在模拟实验中发展生物学学科核心素养

宋凯 娄琼

摘要 巧用注射器，模拟酵母菌细胞不同氧条件下的呼吸方式，以期学生在主动探究学习过程中，逐步发展科学思维，明晰核心概念，洞悉生物学本质。

关键词 实验模拟 酵母菌 细胞呼吸 核心素养

中图分类号C633.91

文献标志码B

1 教材分析

本节课是浙科版生物教科书《必修1·分子与细胞》第三章“细胞的代谢”第四节“细胞呼吸”（第二课时）的内容。细胞呼吸为细胞生存，完成生命活动提供绝大部分的能量，与物质出入细胞、细胞光合作用等内容联系紧密。教材中对细胞呼吸过程的呈现准确、到位、详尽，学生能较容易地掌握过程中所涉及的物质和能量变化的基础知识。教材开设的演示实验——乙醇发酵实验，由于装置复杂，耗时久，难以直接改成学生实验，不利于学生科学思维的发展。因此，学生无法真正参与到实验中，对细胞呼吸中物质与能量的变化缺乏科学、理性的认识。

2学情分析

学生通过“细胞呼吸”第一课时的学习，已经掌握了细胞需氧呼吸和厌氧呼吸的具体反应过程，认同了细胞生命活动中存在着物质、能量和信息变化的统一性，理解了细胞呼吸将储存在有机分子中的能量转化为ATP中的能量，为各项生命活动供能。同时，高二学生已具备一定的科学思维和科学探究能力，能观察思考、分析推理、迁移应用。设置简易的细胞呼吸装置，模拟酵母菌细胞不同氧条件下的呼吸方式，能引导学生体会细胞呼吸过程中的物质和能量变化，发展其生物学学科核心素养。

3教学重难点及突破策略

3.1 改进教材实验，设计简易装置，实现即时的评价反馈

简易实验装置的设计要求学生具备一定的观察、迁移、应用能力。学生通过分析医生注射前对注射器进行排气的原因，迁移到利用注射器设置成简易的无氧装置，模拟酵母菌细胞的无氧呼吸;其次，利用双氧水制取氧气，并将收集的氧气通过橡胶导管注入无氧装置，模拟酵母菌细胞的有氧呼吸;通过调整反应容器中的酵母菌和葡萄糖的浓度配比，缩短反应时间，实现即时的评价反馈。

3.2體会酵母菌不同呼吸方式过程中的物质、能量和信息变化的统一性

教师要引导学生提出可采用直接触摸反应容器、水浴锅中添加体温计、利用小米温度传感器等方法，直观体验呼吸过程中的能量变化。并引导学生利用已有的化学知识，检验装置中不同氧气浓度条件下的呼吸产物，明晰不同呼吸方式过程中的物质变化、能量变化与信息变化的统一性。这要求学生必须具备较好的综合素养，能够做到多学科的交叉应用，分析推理、动手实践，在实践中建构细胞呼吸核心概念。

4教学目标

（1）利用注射器，设计简易装置，模拟酵母菌细胞的不同氧条件下的呼吸方式，检验其呼吸产物。

（2）借助酵母菌细胞呼吸模拟实验，从物质与能量视角，体验并阐明细胞生命活动过程中贯穿着物质、能量、信息变化的统一性。

（3）查阅文献或咨询酿酒师，分析葡萄酒酿制过程中搅拌、适当密闭等操作的原因，并提出提升葡萄酒品质的思路，为家乡的经济发展献计献策。

5教学过程

5.1创设真实情境，激发学习兴趣

教师从镇海区九龙湖杜夹岙村的葡萄节导入新课，展示介绍当地果农自家酿制葡萄酒的过程，引出酵母菌细胞的无氧呼吸是葡萄酒酿制的内在本质。教师通过展示本节课的教学目标，以期学生能在真实情境的体验式学习过程中，理解细胞呼吸的本质，发展生物学学科核心素养。

设计意图：生命观念、科学思维、科学探究和社会责任是学生生物学学科核心素养的四个具体维度。教师从学生身边熟悉的真实情境作为切入点，有利于调动学生积极性，使学生快速融入课堂，并激发其爱家爱乡爱国的社会责任感和自豪感。学生通过设计简易装置，模拟酵母菌细胞的不同呼吸方式，促进科学思维的养成、科学探究能力的提升、对生命本质的理解，形成正确的生命观念。学生运用已有的知识和方法，提出合理的提升葡萄酒品质的思路，在解决实际问题时逐步形成正确价值观念、必备品格和关键能力，达成本节课的学习发展目标。

5.2设计简易装置，探究呼吸方式

5.2.1厌氧呼吸装置的设计及实验

教师引导学生思考医生注射前对注射器进行排气的原因，迁移至利用注射器设计简易装置，并加入适当配比的葡萄糖和酵母菌混合液，模拟酵母菌细胞的厌氧呼吸。

5.2.2需氧呼吸装置的设计及实验

学生利用先前设置的无氧呼吸装置，排尽装置中的空气，再通过橡胶导管往装置中注入收集的02（反应物混合液体积的20%，模拟大气环境中的氧浓度），模拟酵母菌细胞的有氧呼吸，检测装置中经有氧呼吸产生的C02。

设计意图：科学思维和科学探究是生物学学科核心素养的重要组成部分，要求学生具备一定的观察分析、迁移应用的能力。教师引导学生通过模仿医生的操作，将注射器设置成简易细胞呼吸装置，按照一定的葡萄糖和酵母菌浓度配比，在不同的氧气条件下，模拟酵母菌细胞的呼吸方式，检测其呼吸产物，也可测得酵母菌无氧呼吸、有氧呼吸的速率等。同时，也可激发学生利用身边的材料进行生物学实验探究的学习热情。

5.3检验呼吸产物，了解呼吸方式

5.3.1 呼吸过程中放能情况的检测

学生分为三组，分别采用直接触摸反应容器、水浴锅中添加体温计、利用小米温度传感器的方法，感受细胞呼吸过程中的能量释放情况。

5.3.2呼吸产物C02的检验

待反应进行10 min左右时，将5 mL的澄清石灰水注入检验装置中，并晃动，作为对照。将反应器上的橡胶管连接至检验装置，注射器朝上。慢慢地将一定量的气体推至检验装置，并晃动，可观察到澄清石灰水出现浑浊现象。

5.3.3呼吸产物酒精的检验

将无氧呼吸产生的C02多次排出，反复发酵，直至产生足量的酒精;再将反应器中产物注射至烧杯，进行扇闻。

设计意图：反应产物和放能情况的检测是细胞呼吸本质和方式的直接体现，即时的课堂评价反馈有利于学生明晰细胞呼吸的本质。利用一定的仪器设备，可以完成放能情况的检测。采用初中化学知识中的检验方法，即可鉴定出酵母菌有氧呼吸产生了C02、无氧呼吸产生了C02和酒精。这不仅体现了学科之间知识的交叉应用，更反应出学生的个人学科综合素养、动手实践能力。

5.4理解呼吸本质，明晰核心概念

酵母菌细胞通过细胞呼吸，在不同氧气条件下，将葡萄糖等有机物分解生成C02和H2O或乙醇和C02，并将储存在有机分子中的能量转化为热能和生命活动可以利用的能量。

6形成性评价

6.1 分析葡萄酒酿制过程中前期需要搅拌、后期需要适当密闭的原因

学生通过分析酵母菌细胞的代谢类型，解释：葡萄酒酿制过程中前期搅拌是为了让酵母菌细胞进行充足的有氧呼吸，有利于酵母菌细胞的繁殖，产生足够多的菌种，并使酿制前期产生的C02逸出;后期适当密闭是为了营造无氧环境，有利于酵母菌细胞的无氧呼吸产生酒精，通常可采用高中化学实验中常用的有弯曲的安全玻璃管进行液封，既可以调节发酵装置内外的气压，又可防止杂菌进入造成污染。

6.2结合已有的生物化学知识，分析提高葡萄酒的品质的具体措施

学生通过查阅相关的科研文献、咨询酿酒师傅等，从葡萄酒酿制所需的葡萄品种的选择、酵母菌菌种的选择、葡萄酒的澄清与过滤、反应容器密闭情况的控制、发酵时间的控制、葡萄酒的罐装与储存等，提出酿制过程中的注意事项。

设计意图：教师引导学生结合所学的细胞呼吸相关知识，运用科学的思维方法，辩证性地思考、提出解决葡萄酒酿制过程中的相关问题的思路，初步了解科学探究的一般方法和思路。学生通过查阅、咨询等活动中，发展信息提取、合作交流、归纳总结等必备的品格和能力。同时，也激发学生的爱家爱国的社会责任感，使学生立志投身于生物学科研事業，为家乡的经济发展，贡献自己的力量。

7教学反思

教师通过预实验，调整葡萄糖和酵母菌浓度配比，利用注射器模拟酵母菌不同氧气条件下的细胞呼吸方式，让学生真正参与到课堂模拟实验中，合理应用多学科的鉴定方法，实现即时评价反馈。通过呼吸产物的检验、能量变化的测定，学生体会了细胞呼吸过程中不同氧气条件下的物质变化和能量变化，建构出细胞呼吸的核心内涵。同时，学生在关注、思考如何提升葡萄酒品质时，促使其深入了解葡萄酒酿制过程的各个环节，也培育了其爱家爱乡爱国的社会责任感。

但是，无氧呼吸产物酒精的鉴定时，由于短时间产生的酒精浓度不高，初次扇闻效果不佳，故通过多次排气，反复发酵，30 min后即可产生足够多的酒精，进行扇闻。在放能情况测定时，由于反应液体积偏小，即使使用小米温度传感器进行检测，检测结果的误差偏大;若能够进一步增大反应体系，或者使用更加灵敏的温度检测仪，可以更加直观地监测到细胞呼吸的放能情况。

参考文献：

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