基于跨學(xué)科融合的高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)及教學(xué)探討

余鴻婷 張鋒

“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”是人教版高中生物學(xué)教材《必修1·分子與細(xì)胞》第五章第三節(jié)的探究實(shí)驗(yàn)之一，在《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）中，本節(jié)內(nèi)容涉及的重要概念為“細(xì)胞的功能絕大多數(shù)基于化學(xué)反應(yīng)，這些化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在細(xì)胞的特定區(qū)域”，次位概念為“說(shuō)明生物通過(guò)細(xì)胞呼吸將儲(chǔ)存在有機(jī)分子中的能量轉(zhuǎn)化為生命活動(dòng)可以利用的能量”，這些概念是大概念“細(xì)胞的生存需要能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)”的重要組分，為幫助學(xué)生達(dá)成對(duì)重要概念和次位概念的理解，《課程標(biāo)準(zhǔn)》要求應(yīng)開(kāi)展探究酵母細(xì)胞的呼吸方式探究實(shí)踐，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的提升。但是，在實(shí)踐教學(xué)中，“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”實(shí)驗(yàn)往往會(huì)受到實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)效果的限制，導(dǎo)致實(shí)際教學(xué)開(kāi)出率較低，難以成為促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)達(dá)成的重要支撐。

下文依據(jù)深度學(xué)習(xí)的理念，創(chuàng)建具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，開(kāi)展“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”的跨學(xué)科實(shí)踐，通過(guò)讓學(xué)生設(shè)計(jì)并優(yōu)化酵母細(xì)胞呼吸方式的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行任務(wù)驅(qū)動(dòng)，將“問(wèn)題探討”中酵母菌在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用貫穿至細(xì)胞呼吸原理和應(yīng)用的整個(gè)單元。教師采取了課前小組研究性學(xué)習(xí)—設(shè)計(jì)改進(jìn)并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置、課上探究實(shí)踐、課后擴(kuò)展延伸與應(yīng)用等方法開(kāi)展教學(xué)（圖1）。在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，始終滲透著科學(xué)探究過(guò)程變量的控制和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的規(guī)范問(wèn)題，學(xué)生通過(guò)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題提高科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，并形成積極的內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和正確的價(jià)值觀，進(jìn)而掌握學(xué)科的核心知識(shí)和把握學(xué)科的本質(zhì)及思想方法。

1 實(shí)驗(yàn)材料

教師為學(xué)生提供的實(shí)驗(yàn)試劑包括高活性干酵母粉、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的葡萄糖溶液、5%的 FeCl3溶液、10%的H2O2溶液、酸性重鉻酸鉀溶液和溴麝香草酚藍(lán)水溶液；實(shí)驗(yàn)器材包括注射器（帶堵頭）、醫(yī)用三通閥、硅膠軟管、刻度試管和小燒杯。學(xué)生根據(jù)教師提供的實(shí)驗(yàn)試劑與實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

2 實(shí)驗(yàn)方案與改進(jìn)

2.1實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)方案

課堂上，教師讓學(xué)生展示小組設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置，學(xué)生分析交流、討論評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)缺點(diǎn)和可行性，如裝置的氣密性如何，裝置能否實(shí)現(xiàn)單一變量，裝置是否科學(xué)合理，裝置能否便于操作，裝置能否順利實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物的檢測(cè)等。教師引導(dǎo)學(xué)生優(yōu)化實(shí)驗(yàn)裝置，確定最佳實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)學(xué)生設(shè)計(jì)的方案，引導(dǎo)學(xué)生利用提供的材料進(jìn)行裝置的連接與實(shí)驗(yàn)。

2.2優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)裝置

在學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案中，學(xué)生試圖使裝置不僅能有效控制自變量以進(jìn)行酵母菌培養(yǎng)，還能夠便捷地進(jìn)行因變量的檢測(cè)。學(xué)生通過(guò)查閱資料了解到三通閥在醫(yī)院中常用于兌藥，它有三個(gè)通道，可以利用閥門來(lái)控制開(kāi)閉。如圖2所示，閥門箭頭指向的通道就是開(kāi)放的。

通過(guò)討論，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了優(yōu)化，得到了改進(jìn)后的酵母菌細(xì)胞呼吸實(shí)驗(yàn)裝置，如圖3所示。即以注射器作為反應(yīng)容器，先利用帶堵頭的注射器制備 O2，再用第二只注射器培養(yǎng)酵母菌，通過(guò)三通閥與硅膠軟管將兩者連接起來(lái)，待反應(yīng)一定時(shí)間后，再與第三只裝有檢測(cè)試劑的注射器連接，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物便捷與及時(shí)的檢測(cè)。與有氧裝置相比，無(wú)氧裝置中不再向培養(yǎng)酵母菌的注射器中額外加入氧氣。此外，學(xué)生還可以通過(guò)減壓法排除培養(yǎng)液中的溶解氧來(lái)營(yíng)造無(wú)氧環(huán)境。通過(guò)三通閥的靈活開(kāi)閉，實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了不同反應(yīng)體系或者檢測(cè)體系的連接，甚至可以通過(guò)硅膠軟管與傳感器的連接實(shí)現(xiàn)精確定量，此外，注射器的量程就可以使反應(yīng)物與產(chǎn)物由定性到初步定量。

2.3實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

改進(jìn)后的酵母菌細(xì)胞呼吸裝置在自變量的控制、反應(yīng)時(shí)間、因變量的檢測(cè)與裝置的成本等方面得到有效的優(yōu)化，見(jiàn)表1。

3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）酵母菌的活化

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

（2） O2的制備

結(jié)合“比較過(guò)氧化氫在不同條件下的分解”實(shí)驗(yàn)，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溶液與2 mL 5%的 FeCl3溶液反應(yīng)2 min。

（3）酵母菌的培養(yǎng)

有氧裝置吸取20 mL酵母培養(yǎng)液與20 mL 的O2后在25℃條件下水浴5min，無(wú)氧裝置吸取20 mL酵母培養(yǎng)液后利用減壓法排除培養(yǎng)液中的溶解氧。

（4）反應(yīng)物的檢測(cè)

①二氧化碳：在兩支20 mL的注射器中各加入5 mL的溴麝香草酚藍(lán)溶液，利用三通閥將其分別與有氧裝置和無(wú)氧裝置連接。②酒精的檢測(cè)：利用三通閥分別將有氧裝置與無(wú)氧裝置中2 mL 的酵母菌培養(yǎng)液加入至兩支10 mL 的刻度試管中，各滴入2滴酸性重鉻酸鉀溶液進(jìn)行酒精的檢測(cè)。

4 結(jié)果與討論

4.1檢測(cè) CO2的產(chǎn)生

酵母菌在有氧或無(wú)氧條件下均能進(jìn)行細(xì)胞呼吸。有氧條件下，酵母菌有氧呼吸消耗O2的同時(shí)產(chǎn)生大量的CO2，反應(yīng)后注射器中氣體體積變化不大。無(wú)氧條件下，酵母菌無(wú)氧呼吸不消耗氧氣，產(chǎn)生少量的CO2，裝置反應(yīng)后注射器氣體體積增大。學(xué)生隨后將該氣體通過(guò)三通閥與裝有溴麝香草酚藍(lán)溶液的注射器相連通，溴麝香草酚藍(lán)溶液均由藍(lán)變綠再變黃，從而進(jìn)一步證實(shí)了酵母菌有氧呼吸與無(wú)氧呼吸均可產(chǎn)生CO2。

4.2檢測(cè)酒精的產(chǎn)生

學(xué)生將有氧呼吸與無(wú)氧呼吸裝置中的酵母菌培養(yǎng)液分別加入至刻度試管中，接著，各向其中滴入2滴酸性重鉻酸鉀溶液來(lái)進(jìn)行酒精的檢測(cè)。與未加入酸性重鉻酸鉀的酵母菌培養(yǎng)液相比，無(wú)氧呼吸裝置中的培養(yǎng)液與有氧呼吸裝置中的培養(yǎng)液均呈現(xiàn)灰綠色，且無(wú)氧呼吸裝置中的培養(yǎng)液顏色更深，學(xué)生由此初步推斷兩個(gè)裝置中均有酒精產(chǎn)生。由于葡萄糖也能使酸性重鉻酸鉀溶液發(fā)生顏色變化，因此，研究性學(xué)習(xí)小組進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。學(xué)生討論有氧裝置中的酵母菌培養(yǎng)液使酸性重鉻酸鉀溶液發(fā)生顏色變化的原因，指出可能是培養(yǎng)液中的葡萄糖還未消耗完全從而干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也可能是有氧呼吸裝置中后期氧氣供應(yīng)不足使無(wú)氧呼吸發(fā)生并產(chǎn)生酒精。

為進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行判斷，學(xué)生分別在70%的酒精、5%的葡萄糖溶液和清水中加入酸性重鉻酸鉀溶液以觀察顯色結(jié)果，結(jié)果表明，酒精和葡萄糖溶液均可使酸性重鉻酸鉀溶液發(fā)生顏色變化。學(xué)生對(duì)有氧裝置與無(wú)氧裝置中的酵母菌培養(yǎng)液進(jìn)行還原糖的檢測(cè)，結(jié)果均出現(xiàn)磚紅色沉淀，說(shuō)明裝置中的葡萄糖均未耗盡。為排除培養(yǎng)液中葡萄糖的干擾，學(xué)生小組通過(guò)討論分析，利用酒精易揮發(fā)的特性，將培養(yǎng)液放在90℃的水浴中加熱，嘗試讓培養(yǎng)液中的酒精揮發(fā)出來(lái)，并在容器的上方放置滴加酸性重鉻酸鉀溶液的短徑漏斗，從而觀察顏色變化。學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)，在從無(wú)氧裝置獲取的酵母菌培養(yǎng)液上方的短徑漏斗中，酸性重鉻酸鉀溶液顏色變化明顯，由橙色變?yōu)榛揖G色，而在從有氧裝置獲取的酵母菌培養(yǎng)液上方的短徑漏斗中，酸性重鉻酸鉀溶液顏色無(wú)明顯變化，依然為橙色。這說(shuō)明有氧裝置中酵母菌培養(yǎng)液使酸性重鉻酸鉀溶液發(fā)生的顏色變化可能是由于培養(yǎng)液中殘余的葡萄糖造成的，學(xué)生從而進(jìn)一步判斷得到，酵母菌無(wú)氧呼吸產(chǎn)生酒精，有氧呼吸不產(chǎn)生酒精。

學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)并優(yōu)化“探究酵母細(xì)胞呼吸方式”的實(shí)驗(yàn)裝置，并利用裝置進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)了酵母菌在有氧和無(wú)氧條件下都能進(jìn)行細(xì)胞呼吸。在有氧條件下，酵母菌通過(guò)細(xì)胞呼吸產(chǎn)生大量的CO2。在無(wú)氧條件下，酵母菌通過(guò)細(xì)胞呼吸產(chǎn)生酒精和少量的CO2。

通過(guò)對(duì)酵母細(xì)胞呼吸方式的探究，學(xué)生進(jìn)一步解釋了家庭釀制葡萄酒時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題的可能原因以及注意事項(xiàng)。通過(guò)嘗試查閱資料，優(yōu)化方案，學(xué)生自制葡萄酒與家人分享，并在校園科技節(jié)中展示。此外，學(xué)生還可聯(lián)系生活情境，學(xué)以致用，查閱資料了解福州老酒是如何釀制的，釀制過(guò)程中有什么微生物參與發(fā)酵，并了解發(fā)酵的原理與過(guò)程。

5 教學(xué)反思

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的初衷是出于對(duì)“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)現(xiàn)狀的思考，在實(shí)際教學(xué)中，原實(shí)驗(yàn)裝置由于連接復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)操作難度較大等原因?qū)е聦?shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)率低?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》中的課程理念“教學(xué)過(guò)程重實(shí)踐”強(qiáng)調(diào)學(xué)生通過(guò)探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)加深對(duì)生物學(xué)概念的理解?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》實(shí)施建議中也提出，加強(qiáng)和完善生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，鼓勵(lì)學(xué)生參與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，重視定性實(shí)驗(yàn)的同時(shí)也應(yīng)重視定量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在量的變化中了解事物的本質(zhì)等建議。因此，教師利用釀酒作為生活情境引入，學(xué)生的整個(gè)探究活動(dòng)圍繞酵母菌的細(xì)胞呼吸方式是什么展開(kāi)，教師指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。從實(shí)驗(yàn)器材的選擇、實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)的分析與評(píng)價(jià)、實(shí)驗(yàn)的拓展研究（包括探究實(shí)驗(yàn)的方法步驟與變量分析），到進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生全程參與，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)并掌握細(xì)胞呼吸的概念性知識(shí)，理解科學(xué)本質(zhì)。教學(xué)過(guò)程不再是教師單方面地給予知識(shí)和學(xué)生被動(dòng)地接收知識(shí)，而是在教師的引領(lǐng)下，學(xué)生通過(guò)全身心積極參與、體驗(yàn)成功、獲得發(fā)展的深度學(xué)習(xí)，學(xué)生通過(guò)自身思考實(shí)踐獲得的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)建構(gòu)概念。例如，學(xué)生通過(guò)對(duì)課堂分組實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，領(lǐng)悟到裝置的氣密性和產(chǎn)物檢測(cè)的及時(shí)性等都會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響。此外，教師通過(guò)課后的延伸引導(dǎo)學(xué)生回歸到情境中，幫助學(xué)生學(xué)以致用，也容易激發(fā)學(xué)生的興趣點(diǎn)，燃起學(xué)生進(jìn)一步探究的熱情，并在研究性學(xué)習(xí)小組進(jìn)行的成果分享和展示中落實(shí)社會(huì)責(zé)任的培養(yǎng)。學(xué)生不僅學(xué)到了知識(shí)，還提高了解決問(wèn)題的能力，通過(guò)進(jìn)行科學(xué)探究，學(xué)生掌握了部分科學(xué)方法，增強(qiáng)了科學(xué)思維，體會(huì)到實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，進(jìn)而提高了核心素養(yǎng)。

優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)裝置具有低成本、低消耗、反應(yīng)快、用時(shí)短和反應(yīng)結(jié)果直觀準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，適合被推廣用來(lái)進(jìn)行“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”的課堂分組實(shí)驗(yàn)。參考文獻(xiàn)：

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