探究酵母菌细胞呼吸方式实验改进综述

邵美霞，赵晨霞，申玉华，李晓兰，江会鹏，郑梦清

（1.赤峰学院 化学与生命科学学院；2.赤峰市红旗中学，内蒙古 赤峰 024000）

人教版高中生物必修1第5章第3节中的“探究酵母菌细胞的呼吸方式”实验是重要的探究性实验，开展该实验有助于培养学生的动手操作以及数据处理能力，更是对呼吸作用知识点的巩固。众多研究表明，在教学过程中开展该实验耗时长，一般耗时8-10小时，并且有氧呼吸的实验组需要持续供氧，课堂上很难保证实验的顺利进行。另外该实验的材料处理和仪器设置都有待改良，实验结果测量的准确性也需要改善。通过阅读相关文献，发现已有研究从不同方面对该实验进行了改良和创新，本文总结已有的改进方案，旨在为广大师生提供参考借鉴，选择适合的实验教学设计。

1 实验材料的改进处理

1.1 实验材料酵母菌的选取

本实验所采取的主要材料是酵母菌，通过培养酵母菌，观察其有氧呼吸和无氧呼吸所得到的气体，因此，酵母菌培养液的配制至关重要。教材中所给的参考操作是将两份等量的酵母菌分别放入两个锥形瓶（标记为A、B瓶）中，分别注入240mL质量分数为5%的葡萄糖溶液。阅读文献发现，在实际的课堂操作中，新鲜酵母不易保存，其活性要低于干酵母。按活细胞率计算，已有研究探明活性干酵母的活细胞数是新鲜酵母的2.6倍[1]，所以本实验的开展多选用干酵母作为实验材料。另外酵母菌的生长受温度的影响较大，已有研究提出酵母菌生长的适宜温度是20～30℃，需用25℃左右的温水对酵母菌进行活化处理，可增强酵母菌的活性[2]。为了方便教学，使实验过程中酵母菌活性较好地支持实验教学过程，一般需提前1h活化酵母菌，让处于休眠状态的干酵母重新恢复正常活性状态[3]。

1.2 酵母菌与葡萄糖配比

在酵母菌培养过程中，酵母菌与葡萄糖的配比也会影响酵母菌发酵的过程，进而影响实验结果。胡士达等人通过调整酵母菌和葡萄糖的配比可避免葡萄糖和检测酒精的重铬酸钾进行反应，葡萄糖作为还原性糖，在酸性条件下能与重铬酸钾发生反应变成灰绿色，跟酒精的检测结果发生重合，葡萄糖是否消耗完全便成了重要的因素，将实验条件设置为：5%的葡萄糖溶液240mL，安琪牌高活性干酵母10g，温度约27℃时，葡萄糖5h后被完全消耗掉[4]。胡志傲等人也通过大量反复实验得出酵母菌与葡萄糖配比为1:1时效果最理想，且仅用2小时便能将葡萄糖消耗完，不影响结果的检测[5]。按照酵母菌和葡萄糖1:1配比进行实验教学，不仅获得了较快的气体产生速率，而且实验效果明显，并节约了实验材料。在实际教学环境当中，该配比实现了原材料的节约，获得气体的快速且便捷，从而使得实验效果明显。这说明合理改善实验条件可减少实验准备时间，且能达到较好的实验结果。

综合以上对该实验的改进，笔者认为在教学过程中，酵母菌和葡萄糖价格均比较便宜，且获取方便，教师可以进行多次实验将酵母菌的培养液进行改良，提高产气效率，缩短实验时间。也可以组织学生进行探究实验，引导学生设计改良实验，提高学生的动手能力和创新思维。

2 实验仪器和操作方案的改进

本实验用锥形瓶、U形玻璃管和橡皮球等仪器，虽然这些仪器在学校的实验室都比较方便获得，但这些实验器材在实际组装的过程中很容易出现误差，无法实现较高的精确度。比如：酵母菌细胞有氧呼吸装置需要一直通气至培养液中的葡萄糖消耗完[4]，用橡皮球间歇性向装置提供空气的条件难以实现，且并不是每个学校都满足使用气泵的条件；锥形瓶用U形玻璃管连接气密性差，无法排除外界空气的影响；教材上提供的装置无法保证无氧呼吸实验的无氧环境；以及其他在课堂实验当中可能出现的问题。对此，通过查阅文献，发现较多研究者选择将锥形瓶改成注射器，起到了比较好的效果。如郑荣玲等人将装酵母菌培养液的锥形瓶改成注射器，注射器的体积不仅比锥形瓶小，而且有刻度，可以快速检测到产生的气体及其体积[2]。另外也有其他创新想法出现，如刘翠丽采用一个医用输液管代替U形玻璃管，用250mL葡萄糖溶液塑料瓶代替锥形瓶进行培养，材料简单易取，手动就可以控制气体的排放速度[6]。胡桂平等人利用血糖仪精确地测量酵母菌培养液中葡萄糖的浓度值，可反映出该反应条件下有氧或无氧呼吸的速率，更能帮助学生了解酵母菌呼吸的过程[7]。

虽然部分学者对实验仪器进行了创新，但是大部分学校实验室内无法大量采购输液管和医用葡萄糖等，限制了部分创新方法在高中实验中的开展，可以将其作为演示实验，让学生看到较明显的实验结果，所以实验仪器方面可根据实验室条件而采用合适的方式让学生了解实验结果，并对不同方法进行描述，阐明优缺点，增强学生的创新能力和科学思维素养。

2.1 有氧条件的实验装置改良

有氧条件下的实验装置如图1所示。

图1 有氧呼吸实验装置示意图（教材）

（1）如何实现持续为装置提供氧气？教材上提供的参考是使用橡皮球或气泵来提供空气，如图1所示。但橡皮球难以实现长时间供气，而气泵需要花费较多资金购买，容易造成资源浪费。因此，朱霞本着学以致用的理念，采用初三化学实验中空气制备氧气的装置。也有学者利用过氧化氢在催化剂的作用下分解为氧气的实验（过氧化氢在二氧化锰的催化作用下生成水和氧气）为有氧呼吸提供氧气来源[8]，如图2所示。张晓娜采用了过氧化氢分解生成氧气的方法为有氧呼吸提供氧气，其装置的链接方式如图 3 所示，图中 A0、A1、A2依次是 H2O2、酵母菌培养液和澄清的石灰水，实验效果较好。不同的方法产生的氧气为酵母菌的有氧呼吸提供反应物，同时调整实验条件使得装置短时间内能生成足够的氧气通入酵母菌培养液中。

图2 二氧化锰催化过氧化氢制造氧气（朱霞）

图3 过氧化氢分解制造氧气（张晓娜）

（2）如何保证通入的气体中二氧化碳是否被氢氧化钠溶液吸收干净？在图1中在酵母菌培养液前面放置了10%的氢氧化钠溶液，但却不能确定二氧化碳何时被吸收完毕。如若不能判断，将会导致气体进入澄清石灰水中，导致得到的实验结果产生误差。对此，梁付春将通入氢氧化钠溶液的管道末端安装一块气石（就是氧气泵管子前面的如石头一样的物体，通气体之后会冒气泡，增大对气体的吸收），可以明显增大氢氧化钠溶液对二氧化碳的吸收[9]，如图4所示。当然，因为通入气体的时间太长，气体量较大，就算安装气石也有可能无法完全吸收二氧化碳。而闫计春提出在氢氧化钠溶液和酵母菌培养液之间添加一个装有澄清石灰水的锥形瓶，检测通入的气体中二氧化碳是否被氢氧化钠溶液吸收干净[10]，如图5所示。将两者结合起来，可能会排除空气中二氧化碳的影响。

图4 有氧呼吸实验装置气石放置图

图5 有氧呼吸装置改进示意图（闫计春）

2.2 无氧条件的实验装置改良

无氧条件最难实现的便是如何为酵母菌培养液创造无氧环境。教材中的装置如图6所示，教材中并未说明酵母菌培养液瓶中原有的部分氧气怎样处理，如不进行处理，则开始反应时应为有氧呼吸，待氧气消耗完才变为无氧呼吸，如果加入酵母菌后马上连接澄清的石灰水锥形瓶肯定会影响实验结果。所以在讲解无氧呼吸时，一般会建议将酵母菌培养液放置一段时间，待瓶中氧气消耗完后再连接澄清的石灰水锥形瓶。

图6 无氧呼吸实验装置示意图（教材）

为了能够更好地创造无氧环境，胡志傲等人的研究表明：可以将一定长度的输液管(约10cm)安装在针筒头上，然后将针口密封，关闭调节器，这便能够隔绝空气，为酵母菌提供了无氧环境[5]，如图7所示。张晓娜用注射器反复抽取瓶中空气，创造无氧环境，满足酵母菌进行无氧呼吸的条件[11]。将锥形瓶和U型管改为注射器和输液管之后，装置的气密性可以得到了较大的提升。若想进一步将氧气隔绝，也可采用在培养液表面滴加液态石蜡或者植物油，做到隔绝外部气体进入培养液当中[8]，并且不需要等待容器中氧气耗尽再进行实验，有效减少实验误差。

图7 无氧呼吸改进装置

3 实验结果检测的改进

本实验的结果检测非常重要，实验现象直接反映了实验的成功与否。查阅众多文献后发现，不同学者对检测二氧化碳和酒精的方法进行了改良和创新,使得部分检测方法更加方便快捷。

3.1 有氧呼吸结果检测的装置改良

酵母菌细胞有氧呼吸的反应式如下：

C6H12O6(葡萄糖）＋6H2O(水）＋6O2（氧气）→6CO2(二氧化碳）＋12H2O（水）＋能量

教材提供的参考建议是采用澄清石灰水或者溴麝香草酚蓝溶液来检验二氧化碳的存在。澄清石灰水和二氧化碳可以相互反应，产生碳酸钙沉淀，澄清石灰水变浑浊，其反应式：Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓(白色)+H2O。如果继续通入过量的二氧化碳，石灰水会再次变得澄清，其反应式为：CaCO3+H2O+CO2=Ca(HCO3)2。这一原理要求所检测的二氧化碳不能过量，否则实验结果不准确。溴麝香草酚蓝水溶液可以作为一种酸碱指示剂，变色范围为pH6.0(黄色)～pH7.6(蓝色)之间，当 pH7.0 时呈现绿色[12]。二氧化碳溶于水后逐渐呈弱酸性，因此指示剂会由蓝变绿再变黄，实验效果明显。因此，用澄清石灰水检测存在弊端，采用溴麝香草酚蓝水溶液检测二氧化碳的结果更加精确。另外，检验二氧化碳还有其他更加方便快捷的方法：如赵苹提出了用石蕊试纸检测的方法，在注射器末端用胶带纸粘住一小块湿润的石蕊试纸后，并保留一段空气柱，试纸变红则有二氧化碳的产生[13]。若想进一步精确二氧化碳的产生量，章青采用了碳酸氢盐指示剂（Hydrogencarbonate indicator），该试剂容易吸收二氧化碳并发生化学反应，可用于检测二氧化碳的产生量[14]。

3.2 无氧呼吸结果检测的装置改良

酵母菌细胞无氧呼吸 (酒精发酵)的反应式如下：

C6H12O6(葡萄糖）→2C2H5OH（酒精）＋2CO2（二氧化碳）＋能量

在无氧呼吸的检测当中，除了要检测二氧化碳之外，还要检测产生的酒精。教材中用重铬酸钾检测酒精的产生，其实重铬酸钾有毒性，是一级致癌物，存在一定的安全隐患。为避免实验中因操作不当引起的不良后果，梁付春采用酒精检测仪检测产生的酒精，在实验装置的止水夹前端的玻璃管上连接酒精检测仪，检测仪可显示产生的酒精量，所以使用酒精检测仪检测不仅精准而且快速安全[9]。但大多数高中实验室中无法购置多台酒精检测仪，导致实验的开展受限。也有学者将重铬酸钾和浓硫酸按不同比例进行配置实验，发现5g重铬酸钾和50mL浓硫酸混合配置成的溶液毒性和危险性均降低，进行酒精检测实验时用量减少[10]，也能较好地反映实验结果。

综上所述，笔者认为改良实验结果应该基于每个学校的资源配置的基础上，如很多学校无法配备碳酸氢盐指示剂和酒精检测仪，则新实验方法的推广较难。本试验的目的是引导学生探索有氧呼吸和无氧呼吸的过程，不仅锻炼了学生思考的能力，而且要求学生亲自动手，边思考边操作，敢于创新，培养高中生生物科学思维和科学探究等学科核心素养。

4 实验教学设计的建议

本实验所衔接的内容是有氧呼吸和无氧呼吸的反应过程，是必修1第五章的核心内容之一。实验设计不仅要引起学生的学习兴趣，还要为后面的学习内容打下基础。教师需要有培养学生科学探究和创新精神的思想准备，并应用于真实课堂环境中。如先明香等人运用支架式教学培养学生科学思维，搭建支架引导学生协作学习，快速突破学生的“最近发展区”[15]。近年来一线教师常将支架式教学用于一般的课堂教学中，鲜有用于实验教学，颇具创新性。除此之外，将5E教学模式植入课堂中，可以帮助学生转化抽象概念，构建新知识框架[16]。5E教学模式包括引入 （Engagement）、 探究（Exploration）、解释（Explanation）、迁移（Elaboration）和评估（Evaluation）这五个环节，该模式建立于概念转变的理论基础上，有效帮助学生转变前概念，构建新概念，近年来具有较强的推广性，应用于本实验可提高实验教学效果。根据目前的研究来看，本实验还可以基于生物学科的核心素养要求来进行实验教学设计[17]。依据新课标的要求，本实验可以通过引导学生进行一系列活动，如准备实验器材、提出问题、制定实验计划（或改良计划）、小组合作以及实验数据分析等，围绕生物核心素养提高学生科学探究能力，发展科学探究思维。另外，我国注重培养全面发展的人才，为了提高学生的综合素质，跨学科融合的教学活动层出不穷。杨建忠等人尝试将初高中理化生实验的多个角度进行相互借鉴融合，改进该实验的探究方案[18]。该实验的许多反应原理和实验装置离不开化学和物理学科的知识作为支撑，学生进行实验的同时，引导其回忆相关学科知识点并应用于实验中。这一做法不仅可以帮助学生温故知新，还能提高学生的实践分析能力。

本实验还应该引导学生密切联系生活实际，善于发现问题和解决问题，笔者发现多位研究者选择变换思维。如高萍等人以生活为基调，同时提供两套实验装置以供学生参考，锻炼学生解决问题的能力，让学生对比思考不同实验装置在实验过程中的异同点，提升学生的科学探究能力，研究者将保鲜袋、废旧矿泉水瓶、牛奶吸管、凡士林等物品作为实验材料进行实验，而且这些实验材料均为日常生活中常见的材料，也能完成实验过程并取得较好的实验结果，与日常生活结合紧密可使得学生更好地突破实验难点[19]。为了实现对实验的生活化改进，窦向梅提出在场景引入时可以让学生观察刚和好的面团和发好的面团，体验酵母菌的发酵结果[20]。教师还可以安排学生通过查阅相关的科研文献或者咨询酿酒师傅等实践活动，了解酿酒的全过程（从葡萄酒酿制所需的葡萄品种的选择到葡萄酒的罐装与储存），并结合呼吸作用的结果总结酿酒与微生物的关系[21]。生物学本身就是从生活中来，回到生活中去。师生利用生活中常见的资源，有利于教师的教也有助于学生的学，更能培养学生拥有一双善于发现的眼睛和创新创造的能力。同时，本实验的另外一个重点也是为了引导学生学会什么是相互对照实验，如何控制变量从而实现探究目的。

5 结语

生物学是一门以实验探究为基础的学科，学生在学习生物时若不能进行重点知识的相关实验探究，便如同纸上谈兵，完全无法起到提高其核心素养的作用。高中生物的实验必须要得到更多的重视，在不断进行的高考改革中，考试形式更贴近生活化，且实验题或实验探究题的出题几率增加，学生只有更多地熟知与基本知识相关的实验及实验过程才能更好地把握高考题。然而，在现实的实验教学中，依照教材的实验，有些实验条件不能满足实验要求，使得仅有的几个实验能够顺利开展，这不仅限制了学生科学思维能力的拓展，也限制了学生科学探究能力和动手能力的提升。所以教师应在教学的过程中，从多角度克服困难保证更多实验的开展。学校应当将实验教学落实到行动上来，配备基础的实验用具，逐渐引进精密仪器，实现学生能做实验、教师能教实验。教师在学校资源允许的条件下应发挥研究创新精神，进一步改良实验教学设计，促进定量定性探究，引导学生在探究中学，在兴趣中学，能够阐明有氧呼吸与无氧呼吸的实验过程及实验过程中所涉及的科学问题。