利用生物學實驗結果,進行校本課程開發
——以“發酵現象”實驗反常情況探析為例

王昕芳

(新疆生產建設兵團第一師二團中學 新疆阿克蘇 843009)

1 研究背景

2021年12月,筆者進行了人教版《生物學·八年級·下冊》“發酵現象”的演示實驗,實驗較為順利地完成。兩天后,筆者發現放置在實驗室中的兩個實驗瓶中的氣球一個縮小,另一個竟然被回吸入瓶內!這是一個較為反常的現象,根據發酵現象原理,實驗瓶中的酵母菌分解葡萄糖生成二氧化碳,使瓶內氣體壓力升高,導致罩在瓶口的氣球迅速膨脹鼓起,為什么實驗結束的兩天后氣球會回縮入瓶內呢?教師決定帶領學生,針對這一反常現象進行實驗探析。

2 準備階段

2.1 成立課題學習小組

首先,教師向八年級學生公布了此課題,在自愿報名的學生中進行了篩選,確定了由五位學生組成的實驗探究小組,并對小組成員進行了分工。2021年12月,教師正式帶領學生展開了“發酵現象”反常情況課題實驗研究探析。

2.2 制定學習方案

針對實驗情況,師生積極討論,分工合作,達成共識,決定分別設置定性和定量兩種實驗方式,多組對照,分階段進行實驗,以生物實驗結果為契機,進行探究,形成校本課程。

2.3 制定研究性實驗分析學習計劃

為確保實驗有序進行,教師與學生共同合作,制定了研究性實驗分析學習計劃,見表1。

表1 研究性實驗分析學習計劃

3 實施階段

3.1 征集相關信息及思路

針對氣球回縮現象,師生先后請教了本校的物理教師、化學教師,以及對此現象感興趣的教師,并宣傳發動中學部的更多學生,征集對此現象的合理解釋及建議。學生對這些收集來的資料、解釋和建議進行整合,結合實驗小組在網上及圖書室查閱的相關資料,形成了下文的幾種觀點。

3.1.1 基本情況

“發酵現象”的原理是酵母菌分解葡萄糖生成二氧化碳,使實驗瓶內的氣體壓力升高,進而出現氣球膨脹現象。本實驗兩天后,卻出現了反應液較少的實驗瓶上方本來膨脹的氣球不但縮小,而且回縮到瓶內的現象。如果是氣球漏氣,那么膨脹的氣球會塌下,氣球回縮只能說明原來的氣體消失或轉移,那么生成的二氧化碳到哪里去了?氣球回吸入瓶,瓶內的那一部分氣體到哪里去了?實驗瓶內減少的是什么氣體?二氧化碳?氮氣?還是氧氣?相比之下,另一個反應液較多的實驗瓶上方的氣球只是縮小,而沒有出現回縮現象。

3.1.2 教師觀點與學生設想

針對氣球回吸,物理教師認為:實驗瓶上方膨脹的氣球回縮,只能說明瓶內氣壓變低,密閉瓶內氣壓變低的原因應是氣體量的減少。化學教師從大氣成分出發,進行了補充:大氣的成分中包含78%的氮氣和21%的氧氣,酵母菌發酵產生了大量的二氧化碳,二氧化碳可溶于水,但不至于使氣球回縮如此嚴重,而氮氣生成溶于水的氨氣的可能性很小,因為生成氨氣的實驗條件很高。基于此,學生提出設想:罩氣球時,瓶內氣體溫度較高,加之發酵現象產生了熱量及二氧化碳,使瓶內氣壓升高,故氣球很快膨脹,后來,發酵停止,溫度下降,二氧化碳溶解于水中,導致氣壓下降,故氣球回縮。

3.1.3 網上資料

通過查閱網上資料,學生進一步整理了幾種可能的解釋:①培養液中可能存在雜菌,如自養菌,當酵母菌進入衰亡期后,其種間競爭優勢落后,自養菌大量繁殖,而自養菌的繁殖需要利用二氧化碳作為碳源,因此,自養菌會消耗大量二氧化碳,使密閉體系中的氣體壓力降低。②培養基中的氮源過于豐富,酵母菌可以利用氮源生成氨,氨溶于水,氣溫下降會導致其溶解度增大,當瓶內的水充足時,大量氨氣溶于水,使密閉體系中的氣體壓力降低。③隨著營養物質的消耗和環境條件的惡化,酵母菌逐漸進入衰退期,其數量急劇減少,而好氧型細菌大量繁殖,使實驗瓶內壓強減小,氣球被回吸入瓶內。此外,也有可能是空氣中的某些自生固氮菌將氮氣轉化成了氨,但這并不是主要原因。

3.2 實驗探究

學生以小組為單位,展開分組實驗,實驗情況見表2。

表2 學生的分組實驗情況

4 總結、交流、反思階段

“發酵現象”實驗后出現的氣球回縮現象的進一步探究,是目前資料中沒有查到的課題探究,因此,本實驗的設計和探究具有一定的意義。

在探究過程中,教師嚴密思考,多方求證、認真地帶領學生系統設計多組、不同時間的實驗方案。雖然目前該課題的最終結果沒有得到驗證,但在仔細觀察和記錄的過程中,它訓練了師生對信息資料的主動獲取和處理能力,順應了當前課改的要求,有利于培養學生的探究能力和主動學習獲取知識的能力。

課題于2021年12月提出,師生分階段、定性、定量地展開實驗探究,實驗持續時間長、牽涉知識廣,融合了多學科的知識探究,磨練了師生的耐心,培養了師生踏實嚴謹的意識,提升了教師和學生的創新思維能力與動手實驗能力。課題實現了生物學校本課程的有效開發。

本次小課題的開展,在七、八年級的學生中,形成了較大的影響力。師生參與的范圍廣,課題極大地調動了教師和學生學習生物學的積極性,培養了師生群體合作交往溝通的能力。實驗中一次次失敗的挫折與成功的歡欣,也讓師生真正感受到科學其實并不遙遠。