酵母菌細(xì)胞呼吸方式實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化與再探究

馮曉靜

摘要 探討酵母菌呼吸方式實(shí)驗(yàn)是高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，分別探討了酵母菌呼吸裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方法。針對不同的課堂設(shè)計(jì)對本節(jié)內(nèi)容自變量、因變量的探討，以及再探究酵母菌在細(xì)胞呼吸中更深層的物質(zhì)變化無能量轉(zhuǎn)換，可以為后續(xù)的理論知識學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 酵母菌實(shí)驗(yàn)裝置自變量實(shí)驗(yàn)再探究

中圖分類號 Q-331

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

文件編號：1003-7586（2020）08-0036-02

酵母菌屬于兼性厭氧菌的單細(xì)胞真菌，既可以進(jìn)行有氧呼吸，也可以進(jìn)行產(chǎn)酒精的無氧呼吸。酵母菌呼吸方式是高中生物學(xué)教材《必修1·分子與細(xì)胞》中的一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生設(shè)計(jì)和對比實(shí)驗(yàn)，分析分別在有氧和無氧條件下酵母菌的呼吸情況，從自變量的控制（即氧氣的有無）、因變量二氧化碳的產(chǎn)生及含量的檢測以及酒精的檢測等方面探究兩種不同的呼吸方式。但該實(shí)驗(yàn)難以操作，普通學(xué)校較難開展，故筆者對該實(shí)驗(yàn)中自變量的控制、因變量的測定方法進(jìn)行優(yōu)化與總結(jié)，并且對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了拓展與再探究，從而使實(shí)驗(yàn)更加科學(xué)，同時(shí)可為不同條件學(xué)校的需求提供選擇依據(jù)，也為學(xué)生開展探究實(shí)驗(yàn)提供了新的課題。

1實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)

1.1制造有氧環(huán)境的方法

教師盡量利用日常生活用品制造有氧環(huán)境，可購買市售的氧氣袋或便攜式氧氣瓶，直接從中抽取氧氣使用;或者利用空氣泵泵入，但空氣泵需要接入電源。教師也可以直接簡化實(shí)驗(yàn)，取兩只注射器，一只為有氧裝置，一只為無氧裝置，其中有氧的裝置提前抽取部分空氣。

教師引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系化學(xué)中通過制造氧氣發(fā)生器制造氧氣，回憶已經(jīng)學(xué)過的關(guān)于酶的內(nèi)容：無機(jī)催化劑FeCl3可以催化H2O2釋放氧氣。接著，制造有氧環(huán)境：先在注射器中加入少量MnO2，再將H2O2吸入到注射器中，接著讓其混合反應(yīng)，產(chǎn)生大量O2，再用一根橡皮管將O2推至酵母菌有氧呼吸的裝置中。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以排除了空氣中其他氣體如CO2的干擾，確保參與反應(yīng)的為O2;缺點(diǎn)為不可保障O2的持續(xù)供應(yīng)。

1.2制造無氧環(huán)境的方法

教材的方法：若是錐形瓶或其他瓶裝置的實(shí)驗(yàn)，則封閉瓶口，讓其反應(yīng)一段時(shí)間，待其消耗完氧氣。該法較簡單，缺點(diǎn)是在等待的過程中，酵母菌會(huì)利用瓶中的氧氣進(jìn)行有氧呼吸，產(chǎn)生CO2，干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

用石蠟油或食用油隔絕空氣，在酵母菌葡萄糖溶液表面滴加石蠟油或食用油，從而隔絕空氣，人工制作一個(gè)無氧的封層。該法較為便捷，效果也比較好。

使用注射器制造缺氧環(huán)境是一種簡單易行的方法，在注射口的導(dǎo)管上夾上止水夾，防止空氣的進(jìn)入。此方法較方便，注射器易購買，較廉價(jià)，亦方便操作。

1.3檢測二氧化碳的方法

目前為止，最簡單、常見的方法是“澄清石灰水”，也是在平時(shí)的實(shí)驗(yàn)操作中最常使用的。教師引入“溴麝香草酚藍(lán)水溶液”。此前，學(xué)生從未接觸過該溶液，且該反應(yīng)中顏色變化較復(fù)雜，因此教師可以邀請一位學(xué)生上臺(tái)，讓其對著溴麝香草酚藍(lán)水溶液的試管吹氣，其他學(xué)生可以觀察到試管中的溶液由原本的藍(lán)色慢慢變成了綠色最后變成黃色。前面兩種方法較常用也較簡單，但若將實(shí)驗(yàn)從定性升級為定量實(shí)驗(yàn)，可以采用二氧化碳傳感器實(shí)時(shí)記錄二氧化碳產(chǎn)生量。

1.4檢測酒精的方法

檢測酒精的方法基本采用重鉻酸鉀法，只需要在酵母菌培養(yǎng)液中滴加重鉻酸鉀溶液即可，比較簡單。但該實(shí)驗(yàn)也有值得注意的地方，如單從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象無法排除重鉻酸鉀與葡萄糖溶液反應(yīng)產(chǎn)生顏色反應(yīng)的可能，故可在葡萄糖溶液中滴加重鉻酸鉀溶液，觀察顏色變化。但這依然無法排除溶液中酵母菌及其他產(chǎn)物的影響。故若為證明酒精的存在，可以額外開展探究實(shí)驗(yàn)，用“蒸餾法”將酒精蒸發(fā)處理，具體操作過程為：將酵母菌培養(yǎng)液放入90℃的水浴中，讓酒精揮發(fā)到有重鉻酸鉀的試管中，觀察顏色變化。

檢測酒精還可以直接使用市售的酒精檢測儀檢測，排除以上所述無關(guān)條件的干擾，精確直觀。

2實(shí)驗(yàn)的再探究

2.1有氧呼吸吸收O2含量與產(chǎn)生CO2含量的比較

簡易裝置中，使用注射器的有氧裝置，在反應(yīng)前后刻度不變，說明酵母菌有氧呼吸中吸入的氧氣等于放出的二氧化碳量。利用傳感技術(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)O2減少量的變化與CO2增加量，計(jì)算所得結(jié)果發(fā)現(xiàn)數(shù)值很接近（圖1）。

2.2有氧呼吸和無氧呼吸產(chǎn)生熱能的測定

使用溫度傳感器對有氧和無氧裝置中的前后溫度進(jìn)行檢測（圖2），有氧呼吸溫度前后增加了0.4℃，無氧呼吸增加了0.1℃。

另一個(gè)簡易的方法是用溫度計(jì)測量，將實(shí)驗(yàn)裝置放于保溫瓶中。學(xué)生分組實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)記錄溫度變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)有氧呼吸的溫度上升高于無氧呼吸裝置。

3實(shí)驗(yàn)總結(jié)與反思

3.1改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)更加簡便

本節(jié)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容知識量大，思維量大，課前準(zhǔn)備量也比較大，對教師和學(xué)生的要求比較高。以上的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)之處大都可以將實(shí)驗(yàn)變得更加簡便或是更加精確。推薦采用注射器法，注射器作為市售的可得廉價(jià)商品，不僅更加精確，而且節(jié)省材料用量，效果顯著。

3.2實(shí)驗(yàn)改進(jìn)有利于提高實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性

通過對實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行改進(jìn)，利用現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行更加精確的定量實(shí)驗(yàn)，可以更明確地對有氧呼吸和無氧呼吸的產(chǎn)物和產(chǎn)物量進(jìn)行分析。例如，采用氧氣泵來供應(yīng)氧氣，在一定程度上保證了氧氣源源不斷地供應(yīng)，從而解決了傳統(tǒng)方法因?yàn)檠鯕夤?yīng)不足而進(jìn)行無氧呼吸的問題。利用氧氣、二氧化碳、溫度傳感器可以進(jìn)一步探究呼吸過程中的物質(zhì)變化，為后續(xù)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)，也讓學(xué)生有更直觀的認(rèn)識。

3.3可以提升學(xué)生的核心素養(yǎng)

教師可以選擇多種改進(jìn)方法或者進(jìn)行再探究，也可以讓學(xué)生在課外進(jìn)行再探究，實(shí)施相關(guān)課題或社團(tuán)的動(dòng)手操作，不僅可以豐富學(xué)生的視野，也可以拓展學(xué)生的思維，從而提高學(xué)生的探究能力。除此之外，實(shí)驗(yàn)由于操作時(shí)需用到重鉻酸鉀等具有強(qiáng)腐蝕性的試劑，故操作時(shí)教師應(yīng)要求學(xué)生帶上護(hù)目鏡、橡膠手套或口罩以保障自身安全，使學(xué)生養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)操作習(xí)慣。這些都可以提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

3.4充分利用現(xiàn)代技術(shù)提高教學(xué)效率

在實(shí)驗(yàn)操作中，很多與實(shí)驗(yàn)匹配的實(shí)驗(yàn)操作工具為授課提供了極大的幫助。例如，軟件希沃授課助手的運(yùn)用，能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端與PC（及智能平板）之間的多個(gè)平臺(tái)互聯(lián)互動(dòng)的應(yīng)用軟件。教師利用希沃授課助手將智能手機(jī)一鍵拍照上傳，時(shí)刻分享學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作，不再限于三尺講臺(tái)、實(shí)時(shí)投影，對學(xué)生所連接的實(shí)驗(yàn)裝置以積極所得實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行拍攝講解或?qū)崟r(shí)直播。傳感器也為生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)的拓展和探究打開了一扇窗，通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳入電腦。這樣采用簡單的手段獲得相對精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以節(jié)約課堂時(shí)間，提高課堂效率。

3.5可以提升教師的科學(xué)素養(yǎng)

由于教師在授課過程中需要高度關(guān)注生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成，涵蓋了生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、社會(huì)責(zé)任四個(gè)方面的基本要求?？茖W(xué)探究層面上要求學(xué)生對實(shí)驗(yàn)有不同程度的掌握。學(xué)生能夠熟練完成書本上給出的實(shí)驗(yàn)僅僅是達(dá)到了前兩個(gè)階段的水平，但最高階段的水平需要恰當(dāng)并熟練使用工具展開觀察，針對日常生活的真實(shí)情境提出問題，再基于對相關(guān)資料的查閱設(shè)計(jì)并實(shí)施可行性方案，并能夠運(yùn)用多種方法記錄，甚至創(chuàng)造性地使用數(shù)學(xué)方法分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最后可以在團(tuán)隊(duì)中組織交流，運(yùn)用科學(xué)術(shù)語精準(zhǔn)闡明實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這種高標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)要求則是該實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新操作的原因，可以在一定程度上的創(chuàng)新并完成實(shí)驗(yàn)，得出精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，對提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)有很大的幫助。