基于跨學科融合的高中生物學實驗改進及教學探討

余鴻婷 張鋒

“探究酵母菌細胞呼吸的方式”是人教版高中生物學教材《必修1·分子與細胞》第五章第三節的探究實驗之一，在《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）中，本節內容涉及的重要概念為“細胞的功能絕大多數基于化學反應，這些化學反應發生在細胞的特定區域”，次位概念為“說明生物通過細胞呼吸將儲存在有機分子中的能量轉化為生命活動可以利用的能量”，這些概念是大概念“細胞的生存需要能量和營養物質”的重要組分，為幫助學生達成對重要概念和次位概念的理解，《課程標準》要求應開展探究酵母細胞的呼吸方式探究實踐，促進學生核心素養的提升。但是，在實踐教學中，“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗往往會受到實驗條件和實驗效果的限制，導致實際教學開出率較低，難以成為促進學生核心素養達成的重要支撐。

下文依據深度學習的理念，創建具有挑戰性的學習主題，開展“探究酵母菌細胞呼吸的方式”的跨學科實踐，通過讓學生設計并優化酵母細胞呼吸方式的實驗裝置進行任務驅動，將“問題探討”中酵母菌在生產實踐中的應用貫穿至細胞呼吸原理和應用的整個單元。教師采取了課前小組研究性學習—設計改進并優化實驗裝置、課上探究實踐、課后擴展延伸與應用等方法開展教學（圖1）。在整個教學過程中，始終滲透著科學探究過程變量的控制和實驗設計的規范問題，學生通過發現問題、解決問題提高科學思維和科學探究能力，并形成積極的內在學習動機和正確的價值觀，進而掌握學科的核心知識和把握學科的本質及思想方法。

1 實驗材料

教師為學生提供的實驗試劑包括高活性干酵母粉、質量分數為5%的葡萄糖溶液、5%的 FeCl3溶液、10%的H2O2溶液、酸性重鉻酸鉀溶液和溴麝香草酚藍水溶液；實驗器材包括注射器（帶堵頭）、醫用三通閥、硅膠軟管、刻度試管和小燒杯。學生根據教師提供的實驗試劑與實驗器材進行實驗裝置的設計與優化。

2 實驗方案與改進

2.1實驗裝置的設計方案

課堂上，教師讓學生展示小組設計的實驗裝置，學生分析交流、討論評價實驗裝置的優缺點和可行性，如裝置的氣密性如何，裝置能否實現單一變量，裝置是否科學合理，裝置能否便于操作，裝置能否順利實現產物的檢測等。教師引導學生優化實驗裝置，確定最佳實驗裝置的設計方案，并根據學生設計的方案，引導學生利用提供的材料進行裝置的連接與實驗。

2.2優化的實驗裝置

在學生設計的實驗方案中，學生試圖使裝置不僅能有效控制自變量以進行酵母菌培養，還能夠便捷地進行因變量的檢測。學生通過查閱資料了解到三通閥在醫院中常用于兌藥，它有三個通道，可以利用閥門來控制開閉。如圖2所示，閥門箭頭指向的通道就是開放的。

通過討論，學生對實驗裝置進行了優化，得到了改進后的酵母菌細胞呼吸實驗裝置，如圖3所示。即以注射器作為反應容器，先利用帶堵頭的注射器制備 O2，再用第二只注射器培養酵母菌，通過三通閥與硅膠軟管將兩者連接起來，待反應一定時間后，再與第三只裝有檢測試劑的注射器連接，從而實現產物便捷與及時的檢測。與有氧裝置相比，無氧裝置中不再向培養酵母菌的注射器中額外加入氧氣。此外，學生還可以通過減壓法排除培養液中的溶解氧來營造無氧環境。通過三通閥的靈活開閉，實驗裝置實現了不同反應體系或者檢測體系的連接，甚至可以通過硅膠軟管與傳感器的連接實現精確定量，此外，注射器的量程就可以使反應物與產物由定性到初步定量。

2.3實驗改進

改進后的酵母菌細胞呼吸裝置在自變量的控制、反應時間、因變量的檢測與裝置的成本等方面得到有效的優化，見表1。

3 實驗步驟

（1）酵母菌的活化

將15 g 高活性干酵母粉加入到150 mL 5%的葡萄糖溶液中，在25℃的條件下水浴3min。

（2） O2的制備

結合“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗，得到最佳的自制 O2方案，即利用50 mL 的注射器吸取5 mL 10%的 H2O2溶液與2 mL 5%的 FeCl3溶液反應2 min。

（3）酵母菌的培養

有氧裝置吸取20 mL酵母培養液與20 mL 的O2后在25℃條件下水浴5min，無氧裝置吸取20 mL酵母培養液后利用減壓法排除培養液中的溶解氧。

（4）反應物的檢測

①二氧化碳：在兩支20 mL的注射器中各加入5 mL的溴麝香草酚藍溶液，利用三通閥將其分別與有氧裝置和無氧裝置連接。②酒精的檢測：利用三通閥分別將有氧裝置與無氧裝置中2 mL 的酵母菌培養液加入至兩支10 mL 的刻度試管中，各滴入2滴酸性重鉻酸鉀溶液進行酒精的檢測。

4 結果與討論

4.1檢測 CO2的產生

酵母菌在有氧或無氧條件下均能進行細胞呼吸。有氧條件下，酵母菌有氧呼吸消耗O2的同時產生大量的CO2，反應后注射器中氣體體積變化不大。無氧條件下，酵母菌無氧呼吸不消耗氧氣，產生少量的CO2，裝置反應后注射器氣體體積增大。學生隨后將該氣體通過三通閥與裝有溴麝香草酚藍溶液的注射器相連通，溴麝香草酚藍溶液均由藍變綠再變黃，從而進一步證實了酵母菌有氧呼吸與無氧呼吸均可產生CO2。

4.2檢測酒精的產生

學生將有氧呼吸與無氧呼吸裝置中的酵母菌培養液分別加入至刻度試管中，接著，各向其中滴入2滴酸性重鉻酸鉀溶液來進行酒精的檢測。與未加入酸性重鉻酸鉀的酵母菌培養液相比，無氧呼吸裝置中的培養液與有氧呼吸裝置中的培養液均呈現灰綠色，且無氧呼吸裝置中的培養液顏色更深，學生由此初步推斷兩個裝置中均有酒精產生。由于葡萄糖也能使酸性重鉻酸鉀溶液發生顏色變化，因此，研究性學習小組進一步設計實驗驗證。學生討論有氧裝置中的酵母菌培養液使酸性重鉻酸鉀溶液發生顏色變化的原因，指出可能是培養液中的葡萄糖還未消耗完全從而干擾實驗結果，也可能是有氧呼吸裝置中后期氧氣供應不足使無氧呼吸發生并產生酒精。

為進一步通過實驗進行判斷，學生分別在70%的酒精、5%的葡萄糖溶液和清水中加入酸性重鉻酸鉀溶液以觀察顯色結果，結果表明，酒精和葡萄糖溶液均可使酸性重鉻酸鉀溶液發生顏色變化。學生對有氧裝置與無氧裝置中的酵母菌培養液進行還原糖的檢測，結果均出現磚紅色沉淀，說明裝置中的葡萄糖均未耗盡。為排除培養液中葡萄糖的干擾，學生小組通過討論分析，利用酒精易揮發的特性，將培養液放在90℃的水浴中加熱，嘗試讓培養液中的酒精揮發出來，并在容器的上方放置滴加酸性重鉻酸鉀溶液的短徑漏斗，從而觀察顏色變化。學生觀察發現，在從無氧裝置獲取的酵母菌培養液上方的短徑漏斗中，酸性重鉻酸鉀溶液顏色變化明顯，由橙色變為灰綠色，而在從有氧裝置獲取的酵母菌培養液上方的短徑漏斗中，酸性重鉻酸鉀溶液顏色無明顯變化，依然為橙色。這說明有氧裝置中酵母菌培養液使酸性重鉻酸鉀溶液發生的顏色變化可能是由于培養液中殘余的葡萄糖造成的，學生從而進一步判斷得到，酵母菌無氧呼吸產生酒精，有氧呼吸不產生酒精。

學生通過設計并優化“探究酵母細胞呼吸方式”的實驗裝置，并利用裝置進行探究實驗，確認了酵母菌在有氧和無氧條件下都能進行細胞呼吸。在有氧條件下，酵母菌通過細胞呼吸產生大量的CO2。在無氧條件下，酵母菌通過細胞呼吸產生酒精和少量的CO2。

通過對酵母細胞呼吸方式的探究，學生進一步解釋了家庭釀制葡萄酒時出現問題的可能原因以及注意事項。通過嘗試查閱資料，優化方案，學生自制葡萄酒與家人分享，并在校園科技節中展示。此外，學生還可聯系生活情境，學以致用，查閱資料了解福州老酒是如何釀制的，釀制過程中有什么微生物參與發酵，并了解發酵的原理與過程。

5 教學反思

本實驗設計的初衷是出于對“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗開設現狀的思考，在實際教學中，原實驗裝置由于連接復雜、實驗耗時長、實驗操作難度較大等原因導致實驗開設率低。《課程標準》中的課程理念“教學過程重實踐”強調學生通過探究性學習活動加深對生物學概念的理解。《課程標準》實施建議中也提出，加強和完善生物學實驗教學，鼓勵學生參與設計實驗，重視定性實驗的同時也應重視定量實驗，讓學生在量的變化中了解事物的本質等建議。因此，教師利用釀酒作為生活情境引入，學生的整個探究活動圍繞酵母菌的細胞呼吸方式是什么展開，教師指導學生進行探究實驗的設計。從實驗器材的選擇、實驗裝置的設計、實驗的分析與評價、實驗的拓展研究（包括探究實驗的方法步驟與變量分析），到進一步進行實驗操作，學生全程參與，在實踐中學習并掌握細胞呼吸的概念性知識，理解科學本質。教學過程不再是教師單方面地給予知識和學生被動地接收知識，而是在教師的引領下，學生通過全身心積極參與、體驗成功、獲得發展的深度學習，學生通過自身思考實踐獲得的知識和經驗來建構概念。例如，學生通過對課堂分組實驗結果的分析，領悟到裝置的氣密性和產物檢測的及時性等都會對實驗結果造成影響。此外，教師通過課后的延伸引導學生回歸到情境中，幫助學生學以致用，也容易激發學生的興趣點，燃起學生進一步探究的熱情，并在研究性學習小組進行的成果分享和展示中落實社會責任的培養。學生不僅學到了知識，還提高了解決問題的能力，通過進行科學探究，學生掌握了部分科學方法，增強了科學思維，體會到實驗的嚴謹性，進而提高了核心素養。

優化后的實驗裝置具有低成本、低消耗、反應快、用時短和反應結果直觀準確等優點，適合被推廣用來進行“探究酵母菌細胞呼吸的方式”的課堂分組實驗。參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：4.

[2]劉月霞，郭華.深度學習：走向核心素養[M].北京：教育科學出版社，2019：32.

[3]廖蒙蒙.基于科學探究的高中生物實驗教學探索——以“探究酵母細胞呼吸的方式”教學為例[J].中學生物學，2022，38（3）：60-62.