基于跨学科融合的高中生物学实验改进及教学探讨

余鸿婷 张锋

“探究酵母菌细胞呼吸的方式”是人教版高中生物学教材《必修1·分子与细胞》第五章第三节的探究实验之一，在《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）中，本节内容涉及的重要概念为“细胞的功能绝大多数基于化学反应，这些化学反应发生在细胞的特定区域”，次位概念为“说明生物通过细胞呼吸将储存在有机分子中的能量转化为生命活动可以利用的能量”，这些概念是大概念“细胞的生存需要能量和营养物质”的重要组分，为帮助学生达成对重要概念和次位概念的理解，《课程标准》要求应开展探究酵母细胞的呼吸方式探究实践，促进学生核心素养的提升。但是，在实践教学中，“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验往往会受到实验条件和实验效果的限制，导致实际教学开出率较低，难以成为促进学生核心素养达成的重要支撑。

下文依据深度学习的理念，创建具有挑战性的学习主题，开展“探究酵母菌细胞呼吸的方式”的跨学科实践，通过让学生设计并优化酵母细胞呼吸方式的实验装置进行任务驱动，将“问题探讨”中酵母菌在生产实践中的应用贯穿至细胞呼吸原理和应用的整个单元。教师采取了课前小组研究性学习—设计改进并优化实验装置、课上探究实践、课后扩展延伸与应用等方法开展教学（图1）。在整个教学过程中，始终渗透着科学探究过程变量的控制和实验设计的规范问题，学生通过发现问题、解决问题提高科学思维和科学探究能力，并形成积极的内在学习动机和正确的价值观，进而掌握学科的核心知识和把握学科的本质及思想方法。

1 实验材料

教师为学生提供的实验试剂包括高活性干酵母粉、质量分数为5%的葡萄糖溶液、5%的 FeCl3溶液、10%的H2O2溶液、酸性重铬酸钾溶液和溴麝香草酚蓝水溶液；實验器材包括注射器（带堵头）、医用三通阀、硅胶软管、刻度试管和小烧杯。学生根据教师提供的实验试剂与实验器材进行实验装置的设计与优化。

2 实验方案与改进

2.1实验装置的设计方案

课堂上，教师让学生展示小组设计的实验装置，学生分析交流、讨论评价实验装置的优缺点和可行性，如装置的气密性如何，装置能否实现单一变量，装置是否科学合理，装置能否便于操作，装置能否顺利实现产物的检测等。教师引导学生优化实验装置，确定最佳实验装置的设计方案，并根据学生设计的方案，引导学生利用提供的材料进行装置的连接与实验。

2.2优化的实验装置

在学生设计的实验方案中，学生试图使装置不仅能有效控制自变量以进行酵母菌培养，还能够便捷地进行因变量的检测。学生通过查阅资料了解到三通阀在医院中常用于兑药，它有三个通道，可以利用阀门来控制开闭。如图2所示，阀门箭头指向的通道就是开放的。

通过讨论，学生对实验装置进行了优化，得到了改进后的酵母菌细胞呼吸实验装置，如图3所示。即以注射器作为反应容器，先利用带堵头的注射器制备 O2，再用第二只注射器培养酵母菌，通过三通阀与硅胶软管将两者连接起来，待反应一定时间后，再与第三只装有检测试剂的注射器连接，从而实现产物便捷与及时的检测。与有氧装置相比，无氧装置中不再向培养酵母菌的注射器中额外加入氧气。此外，学生还可以通过减压法排除培养液中的溶解氧来营造无氧环境。通过三通阀的灵活开闭，实验装置实现了不同反应体系或者检测体系的连接，甚至可以通过硅胶软管与传感器的连接实现精确定量，此外，注射器的量程就可以使反应物与产物由定性到初步定量。

2.3实验改进

改进后的酵母菌细胞呼吸装置在自变量的控制、反应时间、因变量的检测与装置的成本等方面得到有效的优化，见表1。

3 实验步骤

（1）酵母菌的活化

将15 g 高活性干酵母粉加入到150 mL 5%的葡萄糖溶液中，在25℃的条件下水浴3min。

（2） O2的制备

结合“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验，得到最佳的自制 O2方案，即利用50 mL 的注射器吸取5 mL 10%的 H2O2溶液与2 mL 5%的 FeCl3溶液反应2 min。

（3）酵母菌的培养

有氧装置吸取20 mL酵母培养液与20 mL 的O2后在25℃条件下水浴5min，无氧装置吸取20 mL酵母培养液后利用减压法排除培养液中的溶解氧。

（4）反应物的检测

①二氧化碳：在两支20 mL的注射器中各加入5 mL的溴麝香草酚蓝溶液，利用三通阀将其分别与有氧装置和无氧装置连接。②酒精的检测：利用三通阀分别将有氧装置与无氧装置中2 mL 的酵母菌培养液加入至两支10 mL 的刻度试管中，各滴入2滴酸性重铬酸钾溶液进行酒精的检测。

4 结果与讨论

4.1检测 CO2的产生

酵母菌在有氧或无氧条件下均能进行细胞呼吸。有氧条件下，酵母菌有氧呼吸消耗O2的同时产生大量的CO2，反应后注射器中气体体积变化不大。无氧条件下，酵母菌无氧呼吸不消耗氧气，产生少量的CO2，装置反应后注射器气体体积增大。学生随后将该气体通过三通阀与装有溴麝香草酚蓝溶液的注射器相连通，溴麝香草酚蓝溶液均由蓝变绿再变黄，从而进一步证实了酵母菌有氧呼吸与无氧呼吸均可产生CO2。

4.2检测酒精的产生

学生将有氧呼吸与无氧呼吸装置中的酵母菌培养液分别加入至刻度试管中，接着，各向其中滴入2滴酸性重铬酸钾溶液来进行酒精的检测。与未加入酸性重铬酸钾的酵母菌培养液相比，无氧呼吸装置中的培养液与有氧呼吸装置中的培养液均呈现灰绿色，且无氧呼吸装置中的培养液颜色更深，学生由此初步推断两个装置中均有酒精产生。由于葡萄糖也能使酸性重铬酸钾溶液发生颜色变化，因此，研究性学习小组进一步设计实验验证。学生讨论有氧装置中的酵母菌培养液使酸性重铬酸钾溶液发生颜色变化的原因，指出可能是培养液中的葡萄糖还未消耗完全从而干扰实验结果，也可能是有氧呼吸装置中后期氧气供应不足使无氧呼吸发生并产生酒精。

为进一步通过实验进行判断，学生分别在70%的酒精、5%的葡萄糖溶液和清水中加入酸性重铬酸钾溶液以观察显色结果，结果表明，酒精和葡萄糖溶液均可使酸性重铬酸钾溶液发生颜色变化。学生对有氧装置与无氧装置中的酵母菌培养液进行还原糖的检测，结果均出现砖红色沉淀，说明装置中的葡萄糖均未耗尽。为排除培养液中葡萄糖的干扰，学生小组通过讨论分析，利用酒精易挥发的特性，将培养液放在90℃的水浴中加热，尝试让培养液中的酒精挥发出来，并在容器的上方放置滴加酸性重铬酸钾溶液的短径漏斗，从而观察颜色变化。学生观察发现，在从无氧装置获取的酵母菌培养液上方的短径漏斗中，酸性重铬酸钾溶液颜色变化明显，由橙色变为灰绿色，而在从有氧装置获取的酵母菌培养液上方的短径漏斗中，酸性重铬酸钾溶液颜色无明显变化，依然为橙色。这说明有氧装置中酵母菌培养液使酸性重铬酸钾溶液发生的颜色变化可能是由于培养液中残余的葡萄糖造成的，学生从而进一步判断得到，酵母菌无氧呼吸产生酒精，有氧呼吸不产生酒精。

学生通过设计并优化“探究酵母细胞呼吸方式”的实验装置，并利用装置进行探究实验，确认了酵母菌在有氧和无氧条件下都能进行细胞呼吸。在有氧条件下，酵母菌通过细胞呼吸产生大量的CO2。在无氧条件下，酵母菌通过细胞呼吸产生酒精和少量的CO2。

通过对酵母细胞呼吸方式的探究，学生进一步解释了家庭酿制葡萄酒时出现问题的可能原因以及注意事项。通过尝试查阅资料，优化方案，学生自制葡萄酒与家人分享，并在校园科技节中展示。此外，学生还可联系生活情境，学以致用，查阅资料了解福州老酒是如何酿制的，酿制过程中有什么微生物参与发酵，并了解发酵的原理与过程。

5 教学反思

本实验设计的初衷是出于对“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验開设现状的思考，在实际教学中，原实验装置由于连接复杂、实验耗时长、实验操作难度较大等原因导致实验开设率低。《课程标准》中的课程理念“教学过程重实践”强调学生通过探究性学习活动加深对生物学概念的理解。《课程标准》实施建议中也提出，加强和完善生物学实验教学，鼓励学生参与设计实验，重视定性实验的同时也应重视定量实验，让学生在量的变化中了解事物的本质等建议。因此，教师利用酿酒作为生活情境引入，学生的整个探究活动围绕酵母菌的细胞呼吸方式是什么展开，教师指导学生进行探究实验的设计。从实验器材的选择、实验装置的设计、实验的分析与评价、实验的拓展研究（包括探究实验的方法步骤与变量分析），到进一步进行实验操作，学生全程参与，在实践中学习并掌握细胞呼吸的概念性知识，理解科学本质。教学过程不再是教师单方面地给予知识和学生被动地接收知识，而是在教师的引领下，学生通过全身心积极参与、体验成功、获得发展的深度学习，学生通过自身思考实践获得的知识和经验来建构概念。例如，学生通过对课堂分组实验结果的分析，领悟到装置的气密性和产物检测的及时性等都会对实验结果造成影响。此外，教师通过课后的延伸引导学生回归到情境中，帮助学生学以致用，也容易激发学生的兴趣点，燃起学生进一步探究的热情，并在研究性学习小组进行的成果分享和展示中落实社会责任的培养。学生不仅学到了知识，还提高了解决问题的能力，通过进行科学探究，学生掌握了部分科学方法，增强了科学思维，体会到实验的严谨性，进而提高了核心素养。

优化后的实验装置具有低成本、低消耗、反应快、用时短和反应结果直观准确等优点，适合被推广用来进行“探究酵母菌细胞呼吸的方式”的课堂分组实验。参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：4.

[2]刘月霞，郭华.深度学习：走向核心素养[M].北京：教育科学出版社，2019：32.

[3]廖蒙蒙.基于科学探究的高中生物实验教学探索——以“探究酵母细胞呼吸的方式”教学为例[J].中学生物学，2022，38（3）：60-62.