编者按
为了更好地满足读者对优秀期刊文章的需求，本刊微信公众号择优推送当期文章，持续推送，敬请关注!
本刊2024年第9期刊发的《基于学科融合的酵母菌细胞呼吸方式的探究实践》一文，基于学科融合教育理念，整体设计“探究酵母菌细胞呼吸的方式”的实验，通过情境活动和自主学习感知并理解实验，拓展探究，强化理解，并完善应用，培养学生的科学思维和科学探究能力。本期荐读。
基于学科融合的酵母菌细胞呼吸方式的探究实践
杨光（淮北市第一中学)
李乐峰 (淮北市教育局教研室)
基于学科融合教育理念，整体设计“探究酵母菌细胞呼吸的方式”的实验，通过情境活动和自主学习感知并理解实验，拓展探究，强化理解，并完善应用，培养学生的科学思维和科学探究能力。提出优化改进方案，用碘仿反应代替酸性重铬酸钾检测酒精。设计制作探究酵母菌细胞呼吸方式的数字化一体反应器，提高反应效率。使用传感器让反应过程中的物质变化以表格及曲线形式呈现，更加直观，有利于对酵母菌细胞呼吸产物的定量检测和探究。
学科融合 STEAM教育 细胞呼吸 创新实验
《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》）在教学建议中指出“生物学和数学、技术、工程学、信息科学是相互渗透、共同发展的。加强学科间的横向联系，有利于学生理解科学的思想方法和跨学科的科学概念和过程，有利于学生建立科学的生命观，发展生物学学科核心素养”。实验教学是生物学教学的重要内容和方法，生物学实验在学生兴趣培养、学科核心素养形成与学科能力构建等方面都具有重要作用。
“探究酵母菌细胞呼吸的方式”是人教版高中生物学必修1第5章第3节“探究·实践”活动中的内容。对应《课程标准》模块1“分子与细胞”内容要求的大概念2“细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖”，重要概念 2.2“细胞的功能绝大多数基于化学反应，这些反应发生在细胞的特定区域”，以及次位概念2.2.4 “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”。《课程标准》在“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验“教学提示”中指出“教师应组织好观察、实验等探究性学习活动。结合生物个体水平的知识、化学和物理学知识以及学生的生活经验，突破学习难点”。这为教师开展基于学科融合的实验教学提供了方向和理论基础。
学生通过“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验及参与实验创新改进，理解细胞呼吸是细胞进行的系列代谢反应，在适宜条件下，细胞将糖类等有机物转化为CO2和水等无机物，同时释放能量供细胞利用，从而完成《课程标准》中相关概念的要求，提升创新思维及利用多学科知识解决生活问题的意识。
学科融合是指在承认学科差异的基础上，打破学科边界，促进学科间交叉渗透的活动，既是学科发展的趋势，也是产生创新性成果的重要途径。
学生通过接触更多生化反应原理、模型构建、数据收集分析等知识或方法，包括物理学、化学、数学及信息技术的综合运用，更加充分理解生物学知识的原理及应用。为了将学科融合思想有效融入生物学实验教学，需要强调多学科融合与创新驱动、注重实践教学的教育理念。
STEAM教育是指由科学（science）、技术（technology）、工程（engineering）、 艺术（arts）、数学（mathematics）等学科构成的跨学科教育。作为一种新的教育理念，STEAM强调知识跨界、问题生成、批判构建、创新驱动，体现出课程综合化、实践化、活动化等特征，反映了课程回归生活、社会和自然的本质诉求。
基于对STEAM教育的理解和实践探索，从生活情境出发，从中发现问题，通过交流讨论，设计问题解决方案，开展分组合作探究，然后完善方案和效果评价，最终形成成熟的方案设计。以生活情境为主线，学生在解决问题和合作讨论的过程中，迁移、运用、生成不同学科知识技能，促成教学难点的突破和问题的有效解决。
数字化实验室主要由计算机系统、传感器系统、数据采集系统以及相关的实验设备组成，可以实现对实验数据的实时采集和定量分析，教师和学生能快速、准确掌握实验数据并分析实验过程、得出实验结论，为学生提供多元化实验场景，拓宽科学思维和实验探究思路。
1）课前学生观看微课，自主学习教材实验，通过实验报告进行初步学习评价。
2）学生组装实验装置，开展实验，从实验操作水平对学生进行评价。
3）学生通过深入思考和交流讨论，提出教材实验可优化点及可行的改进方案，教师对学生思考、迁移应用水平进行评价。
4）总结教材实验的可优化点：①实验时间长（8~10 h），不利于课堂实验教学。②酸性重铬酸钾溶液存在安全隐患。③酵母菌溶液中的葡萄糖难以耗尽，会与酸性重铬酸钾反应，影响酒精检测。④空气中的CO2，影响反应产生的CO2的检测。⑤无法进行呼吸产物定量分析。
4 实验优化
问题：酸性重铬酸钾存在安全隐患；葡萄糖影响酒精检测。优化涉及的反应原理：碘液+酒精→黄色沉淀。
实验过程：1）取5支干净试管，编号1~5，分别加入等量蒸馏水、葡萄糖溶液、无水乙醇、有氧呼吸反应后的酵母菌溶液滤液、无氧呼吸反应后的酵母菌溶液滤液。2）分别向各试管加入 0.25 mL 0.05 mol/L 碘液 ，再 加入 0.25 mL 20% NaOH溶液，摇匀。3）观察各试管是否产生黄色沉淀及量的多少。4）结果、结论分析：1、2号试管无黄色沉淀，3号试管有黄色沉淀，说明酒精能与碘液反应，不与葡萄糖反应，碘仿反应可以避免葡萄糖对检测酒精的影响。4、5号试管均有黄色沉淀产生，说明无氧呼吸和有氧呼吸均有酒精产生，猜测有氧呼吸组里部分酵母菌可能因接触不到氧气发生无氧呼吸产生了少量酒精。
改进后的优点：1）碘液为安全溶液，避免酸性重铬酸钾存在的安全隐患，反应效果明显。2）碘液仅与酒精反应，不与葡萄糖发生反应，避免酵母菌反应溶液中葡萄糖对检测酒精的影响。
为解决原有装置反应时间长、空气中的CO2影响反应产生的CO2的检测、无法进行呼吸产物定量分析等问题，学生设计制作了探究酵母菌细胞呼吸的方式一体反应 器。为了能同时检测酵母菌细胞呼吸过程中 CO2、O2、酒精和温度的变化，通过精确测量和设计，将550 mL注射器活塞、活塞轴和针筒进行改装，然后将传感器安装在其中，组成“数字化一 体反应器”，并融入教具（图1）。
结合物理学、化学及工程学相关知识完成教材实验一系列优化后，学生开始使用新的方法和教具开展 “探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验，以下实验过程的描述均以图1中的标注作为参照。
4.3.1 使用前检查装置气密性
1）打开阀门a，在注射器A（本装置所用注射器均为学校统一购买）中吸入适量空气，超过e阀门刻度。
2）关闭阀门a，打开阀门d、e使注射器D、E与注射器A相通。
3）推注射器A，观察注射器D、E情况，如果活塞上移，说明气密性良好。
4）利用类似原理检查其他装置的气密性。
4.3.2 定性探究酵母菌细胞的无氧呼吸
1）配制0.05 g/mL酵母菌溶液100 mL，打开a 阀门，关闭d、e阀门，用其他注射器吸取酵母菌溶液通过阀门a注入注射器A中，保证溶液在阀门e 刻度之下。
2）打开恒温加热器T，设定温度为35℃。关闭a、d、e 3个阀门，使注射器A不与外界相通，酵母菌开始无氧呼吸，观察到有气泡产生，推动注射器A活塞上移。
3）15 min后，注射器A活塞上移到三通阀e之上，调整三通阀e使A和装有溴麝香草酚蓝溶液的注射器E相通，用E缓慢吸取适量A中气体，观察颜色变化，检测是否有CO2生成。
4）调整三通阀d，用注射器D吸取少量A中酵母菌反应溶液，过滤或静置5min，取上清液用碘仿反应检测其中是否有酒精产生。
实验结果和结论：1）E注射器中溴麝香草酚蓝溶液吸收A中气体后由蓝变绿再变黄，说明酵母菌无氧呼吸有CO2产生。2）酵母菌反应上清液能够与碘液反应生成黄色结晶，说明酵母菌无氧呼吸能产生酒精。
4.3.3 定性探究酵母菌细胞的有氧呼吸
1）配制0.05 g/mL酵母菌溶液100 mL，注入注射器A中，保证溶液在阀门e刻度之下；将恒温加热器T调整为35℃。
2）通过三通阀b向注射器B中加入1mLFeCl3溶液，通过三通阀c向注射器C中加入6%H2O2溶液50mL。
3）打开三通阀c，使注射器C和注射器B联通；打开三通阀a，使注射器A与气泵i出气口联通，打开三通阀e和f，保证注射器A与外界相通，以便排气。
4）通过三通阀b向注射器B中注入10 mL 6%H2O2溶液，然后关闭三通阀b，FeCl3和H2O2反应产生O2，推动B注射器活塞上移，直至超过上方连通器位置。
5）打开气泵G并将其调整为较低速度，气泵从注射器B中吸入O2，注射器B内压强降低，将注射器C中H2O2溶液吸入B与其中的FeCl3溶液反应继续产生O2，通过气泵将O2不断输入注射器A酵母菌反应溶液中，实现自动持续供氧。
6）打开磁力搅拌器F，调整为合适转速，使O2与酵母菌溶液充分接触。
7）A中气体增多，推动注射器A活塞上移至阀门e对应刻度之上，气体从阀门e通过单向通气阀g排到空气中。
8）15min后，以与“探究酵母菌细胞的无氧呼吸”相同的方式检测有氧呼吸是否产生CO2和酒精。
实验结果：1）有氧呼吸气体可以使溴麝香草酚蓝溶液由蓝变绿再变黄，说明酵母菌细胞有氧呼吸产生CO2。2）在实验后的酵母菌溶液滤液中加入碘液进行碘仿反应后，发现有少量黄色结晶产生，说明滤液中有少量酒精产生。分析原因可能为酵母菌溶液中部分酵母菌无法充分接触到氧气，进行无氧呼吸产生酒精导致。
4.3.4定量探究酵母菌细胞呼吸的方式
完成酵母菌呼吸方式的定性探究后，学生又继续开展 更深层次的定量化研究。
1）粗略测定酵母菌细胞无氧呼吸速率。
实验原理：在“定性探究无氧呼吸实验”基础上，将小液滴管右侧进气口联通到注射器A右侧出气口，A中气体变化，带动液滴Q在刻度细管P 中向左或向右移动。由于小液滴移动细管由1 mL注射器改装，液滴移动刻度差即可代表A中气体变化体积。从而对酵母菌细胞无氧呼吸释放 CO2量的变化进行简单定量测定。液滴向左移动，表示A中气体减少；液滴向右移动，表示A中气体增加。
实验步骤：①按照4.3.2节描述的实验步骤开展酵母菌无氧呼吸实验，打开三通阀d，使A中气体可以通过单向通气阀g排出。②读取小液滴初始刻度位置并做记录。③将小液滴管右侧进气口联通到注射器A右侧出气口。④20s后读取小液滴刻度位置，并做记录。
实验结果分析：在20s内，小液滴向右移动119 个最小刻度单位。每个最小刻度单位为0.02mL，因此，实验所用酵母菌细胞无氧呼吸产生CO2的量为119×0.02=2.38mL，酵母菌无氧呼吸速率以CO2释放速率表示为2.38/20=0.119mL/s。
2）精准定量分析酵母菌细胞呼吸产物的变化。将注射器A更换为传感器反应器F，连接不同传感器，即可读取反应体系中CO2、O2、温度和酒精的变化。
实验步骤：①打开手机或电脑中传感器数据接收软件，连接蓝牙传感器。②按照4.3.3节描述的“探究酵母菌细胞有氧呼吸”实验步骤向反应器中注入100mL0.015g/mL的高糖型酵母菌培养液，打开磁力搅拌器调整到合适转速。
3）操作软件，开始测量并收集数据。
实验结果和分析：酵母菌细胞呼吸过程CO2、 O2和酒精的体积分数及温度的变化如表1所示。
由表1数据可知，实验开始20min内，反应体系内CO2体积分数逐渐上升，且上升速率逐渐降低；O2体积分数呈下降趋势，且下降速率逐渐降低。分析原因是：初始阶段密闭容器内的O2体积分数和葡萄糖质量浓度较高，酵母菌有氧呼吸速率较高，消耗O2和产生CO2的速率较快，且繁殖速率较快，酵母菌数量增加。随着密闭容器内O2的消耗及葡萄糖质量浓度降低，整体呼吸速率减弱，导致消耗O2的速率降低，CO2增长速率减缓。
乙醇体积分数整体呈上升趋势，且在2min 内，上升速率较快，分析其原因为：虽然初始反应体系内O2体积分数较高，但仍然有部分酵母菌因为接触不到O2而进行无氧呼吸，产生酒精。打开磁力搅拌器之后，溶液中的酒精挥发较快，导致容器内酒精含量上升较快。磁力搅拌器的搅拌使溶液内部的酵母菌接触到更多O2，进行有氧呼 吸，酒精增长减缓。2min之后，酒精增长速率较为稳定，可能因为容器内O2 逐渐被消耗，有一定数量的酵母菌无法接触到O2而进行无氧呼吸。
温度呈缓慢上升趋势，说明酵母菌呼吸作用产生热量。开始2min之内，温度上升相对较快，分析其原因为初始时期反应体系中葡萄糖质量浓度和O2体积分数相对较高，有氧呼吸相对较强，释放的热能较多。
对结果数据进行简单计算可知，2~20min内， CO2 体积分数增加了2.14%，O2体积分数减少了 1.04%，由此可知无氧呼吸产生CO2约为1.1%。在此时间内，酒精体积分数增加了1.59%，近似等于无氧呼吸产生的CO2的变化量，与反应式的系数比例相对应，也间接证明应用此教具定量探究酵母菌细胞呼吸的可行性。
在“探究酵母菌细胞呼吸的方式”创新实验中，学生通过交流讨论，优化实践，设计制作创新实验教具，成功进行了实验，取得了如下效果。
1）结合化学知识采用碘仿反应检测酒精，现象明显；结合物理学和工程学知识，设计制作数字一体化实验教具，有效优化了实验流程和准确性；结合信息技术和数学知识对实验结果进行采集分析，用具体的数据表呈现酵母菌细胞呼吸作用的过程，实验结果符合预期，提升了学生的科学思维，也让学生感受到学科之间的相互联系和提升综合能力素养的重要意义。
2）利用液滴移动原理开展呼吸速率测定，体现了学生结合实际综合考虑问题的意识。
3）探究过程提升了学生的学习兴趣和探索欲望，认识到科学探究随着科学技术的进步不断发展。
5 实验总结与反思
通过对探究酵母菌细胞呼吸的方式数字一体化实验教具的分析，学生发现，此装置还可以开展其他探究实验，真正实现一器多用，如探究酶的高效性（比较过氧化氢在不同条件下的分解），探究果酒发酵的最适温度，以及探究通气量对果醋发酵的影响。
“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验教学，主要的创新和改进之处如下。
1）实验教学模式的创新。结合STEAM教育理念设计教学框架，引导学生运用多学科知识，根据实验和教学需求，改进实验试剂和装置，提升了学生的创新能力。
2）实验试剂的创新。学生查阅资料，结合化学知识，利用碘仿反应检测酒精，并通过设置对照实验验证了实验的可行性，解决了葡萄糖影响酒精检测的问题，也提升了实验的安全系数。
3）实验装置的创新。根据实验需求构建了一体化、数字化的实验装置，在保证实验严谨性的同时，结合现代化的技术设备，将定性实验定量化，为后续深入研究呼吸作用提供了支持。
创新实验教学能激发学生的思维，培养学生的综合能力和学科核心素养，促进创新型实验教学的开展。在这个过程中，教师要注意引导学生综合运用多学科知识，解决生活中的问题。
本次推送仅节选了文章部分内容，全文阅读详见本刊2024年第9期。欢迎订购！
好课推荐
点击图片即可进入课程界面
▌合作数据库
