ADI模式在高中生物实验教学中的应用——以制作“探究酵母菌细胞呼吸方式”一体化实验装置为例

叶克姣 陆兴亮

(1.遵义市南白中学 贵州遵义 563100)

(2.贵阳市第一中学 贵州贵阳 550081)

ADI 是论证探究式教学模式(Argument-DrivenInquiry)的简称,由Sampson 等最先提出,是将科学论证融入到科学探究活动中的一种教学模式。该模式是通过指导学生设计实验方案、收集数据、展开论证、撰写研究报告等环节,提高学生的科学探究、科学论证以及科学写作等能力的教学模式。ADI 教学模型主要包括8 个步骤,在“探究酵母菌细胞呼吸方式”实验教学中根据教学实践采用改良后的ADI 教学模型,总结该教学模型的教学流程图。(图1)

图1 ADI 的教学流程图

1 教材分析

《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》在模块1“分子与细胞”的教学提示中指出,为帮助学生达成对概念2“细胞的生存需要能量和营养物质,并通过分裂完成增殖”的理解,促进学生生物学学科核心素养的提升,建议开展“探究酵母菌的呼吸方式”实验活动。笔者尝试用人教版教材中的锥形瓶设置对比实验,发现本装置在进行实际教学中有如下几个局限:①连接方式繁杂,有、无氧环境极难控制;②选择酸性重铬酸钾进行酒精测度并不合理,之所以如此,主要是由于除了酒精之外,葡萄糖等物质同样能够导致重铬酸钾向灰绿色转变;③对二氧化碳和酒精的检测有定性无定量;④实验耗时长(8 h—10 h)一节课内无现象导致学生探究无激情;⑤教材实验提供的新鲜酵母不好找且反应时间长。为了优化实验教学,采用学生设计实验、制作装置、发现问题解决问题、优化装置的思路设计并制作一体化探究装置。该装置的优点如下,明显缩短实验时间,引导学生获得从分开检测至实现全部数据一气呵成、从定性至定量、从传统至现代技术的过程体验,完成论证与探究能力的培育,提升学生的批判思维能力。

2 教学目标

①通过本实验探究能说出酵母菌细胞呼吸的方式及其产物,同时说出反应物氧气的消耗量以及生成物二氧化碳和酒精生成量的检测方法。

②学会酵母菌细胞呼吸方式实验装置的搭建,会用DISLab 软件采集数据并分析数据。

③通过实验结果进行合理推理、质疑、论证,得出较完善的主张,逐步改进装置,最后设计并制作出探究酵母菌细胞呼吸方式一体式装置。

3 实验准备

教师提供实验试剂与器材组织学生探究酵母菌的呼吸方式,提供碳酸氢钙、氢氧化钠、酸性重铬酸钾、过氧化氢、10 g 葡萄糖、石蜡油、煮沸冷却的冷开水、新鲜土豆、安琪牌干酵母等实验试剂;CO2传感器、酒精传感器(气态)、酒精检测仪、氧气传感器、锥形瓶、注射器、磁力搅拌器,铁架台,平底三口烧瓶、亚克力板等实验器材。

4 教学设计案例

4.1 创设情境、布置任务、活动引导

教师通过面包松软、甜米酒的酿制创设情境,随后引导学生亲自发面,将加入适量酵母菌的面团等量分成两组,分别放在无氧环境和有氧环境下醒面5 h 后,比较面团的差异。学生观察发现有氧组面团体积增大,且有气孔产生,无氧组面团体积增大不明显,有少量气孔,能闻到酒味。根据比较,学生推理出:面团有气孔可能是酵母菌呼吸产生CO2所致,有酒味可能是酵母菌呼吸产生酒精导致,学生提出问题“酵母菌在有氧和无氧环境下的产物分别是什么?怎样准确检测产物生成量以及底物的消耗量?如何准确控制有氧和无氧条件?”

4.2 设计实验、制作装置、收集数据

教师组织全班学生分组查阅资料,通过资料查阅其中一组学生首先提出用注射器制作装置,定量和定性检测酵母菌呼吸产物。装置搭建:有氧组和无氧组均用20 mL 注射器、5.5 号乳胶管、输液线的流量调节器、输液线上的接头连接组成反应发生装置如图2所示。

装置使用:反应发生装置吸入等量配好的酵母菌培养液5 mL,有氧组用NaOH 制备不含CO2的空气5 mL,制备的空气通过接头注入有氧组发生装置中。将有氧组和无氧组发生装置静置20 min 后,针筒活塞不再移动即反应完成。将注射器中产生的气体注入事先配置好的澄清石灰水中,观察澄清石灰水浑浊情况;再用注射器吸入酸性重铬酸钾溶液(由浓硫酸与浓度为2%的重铬酸钾溶液等体积混合而成),将等量酸性重铬酸钾溶液注入有氧组和无氧组发生装置中,观察两组颜色变化。

4.3 分析数据,形成主张

以针筒活塞移动为基础对CO2的产生进行定量检测,实验结果可知有氧组针筒活塞移动距离比无氧组活塞移动距离远且移动速度更快,澄清石灰水浑浊程度有氧组比无氧组浑浊程度大且变化快。由此学生推理出酵母菌有氧和无氧均可呼吸,有氧条件下能更快产生二氧化碳气体,且产生量比无氧组多;酸性重铬酸钾溶液注入有氧组和无氧组后均发现有灰绿色产生。因此该组学生交流形成主张,该套注射器装置能检测有氧组和无氧组生成物二氧化碳的量,能检测是否有酒精生成,操作过程简单,而且可以获得直观的效果,所以其具有极强的可操作性,适合大多数学校推广使用。

4.4 质疑、反驳,引发新证据的收集,再设计实验、制作装置;收集和分析数据并形成主张,再质疑反驳和收集新证据

4.4.1 质疑、反驳,引发新证据的收集,设计实验制作装置

教师引导学生质疑这个主张的合理性,其中一个组的学生提出第一代装置中酒精检测不合理,因为有氧和无氧组均出现灰绿色,只是深浅不同,不符合理论。资料显示酵母菌有氧呼吸不产生酒精,于是全班学生带着质疑继续查找该装置相关资料,发现除了酒精之外,SMS(干酵母中)、葡萄糖等物质同样能够导致重铬酸钾颜色转变;还有学生提出该装置有氧组未持续为酵母菌提供氧气,故反应后期酵母菌可能进行无氧呼吸产生酒精。由此学生反驳注射器装置,认为对有氧组的控制和酒精检测不合理。此时教师引导全班学生继续搜集改进装置相关资料。有的组提出选择警用酒精检测仪对酒精含量进行定量检测,通过传感器对CO2量及其产生的速度进行定量检测,有氧组和无氧组控制分别为:以过氧化氢酶含量充足的土豆提供酶进行过氧化氢分解,以此保持供氧不中断;无氧组选择石蜡油油封,装置如图3所示。如图4所示为酒精检测装置。

图3 第二代装置:传感器定量检测

图4 酒精检测装置

4.4.2 收集和分析数据并形成主张

学生利用本装置开展实验收集并分析数据发现,该装置可以精确检测酒精与CO2,且和教材要求相比,石蜡油油封无氧组的精确性更高,可以为酵母菌无氧呼吸提供有效保证。有氧组中,过氧化氢不间断供氧可以确保氧气充足;将除CO2操作(氢氧化钠)环节压缩,进一步简化实验过程。因此学生交流形成主张:该装置能有效控制有氧和无氧条件,也能定量检测酒精和二氧化碳的含量,可以大面积推广。

4.4.3 再次质疑反驳和收集新证据,设计实验制作装置

教师引导学生质疑这个主张的合理性,有学生提出第二代装置准备工作复杂,要完成数台设备连接。酒精检测仪只能对小范围酒精进行检测,仅10 s 显示时间即自行终止运行,测量需要数次重复,计数难度高,且不能检测有氧组消耗的氧气量。教师继续引导学生查找相关问题解决的资料,其中一位学生根据资料指出“能否设计出一种装置,能精确检测酒精含量同时检测生成的二氧化碳、消耗的氧气量呢?”根据这位学生的想法,班级学生开始讨论第三代装置,即传感器综合探究酵母菌呼吸,如图5所示,图6所示为部分数据。学生利用平底三口烧瓶,将CO2传感器、气态酒精传感器、气态氧气传感器分别安装于3 个口,同时与计算机数据终端相连,减少备连接的程序,也可提升结果精确性。

图5 第三代装置:传感器综合探究

图6 部分数据

4.4.4 再次收集和分析数据并形成主张

学生将烧瓶中置入干酵母0.5 g、10 毫升葡萄糖(10%),启动磁力搅拌器,磁子搅拌过程中为酵母菌进行有氧呼吸提供保障,O2用量、CO2生成量会在计算机显示屏上显示出来。酵母菌无氧呼吸在O2被消耗完后开始,计算机显示屏会将酒精量显示出来,而且酒精量不断增多,最后直到反应停止,如图6所示。让学生比较、分析计算机显示屏所显示的多种数据,对酵母菌细胞呼吸特征形成准确认知,教学难点就此被轻松突破,核心素养培养目标至此即可实现。据此学生交流形成主张,第三代装置能够解决本实验的所有问题,且操作性强,有传感器设备的学校均能有效开展该实验。

4.5 修正主张,达成共识

根据以上三代装置的开发制作,学生能够解决课本中所提供酵母菌细胞呼吸方式探究的所有难题,且第三代装置操作最简单方便。此时有学生提出注射器装置适合没有传感器设备的学校使用,也有其优点,学生们讨论激烈。有学生又提出,第一代和第二代装置都不能抛弃,要利用起来,于是学生又查阅资料,最后修正前面的主张:可以用亚克力板和电脑将三代装置组装在一起,构成一体化探究装置(图7),学生通过使用一体式装置真正实现逐步发现问题解决问题的思维过程、从定性到定量、从传统到现代信息技术的探究历程。该主张的得到全班同学和老师的认可,达成共识。论证过程如图8所示。

图7 酵母菌细胞呼吸一体化装置

图8 教学论证过程

5 教学反思

论证探究式教学模型是发展学生科学思维的有效途径,给学生一个进行相互交流、质疑反驳、反思修正的平台,有利于提高学生科学探究、推理和批判性思维等能力,有利于学生对生物学核心概念的建构和对科学探究活动的深层理解与学习。本课题通过改进实验装置,层层设疑,反驳论证,最终将实验装置搭建完成,促进教学效率提升;通过改进开发三代装置一步步解决问题,以便完成学生发展思维、创新理念及创新能力发展,并将三代装置合为一体,以亚克力板为设计基础完成酵母菌细胞呼吸机理探索的一体化设备开发。学生通过使用一体式装置真正实现该实验从定性到定量、从传统到现代信息技术、从技术到工程,有机整合达成核心素养的理念。