“探究酵母菌呼吸的方式”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和思考

胡志傲 吳志強(qiáng) 肖安慶

(1 湖北省武漢市水果湖高級中學(xué) 430000； 2 安徽省蕪湖市第十二中學(xué) 241002； 3 廣東省深圳市鹽田高級中學(xué) 518083)

人教版高中生物學(xué)教材“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”實(shí)驗(yàn)，通過探究酵母菌在不同條件下的呼吸方式，幫助學(xué)生直觀地掌握有氧呼吸和無氧呼吸的特點(diǎn)，學(xué)會總結(jié)、歸納出有氧呼吸和無氧呼吸的區(qū)別與聯(lián)系，為后面進(jìn)一步學(xué)習(xí)細(xì)胞呼吸方式的具體過程做好知識儲備。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施中的問題

教材中“探究酵母菌呼吸的方式”這一實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、思路清晰。但是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，如果完全按照教材中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，也存在一些待解決的問題：一是實(shí)驗(yàn)材料方面，該實(shí)驗(yàn)提供的酵母菌培養(yǎng)液是10g新鮮食用酵母菌與240mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的葡萄糖溶液混合而成。這種酵母菌培養(yǎng)液容易發(fā)酵過度，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不明顯。二是實(shí)驗(yàn)裝置方面，在無氧呼吸裝置中，把反應(yīng)裝置連通澄清石灰水溶液，何時(shí)開始無氧呼吸難以確定；在有氧呼吸裝置中，直接通入混有二氧化碳的空氣，無法判斷裝置中二氧化碳的來源是呼吸作用產(chǎn)生的，還是空氣中原本存在的，為實(shí)驗(yàn)結(jié)果的檢測帶來不便。

此外，該實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(培養(yǎng)8～10 h)、容易出現(xiàn)不可控因素。因此，筆者教學(xué)實(shí)踐中嘗試?yán)米⑸淦骱洼斠汗?，開展“探究酵母菌呼吸方式”實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)材料的使用量進(jìn)行重新設(shè)置，確保此實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟谡n堂上完整、高效進(jìn)行。

2 酵母菌液與葡萄糖溶液混合比例的探討

依據(jù)以上分析，將高活性干酵母菌與37℃左右的溫水以質(zhì)量比為1 ∶10混合，攪拌均勻后可制得酵母菌液。通過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種酵母菌液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的葡萄糖溶液配置而成的酵母菌培養(yǎng)液，實(shí)驗(yàn)效果明顯。

為了進(jìn)一步探究酵母菌混合液的最佳配方，將酵母菌液與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的葡萄糖溶液以體積比為1 ∶1和1 ∶2分別混合均勻，制成兩種不同酵母菌培養(yǎng)液。利用這兩種培養(yǎng)液分別進(jìn)行無氧呼吸實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：培養(yǎng)5min后，兩種比例的混合液產(chǎn)生氣體體積相差不大，均能產(chǎn)生2mL左右的氣體。這有利于在課堂教學(xué)中短時(shí)間內(nèi)收集呼吸作用的產(chǎn)物，直接檢測二氧化碳的生成。培養(yǎng)兩小時(shí)后，1 ∶1混合的酵母菌培養(yǎng)液產(chǎn)生氣體量基本保持不變，這表明葡萄糖已經(jīng)被消耗完全。然而1 ∶2混合的酵母菌液此時(shí)仍然不斷產(chǎn)生氣體，這表明培養(yǎng)液中仍然有葡萄糖沒有被消耗完。而葡萄糖的存在會影響酒精的檢測，所以實(shí)驗(yàn)必須等待注射器中葡萄糖完全消耗后，才能進(jìn)行酒精的測定。

因此，1 ∶1混合的酵母菌培養(yǎng)液節(jié)約原料，葡萄糖消耗所需時(shí)間短，短時(shí)間內(nèi)能獲取生成的氣體，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。

3 注射器在“探究酵母菌呼吸的方式”實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

3.1 無氧呼吸裝置 參考各版本教材中的裝置，不難發(fā)現(xiàn)教材中的裝置并不能為酵母菌提供無氧環(huán)境?；诖耍P者利用20mL注射器作為無氧呼吸的反應(yīng)容器，注射器直接吸取配置好的酵母菌培養(yǎng)液1mL，注射器中若不慎吸入空氣，可逆向排出。然后將一定長度的輸液管(約10cm)安裝在針筒頭上，密封針口，關(guān)閉調(diào)節(jié)器，隔絕空氣，為酵母菌提供真正的無氧環(huán)境(圖1)。

圖1 無氧呼吸裝置

圖2 氧氣發(fā)生器

3.2 有氧呼吸裝置 可增加氧氣簡易發(fā)生器提供氧氣來開展實(shí)驗(yàn)(圖2)。直接為酵母菌提供純氧，那么裝置中出現(xiàn)的二氧化碳就一定是呼吸作用產(chǎn)生的。經(jīng)過大量預(yù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)60mL的注射器作為氧氣發(fā)生器效果最佳。將注射器的針口連上一段輸液管，用連上輸液管的注射器直接吸取2mL的體積分?jǐn)?shù)為10%的過氧化氫溶液，清洗好輸液管的一端后，再直接吸取無機(jī)催化劑氯化鐵溶液1mL，輕輕晃動(dòng)注射器，使兩種液體充分混合，排出針筒內(nèi)的氣體，關(guān)閉調(diào)節(jié)器，針筒內(nèi)開始制造并儲存氧氣，為酵母菌有氧呼吸提供充足氧氣。

遵循對照原則和單一變量原則，同樣選取20mL注射器作為有氧呼吸的反應(yīng)容器。使用20mL注射器小心緩慢吸取1mL酵母菌培養(yǎng)液，而后將氧氣發(fā)生器輸液管的另一端連接在20mL注射器針筒頭上，打開調(diào)節(jié)器，開始緩慢向注射器內(nèi)推入一定體積的氧氣，關(guān)閉調(diào)節(jié)器。進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)1mL酵母菌培養(yǎng)液中通入14mL氧氣時(shí)，注射器的示數(shù)一直不變，表明該裝置中的酵母菌一直進(jìn)行著有氧呼吸，即14mL氧氣是充足的(圖3)。

圖3 有氧呼吸裝置

3.3 水浴加熱條件 教材中提到將裝置置于25℃～35℃中培養(yǎng)，然而沒有給出具體建議。有條件的學(xué)?？梢灾糜诤銣厮″伝蛘吆銣嘏囵B(yǎng)箱中培養(yǎng)；沒有相關(guān)設(shè)備的學(xué)校，可以將注射器置于盛有溫水的燒杯中，隔一段時(shí)間，充入一定的熱水，以保證水溫在37℃左右，能使細(xì)胞代謝處于旺盛狀態(tài)，加快呼吸作用速率，縮短實(shí)驗(yàn)等待的時(shí)間。

3.4 產(chǎn)物的檢測 酵母菌培養(yǎng)液在兩種不同的反應(yīng)容器中保溫5min后，能明顯看到有氣體產(chǎn)生。鑒于實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短，產(chǎn)生的氣體量并不大，所以用澄清石灰水檢測生成的氣體不一定能觀察到明顯現(xiàn)象，選擇更靈敏的試劑溴麝香草酚藍(lán)水溶液能使結(jié)果更明顯。將輸液管的一端浸入盛有溴麝香草酚藍(lán)水溶液的2mL EP管中，將調(diào)節(jié)器打開至一定程度，慢慢推動(dòng)注射器拉桿，可以觀察到EP管中的氣泡使溴麝香草酚藍(lán)由藍(lán)慢慢變綠，最終變成黃色。EP管輕便，方便存放，易拿取，可回收重復(fù)利用；并且由于體積小，氣泡看得更加明顯，便于觀察(圖4)。

圖4 呼吸產(chǎn)物檢測結(jié)果

4 結(jié)語

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)，可操作性強(qiáng)、用時(shí)短、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，可以在中學(xué)課堂中推廣。3～5min就能明顯看到氣泡的產(chǎn)生，5～10min注射器針筒內(nèi)就能收集到一定體積的氣體，開始進(jìn)行氣體的檢測。有氧呼吸裝置中產(chǎn)生了二氧化碳，注射器的刻度卻沒有發(fā)生變化，以此讓學(xué)生了解有氧呼吸分解葡萄糖，消耗的氧氣量和產(chǎn)生的二氧化碳量相同，使學(xué)生印象深刻，為后面的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。注射器和輸液管(連接著調(diào)節(jié)器)來源于生活，能夠使學(xué)生認(rèn)識到“知識來源于生活”，從而引導(dǎo)學(xué)生樹立“知識要緊密結(jié)合生活實(shí)際”的意識。注射器和輸液管不易破損、便于拿取、可重復(fù)利用，節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本。代替錐形瓶和玻璃導(dǎo)管，使實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡單化、清晰化，使實(shí)驗(yàn)更加安全，可操作性更強(qiáng)。這樣的一堂實(shí)驗(yàn)課，不僅教師能引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，而且學(xué)生能親自動(dòng)手實(shí)踐，觀察明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，真正做到培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐和總結(jié)歸納能力。

(基金項(xiàng)目：2016年度全國教育科學(xué)規(guī)劃課題教育部青年課題“新一輪課改背景下高中生物核心素養(yǎng)的實(shí)踐研究，No.EHA160474)

*前文受翰思科學(xué)儀器公司關(guān)注*