驗步驟

（1）裝置的制備：取30支注射器各吸取10mL含酵母菌的葡萄糖培養(yǎng)液，用橡皮塞堵住注射器的針頭口，分為10組，每組3支（圖2）。

（2）發(fā)酵：將10組注射器分別置于冰水（0°C）、20°C、25°C、30°C、35°C、40°C、45°C、50°C、55°C、60°C的恒溫水浴鍋中水浴15min。

（3）CO2的檢測：觀察注射器的氣體體積刻度變化，記錄產(chǎn)生的氣體體積，計算出平均值。將注射器中產(chǎn)生的氣體注入2mL澄清石灰水中，比較澄清石灰水變渾濁的程度。

（4）乙醇的檢測：拔出注射器活塞，將注射器放在燒杯中固定，連接乙醇傳感器（圖2），測定發(fā)酵液中的乙醇含量。

2.3實驗結(jié)果

在發(fā)酵過程中，可以觀察各注射器中氣體體積刻度的變化，表明發(fā)酵過程有氣體的產(chǎn)生。比較不同溫度中注射器氣體體積刻度的差異，可以比較不同溫度下酵母菌的發(fā)酵強(qiáng)度（圖3），如本實驗采用的酵母菌的適宜發(fā)酵溫度約45°C。將注射器中產(chǎn)生的氣體注入澄清石灰水中，可以看出澄清石灰水變渾濁，說明酵母發(fā)酵時有CO2產(chǎn)物的生成。乙醇傳感器檢測結(jié)果表明，45°C、15min后，酵母發(fā)酵液中乙醇含量達(dá)1.36%，高于其他溫度下發(fā)酵的酒精含量，也可聞出酒精含量的差異。

2.4實驗的創(chuàng)新點

用橡皮塞密封注射器針頭口的發(fā)酵裝置有如下優(yōu)點：1裝置氣密性好，易于創(chuàng)造發(fā)酵的無氧環(huán)境，發(fā)酵產(chǎn)生的氣體量可通過觀察注射器上的刻度線直接讀出;2裝置易與乙醇傳感器連接，操作方便;3裝置適于探究不同的因素對酵母發(fā)酵的影響，如探究溫度、pH、糖濃度等因素對酵母發(fā)酵的影響;4制造裝置的材料易獲取、價格便宜，適于中學(xué)生做實驗。

3教學(xué)建議與總結(jié)

實驗課堂教學(xué)顯示，在一個課時內(nèi)可以完整地開展上述兩個創(chuàng)新實驗。在實驗課堂教學(xué)時，教師首先應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生討論自變量、無關(guān)變量和環(huán)境的控制，以及因變量的檢測方法。例如，如何控制溫度和無氧環(huán)境，如何科學(xué)地定性和定量檢測CO2和乙醇。學(xué)生分小組討論、設(shè)計出合理的實驗方案。教師要注意避免直接告知學(xué)生實驗程序和實驗結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和科學(xué)探究的實驗設(shè)計能力。在實驗操作階段，教師要鼓勵小組分工合作，規(guī)范地使用實驗儀器，引導(dǎo)學(xué)生注意觀察實驗現(xiàn)象，如實記錄實驗結(jié)果，科學(xué)處理實驗數(shù)據(jù)，繪制數(shù)據(jù)圖，分組探究不同溫度對酵母菌發(fā)酵的影響，對乙醇傳感器測定的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)處理等，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力、動手實踐操作能力和合作精神。在實驗結(jié)束后，教師要引導(dǎo)學(xué)生互相交流，對實驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行科學(xué)的解釋，形成實驗報告，培養(yǎng)學(xué)生總結(jié)、歸納能力和解釋問題的能力，也落實了“發(fā)酵”概念的教學(xué)。因此，本次實驗課堂教學(xué)的開展，融合了啟發(fā)式、探究式、參與式、合作式等教學(xué)方式，融合運用了傳統(tǒng)和現(xiàn)代技術(shù)手段，對學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科素養(yǎng)發(fā)展具有明顯的促進(jìn)作用。

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