基于生物學核心素養的“探究酵母菌細胞呼吸的方式”教學設計

潘玲

摘 要：在“探究酵母菌細胞呼吸的方式”一節中運用ATDE教學理念，以教師演示實驗為依托，在教學過程中通過連串式的問題情境在分析探究結果的過程中，主動架構核心概念，通過分組實驗讓學生動手、動腦，在思維上參與課題，活化課堂，并著力培養學生的生物學核心素養。

關鍵詞：呼吸作用；細胞呼吸；有氧；無氧；酒精檢測儀

一、教學理念

本節課運用ATDE教學理念。

ATDE教學理念，是“問（Asking）、想（Thinking）、做（Doing）、評（Evaluation）”教學理念的簡稱，其環節設置遵循問題解決的過程，而且不同環節中滲透著培養學生科學思維的思想。“問”，教師通過問題引導學生進行思考，提供給學生發展創造性思維和提出問題的機會；“想”，教師展示一系列問題后，鼓勵學生自由聯想、發散思維，以發展學生的創造性思維；“做”，教師利用不同活動形式讓學生在實際活動中找到解決問題的方案；“評”，學生在評價交流中對不同的觀點進行批判性思考，經歷不同思維的碰撞后，促進學生高階思維能力的發展。

二、教學內容分析

（一）新課標要求

《普通高中生物學課程標準》（2017年版2020年修訂）指出，學生應該在學習過程中，能夠針對生物學現象進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及對結果的交流和討論，逐步培養科學探究能力，能夠基于生物學事實和證據運用歸納與概括、批判性思維等方法，闡釋生命現象及規律，從而逐步發展科學思維[1]。

“探究酵母菌細胞呼吸的方式”是人教版高中生物學必修1《分子與細胞》第5章第3節“細胞呼吸的原理和應用”中“探究·實踐”內容，通過實驗設計、實施并對實驗現象的分析得出細胞呼吸的方式，旨在通過對比實驗讓學生掌握細胞呼吸的相關知識，培養學生的科學探究與科學思維素養。

但在實際的教學中，由于實驗裝置連接復雜，實驗耗時長，以及實驗操作難度較大等原因，學生實施有困難[2]。在教學過程中，筆者引導學生做“向石灰水吹氣”的實驗，明確呼吸作用產生的二氧化碳來自細胞，結合面包制作及釀酒的生活實例，引導學生提出酵母菌在有氧和無氧條件下細胞呼吸產物的探究性實驗的實驗方案設計，并在課堂上進行學生小組實驗，分析實驗現象總結得出結論。教師通過對教材中的實驗裝置、檢測手段等進行優化并進行教學，解決了該實驗的上述問題，并培養了學生生物學學科核心素養。

（二）教學內容分析

通過上一節《細胞的能量貨幣——ATP》的學習，學生知道細胞呼吸是ATP的主要來源。那么，細胞呼吸過程是如何將儲存在有機物中的能量釋放出來并轉化為ATP中活躍的化學能的呢？在引出細胞呼吸的原理之前，課本利用酵母菌來探究細胞呼吸的方式，這就是本節學習的內容。可見，本節課是酶與ATP內容的延續與深化，是細胞物質與能量代謝的主要內容，能夠幫助學生認識細胞生命活動過程中貫穿著的物質與能量變化。同時，細胞呼吸與光合作用一起實現了能量的輸入、轉化、散失，是細胞內的基本代謝過程，是細胞基礎功能之一，是個體層次、生態系統層次上物質與能量變化的基礎和保障。因此，本節課是學生形成物質與能量觀的重要內容。

（三）學情分析

學生已經學習過細胞中的有機物、線粒體的作用、酶、ATP，知道糖類是主要的供能物質，線粒體是有氧呼吸的主要場所，細胞呼吸是ATP的重要來源，細胞中的化學反應需要酶的催化，酶具有高效性和專一性、作用條件溫和等，這些都是本節內容的知識基礎。

從核心素養角度看，學生已經參與過“比較過氧化氫在不同條件下的分解”等多個實驗，具備設計對照實驗、控制單一變量等探究能力；在前面幾章的學習中，也多次從結構與功能相適應的角度進行探討，認同分子、細胞層面存在結構與功能的適應性。

三、教學目標

（一）科學探究：探究酵母菌細胞呼吸的方式，設計并實施實驗方案，進一步學會控制自變量、觀察和檢測因變量。

（二）科學思維：在設計實驗方案、分析實驗結果過程中，培養學生科學思維和科學探究能力。

（三）生命觀念：通過課堂小游戲“向盛有澄清石灰水的燒杯中吹氣”，讓學生體會氣體交換的生命現象。

（四）社會責任：通過分析酵母菌發酵在生產、生活中的應用，養成關注社會的責任意識。

四、教學重難點

（一）教學重點：（1）設計并完善實驗方案；（2）分析酵母菌兩種細胞呼吸類型的條件和產物。

（二）教學難點：實驗設計中控制自變量，觀察并檢測因變量的變化。

（三）教法、學法：

教法：講授法、演示法、實驗法、討論法等。

學法：觀察法、合作探究法等。

（四）教學準備：

教師：課件、學生導學案、酵母菌細胞呼吸裝置、安琪酵母4包、5%葡萄糖溶液、10%氫氧化鈉溶液，澄清石灰水、溴麝香草酚藍水溶液、酸性重鉻酸鉀等探究實驗用品。

學生：酵母菌細胞呼吸改進裝置（100ml錐形瓶、氣球）、澄清石灰水、酒精檢測儀。

五、教學過程設計

通過設置課前小游戲——向盛有澄清石灰水的燒杯中吹氣，澄清石灰水變渾濁，引導學生思考使澄清石灰水變渾濁的CO2是怎么產生的，激發學生從現象尋找本質的動力。接下來教師引導學生學習呼吸作用的實質，知道呼吸作用就是細胞呼吸，指細胞中有機物的氧化分解，并釋放能量，從而得出本節課研究的對象是細胞。該用什么細胞作為研究對象呢，人的細胞顯然不行，離體后很快死亡，有沒有一種生物是由一個細胞組成，在有氧的條件下可以生存，在無氧的條件下也可以生存，如果有的話用來做研究材料最好不過了，就可用來探究細胞在有氧和無氧的條件下有機物氧化分解分別生成了什么。學生立刻想到酵母菌，教師引導學生思考發面和釀酒時酵母菌細胞呼吸的產物，從而引出本節主題——探究酵母菌細胞呼吸的方式。教師通過演示實驗酵母菌在有氧和無氧條件下的細胞呼吸，得出在有氧的條件下，澄清石灰水很快變渾濁，在無氧的條件下澄清石灰水變渾濁的速度慢。橙色的重鉻酸鉀在酸性條件下與酒精反應變成灰綠色，在檢測兩個裝置是否都生成酒精時，有氧和無氧條件下溶液都變成灰綠色，由于葡萄糖也能與酸性重鉻酸鉀發生顏色反應，所以在短時間內（葡萄糖沒有被消耗完的情況下）此方式是行不通的，從而引出學生分組實驗，用酒精檢測儀測酒精。通過學生自己動手操作，最后得出酵母菌在有氧的條件下產生了大量的CO2，在無氧條件下產生了CO2和酒精的結論。

設計意圖：通過學生做“向石灰水吹氣”的實驗，明確呼吸作用是指細胞呼吸，同時激發學習興趣，設問引導學生思考。

（一）創設情境，提問并做出假設

教師課件展示用酵母菌發面和本校學生果酒制作的照片，并提問：發面、釀酒分別在密閉還是“有癢”的條件下進行？在這樣的條件下酵母菌細胞呼吸的產物有哪些呢？引導學生從教材實驗大標題“探究酵母菌細胞呼吸的方式”確定為“探究有氧和無氧條件下酵母菌細胞呼吸產物”的探究內容上來。

結合上面的三個實例，學生知道酵母菌細胞呼吸產生二氧化碳、酒精。教師設疑：二氧化碳、酒精是在有氧還是無氧條件下產生的？還是有氧條件產生二氧化碳，無氧產生酒精？還有哪些可能？鼓勵學生大膽猜想，并展示學生提出的所有可能。

設計意圖：針對教師提出的問題，教師鼓勵學生，并給予學生充足的時間，發散思維、充分聯想，以教材中的背景材料為出發點，驅動學生的想象。學生根據現象提出需要探究的問題，讓學生主動參與到教學中，體現學生的主體地位，培養學生分類與比較能力。

（二）設計實驗，優化實驗裝置及實施實驗

教師引導學生通過思考，按照探究性實驗的一般設計流程，參照教材中的問題探討如何設置自變量、檢測因變量，控制無關變量，之后經過總結把實驗思路（總體方案）確定為：分別給酵母菌提供有氧和無氧的條件，一段時間后檢測是否含酒精、CO2。

為了節省課堂時間，教師按照教材“參考資料”提供的裝置和資料進行演示實驗，發現有氧條件和無氧條件下的兩支試管都變成灰綠色（一支深一支淺）。教師設疑：為何兩支試管都變色？引導學生結合教材資料分析現象：葡萄糖也能與酸性重鉻酸鉀發生反應發生顏色變化，在課堂有限的時間內兩支試管中的葡萄糖可能沒有消耗完所致。然后引導學生聯系生活，找到快速檢測酒精含量的裝置（儀器）——酒駕酒精檢測儀。同時教師說明教材中的裝置連接較多，氣密性檢查較煩瑣，進而展示優化后的實驗裝置：將氣球套在培養液錐形瓶的瓶口，作為無氧組，燒杯一組不套氣球作為有氧組。先測燒杯組（有氧組），再測錐形瓶組（無氧組），如果先測無氧組，無氧組的酒精會殘留在檢測儀上，測有氧組時也會得出讀數。

然后教師引導每個學習小組分別設置無氧組和有氧組：分別將2克酵母菌倒入50ml的錐形瓶和50ml的燒杯中，再分別倒入30毫升42℃的溫水配置5%葡萄糖溶液（經過筆者多次的摸索實驗，發現購買的酵母菌發酵適宜溫度是42℃），將氣球套在錐形瓶的瓶口，作為無氧組，燒杯一組不套氣球作為有氧組；將兩個瓶子靜置在桌面，幾分鐘后觀察氣球的變化。（觀察的過程中如果氣泡過多，適當震蕩一下，以防燒杯組中氣泡過多阻斷空氣，進行無氧呼吸）

待氣球膨脹后分別測兩個裝置的酒精含量，取下氣球的同時用酒精檢測儀快速對準錐形瓶口，先測燒杯組（有氧組），再測錐形瓶組（無氧組），測完有氧組后一名同學把無氧組的氣球取下來套在一支事先準備好的盛有5ml澄清石灰水的試管口上，將試管倒立讓石灰水進到氣球里，再倒回來，觀察石灰水的變化情況。另一名同學快速用酒精檢測儀對準錐形瓶口，測無氧組的酒精含量。

設計意圖：確定實驗探究內容后，引導學生設計實驗方案，并細化實驗步驟，培養學生運用科學方法解決問題的科學探究能力；通過優化實驗裝置及產物檢測手段，提升學生批判性思維能力；通過小組實驗的實施，鍛煉學生實踐能力，掌握科學探究的思路和方法，培養團結協作意識。

設計意圖：通過對有氧和無氧條件兩個對比實驗的實驗結果進行分析得出結論，培養學生基于生物學事實和證據運用歸納與概括的方法，闡釋酵母菌細胞呼吸的現象及規律，從而發展其科學思維。

六、教學評價設計

本節課教師運用“ATDE”教學理念，讓學生經過認真思考、反復討論后提出問題，然后對問題進行合理評價，之后對問題做出合理的假設，并進行實驗設計及根據實驗現象來驗證假設的正確。從而使學生感悟實驗的科學性、嚴謹性，來提升學生生物學核心素養中分析與比較分類、分析與綜合、批判性思維的科學思維和科學探究能力。

七、教學反思

課前設計小游戲不僅能激發學生興趣和求知欲，實驗中讓學生主動參與實驗的設計和改良，自主探究、自主演示，激發了學生的創新思維和探究熱情，課中的學生分組實驗幫助學生完成從對知識的初步認識和理解升華到對知識的綜合理解與應用，從而真正地轉化為能力和素養。

探究酵母菌細胞呼吸方式是細胞呼吸一節中非常重要的一個探究實驗，由于實驗方案存在實驗所需時間較長、藥品和器材準備困難、可操作性低等問題，筆者在處理教材中的實驗時只能以演示的方式進行。但為了達到新課改理念的要求，使課堂更活躍更具吸引力，筆者增設了兩個學生分組實驗。一個是課前小游戲——向盛有澄清石灰水的燒杯中吹氣，澄清石灰水變渾濁的現象從而達到引發學生思考，激發學生學習興趣，感知生命現象的目的。另一個是學生自己動手用酒精檢測儀測有氧組和無氧組中的酒精含量，體驗交警叔叔的工作，并從中學會控制變量，通過觀察現象得出結論，增強課堂趣味的目的。

結束語

演示實驗幾乎沒有教師在課堂上做過，操作難度太大，這只是教材中比較理想的一個實驗，為了上好這節課筆者前前后后共發酵了20多次，就為了找準酵母菌發酵的最適溫度，以便達到最好的課堂效果。這節課比較成功的地方首先是演示時有氧裝置那邊接通澄清石灰水后很快變渾濁，無氧這邊明顯要慢得多。課堂演示實驗達到了預期，這就要求嚴格把握好酵母菌發酵的時間和溫度。檢測酒精也很順利，無氧裝置出現了明顯的灰綠色，有氧裝置也出現了較淺的灰綠色，本來有氧呼吸就沒有產生酒精，怎么會變色，這時就要帶著學生分析原因，原因很多種：1.本來酵母菌培養液就是乳白色，加入橙色重鉻酸鉀后二者的混合色；2.課前加入的葡萄糖培養液沒有消耗完，葡萄糖溶液與重鉻酸鉀反應也會變成灰綠色；3.有氧裝置這邊在培養過程中產生的氣泡太多堵住瓶口，導致缺氧進行無氧呼吸產生酒精。既然此方法行不通，同學們能想到什么方法檢測酒精嗎？引導學生思考警察叔叔是怎樣測酒駕的，從而引出分組實驗。筆者的思路是：實驗中不用教材里的錐形瓶，使用50ml的燒杯和50ml的小錐形瓶分別作為有氧組和無氧組，1個氣球、分裝好的各2克的酵母菌、一瓶42℃5%的葡萄糖溶液、一支試管、一瓶澄清的石灰水即可。學生按照實驗前發的學案操作步驟，在2分鐘內就可以完成。接著，學生觀察套在錐形瓶上氣球的變化，一開始癟癟的氣球耷拉在瓶口，4分鐘的時間里，氣球在慢慢膨脹，最后會昂首挺胸地立在試管口上。在這個過程中，學生非常興奮，迫不及待想測量錐形瓶和燒杯里的酒精產生情況。學生測完有氧組后，接下來的操作：往另外1支潔凈試管中注入5毫升的澄清石灰水，然后將氣球從錐形瓶口取下（不要把氣球中的氣體泄漏），快速套到試管口上，這時讓學生把氣球中的氣體擠入試管中，學生立刻可以看到澄清的石灰水變渾濁，這就證明了氣球中的氣體是二氧化碳。同時，學生把氣球從盛有酵母菌的錐形瓶上取下來時，濃濃的酒味就冒了出來，學生馬上明白酵母菌在消耗完氧氣后進行無氧呼吸，不僅產生二氧化碳，而且同時產生了酒精。也可以用酒精測試儀檢測，發現有氧那邊沒有讀出數值，說明有氧呼吸沒有產生酒精。整個實驗10分鐘內可以完成，可以隨堂做，實驗現象明顯。既培養了學生分工合作的能力，又培養了他們觀察分析問題的能力，同時又營造了課堂氛圍。

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年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：4-5.

[2]戴凝，鄧連芳.“探究酵母菌細胞呼吸方式”實驗的困境及改進[J].生物學教學，2021（11）：51-53.