拓展探究性实验

1 教材分析

“探究酵母菌细胞呼吸的方式”通过探究细胞呼吸产物进而认证酵母菌细胞呼吸的两种方式，为解释光合作用形成糖类后的“去路”打下根基，还密切联系着“组成细胞的分子”、“细胞的能量通货――ATP”、“颜色反应”等诸多教学内容，教学地位不容小觑。

在“探究酵母菌细胞呼吸的方式”教学中，部分教师习惯性地按照教材编排，反复讲解实验步骤，强调酵母菌有氧呼吸、无氧呼吸各自的产物，再将实验现象和颜色反应对应，从而确定酵母菌有两种细胞呼吸方式。如此照搬课本思路，有饬业摹把橹ば浴蔽兜溃却未培养学生的思维能力，没有“探究”体验，没有科学教育，没有用好教材。本文从发现问题、分析问题、作出假设、设计实验为主线体验实验的探究性，拓展了教材宽度，挖掘了学科理性。

2 教学目标

2.1 知识目标

说明酵母菌细胞呼吸的方式。

2.2 能力目标

组建实验装置，锻炼学生动手能力和提高合作互助精神。

通过探究酵母菌细胞的呼吸方式，让学生学会实验探究的方法。

学会控制自变量，观察和检测应变量的变化，提高学生合作、交流以及自主学习能力。

2.3 情感态度价值观目标

形成对自然科学的基本认识和思维方法，提高学生科学素养，让学生热爱生活。

3 教学重点和难点

（1）说明酵母菌细胞呼吸的方式。

（2）认同酵母菌为兼性厌氧型真菌。

4 实验目的和原理

4.1 实验目的

通过实验探究酵母菌在有氧条件下和无氧条件下细胞呼吸的产物，明确酵母菌细胞呼吸的方式。

4.2 实验原理

酵母菌属于单细胞真核微生物，兼性厌氧菌，能进行有氧呼吸，产生CO2，也能进行无氧呼吸，产生酒精和CO2。

5 实验探究历程

5.1 从现象出发，发现问题

部分学生观察生活注意到做馒头、面包等食品时都是用酵母菌发面，发好的面团松软有气孔，而且蒸好的馒头、烤好的面包也都有大量气孔。联想到有气孔说明了有气体产生，产生以下问题：“气体是什么呢？酵母菌发酵产生了什么物质？发面是酵母菌利用淀粉发酵吗？细胞呼吸和发酵之间有何关系？”

5.2 理性思考，提出问题

（1）酵母菌发酵能产生气体，气体是什么？

（2）酵母菌在怎样的条件下产生气体？它在有氧、无氧条件下，都会产生气体吗？假如都产生气体，气体的量一样多吗？

（3）酵母菌呼吸除了产生气体，还产生别的物质吗？能否验证？验证时，如何取材？

5.3 大胆演绎，作出假设

结合上述提出的3类问题，结合“有氧呼吸”、“酒精发酵”、“乳酸发酵”反应式，可以有以下7种假设。

（1）酵母菌只能在O2参与条件下产生CO2。

（2）酵母菌只能在无O2参与条件下产生CO2。

（3）酵母菌只能在无O2参与条件下产生乳酸。

（4）酵母菌不仅能在O2参与条件下产生CO2，而且在无O2参与条件下产生CO2。

（5）酵母菌不仅能在O2参与条件下产生CO2，而且在无O2参与条件下产生乳酸。

（6）酵母菌不仅能在无O2参与条件下产生CO2，而且在无O2参与条件下产生乳酸。

（7）酵母菌不仅能在O2参与条件下产生CO2，而且在无O2参与条件下产生CO2，也能产生乳酸。

严密的推理彰显了学科“理性”。前3种假设只有“一个自变量”，即“O2的有无”，后4种假设“双自变量”，即“有O2和无O2”，渗透了排列组合思想。多数学生能想到前3种假设，而后4种假设需要教师提示。据此7种假设，找到突破口，为设计实验找到理论依据。

5.4 结合假设找到突破口，明析实验设计思路（假设酵母菌以葡萄糖作为呼吸底物）

在设计之前，学生已储备“有氧呼吸”、“酒精发酵”、“乳酸发酵”等知识，从“物质变化”的角度观察三者化学反应式，发现有氧呼吸、酒精发酵产生CO2气体，利用气体作为突破口，理顺“气体量影响到容器内压强”的思路。以1 mol葡萄糖为底物，有氧呼吸每吸收6 mol O2，释放6 mol CO2，气体体积不变，压强相对不变；酒精发酵不吸收气体，释放2 mol CO2，引起气体体积增大，压强增大。基于此利用气体，设计第1组实验，排除乳酸发酵后，保留前文假设（1）（2）（4）的3种情况。

排除乳酸发酵后，在已保留（1）（2）（4）的3种情况下，设计第2组实验，借助鉴定试剂、颜色反应探明酵母菌假设（1）、假设（2）相应产物，找出“气体是谁”和“其他产物”。

找出假设（1）、假设（2）产物后，设计第3组实验，探明酵母菌有氧呼吸和酒精发酵的关系，是“有氧呼吸为主”，还是“酒精发酵为主”，还是“有氧呼吸和酒精发酵两者势均力敌”。

5.5 实验设计

5.5.1 第1组实验

5.5.1.1 材料器具

材料：含葡萄糖酵母菌培养液。器具：6只相同注射器。

5.5.1.2 实验步骤

（1）取6只已灭菌的注射器，分为A、B两组。分别标号为A1，A2，A3，B1，B2，B3。

（2）在2组注射器A、B中分别加入3 mL含葡萄糖酵母菌培养液、3 mL灭活的含葡萄糖酵母菌培养液，均吸入9 mL空气后加塞密封。

（3）一段时间后，观察两组注射器内气体体积的变化情况并说明理由。

5.5.1.3 预期实验结果

一段时间后，预测A注射器内气体体积增加，B组注射器内气体体积相对不变。

5.5.1.4 实验分析

A组注射器内气体体积增加，产生了气体，说明细胞呼吸有3种类型：

①酵母菌在有O2条件下产生CO2；

②酵母菌在无O2条件下产生CO2；

③酵母菌在有O2和无O2条件下都产生CO2。

该实验排除酵母菌乳酸发酵，保留了有氧呼吸和酒精l酵，达到了实验前的预设。同时还产生了3个问题：酵母菌产生气体，气体是什么呢；不同条件下，产生气体的量一样多吗；酵母菌除了产生气体，还产生别的物质吗？

据上述3个问题，设计第2组实验：把酵母菌分别置于有O2和无O2条件下，观察实验现象，鉴定细胞呼吸产物。

5.5.2 第2组实验

5.5.2.1 材料器具

材料：酵母粉、葡萄糖、温水、石蜡油、酸性重铬酸钾溶液。

器具：气球2只、氧气袋1个、矿泉水瓶2只，橡皮筋若干，试管若干。

5.5.2.2 实验步骤

（1）取2只已消毒矿泉水瓶，分别标号为A、B，均加入等量葡萄糖酵母菌液。

（2）A组充入一定量的氧气，B组加入一定量的石蜡油密封液面，迅速将2只气球套在矿泉水瓶口，用橡皮筋扎紧固定，以防漏气。

（3）观察2只气球膨胀程度，列表记录相关数据，见表1。

（4）实验结束后，分别从两只矿泉水瓶中取出等量液体注入试管中（注意B组尽量不要取到石蜡油），加入等量的酸性重铬酸钾溶液，轻轻震荡混合均匀，观察试管颜色的变化。

5.5.2.3 预期实验结果

一段时间后，预测A组气球不膨胀，试管颜色未发生变化；B组气球膨胀，试管颜色由橙色变为灰绿色。

5.5.2.4 实验分析

酵母菌在有O2条件下，气球不膨胀，试管颜色未发生变化，说明气体体积相对不变，结合颜色反应证明没有产生酒精，进行有氧呼吸；在无O2条件下，气球逐渐膨胀，试管颜色由橙色变为灰绿色，说明气体体积增大，产生了CO2气体和酒精。

第2组实验设计中没有使用教材提供的“澄清石灰水证明是否有CO2产生”，紧密围绕“体积是否增大”，借助气球膨胀程度分别证明了有氧呼吸、酒精发酵是否产生气体，此时已经达到对教材探究的目的。但产生了新问题，即随着O2浓度从无到有再到逐渐增加，此时酵母菌“有氧呼吸为主”，还是“无氧呼吸为主”，还是“有氧呼吸、无氧呼吸两者势均力敌”？可设计第3组实验。

5.5.3 第3组实验

5.5.3.1 材料器具

材料：含葡萄糖酵母菌培养液、5 mL 20%NaOH溶液、5 mL蒸馏水。

器具：2只带橡皮塞广口瓶、带活塞玻璃管若干、弯曲玻璃管若干，尺子。

5.5.3.2 实验步骤

按图1所示，组装实验装置，进行实验，观察红色液滴移动情况。

（1）2组装置中均不通入O2，观察红色液滴移动情况。

（2）逐渐增加O2浓度，观察红色液滴移动情况并测量移动距离。

5.5.3.3 预期实验结果

实验结果见表2。

5.5.3.4 实验分析

通过测量和换算，学生认识到酵母菌有氧呼吸和酒精发酵的关系，得出了酵母菌既能进行有氧呼吸又能进行无氧呼吸的结论，它是兼性厌氧型微生物。

科学教育的目标之一是“帮助学生形成建立在学科知识之上的有关自然科学的基本认识和思维方法”。“探究酵母菌细胞呼吸的方式”是开展科学教育、训练思维、动手设计的好素材，本文由感性到理性、由未知到深知、由产生问题到解决问题、由设计到体验，发展了学生能力，领悟了探究内涵，养成辩证自然观，形成了思考意识，达到了科学教育的目的。