郭愛平 （對(duì)外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100102）

1 問題的提出

人教版教材高中生物學(xué)選修1中提到：酒精發(fā)酵屬于厭氧發(fā)酵，在缺氧、呈酸性的發(fā)酵液中酵母菌可以生長繁殖，而絕大多數(shù)微生物都因無法適應(yīng)這一環(huán)境而受到抑制［1］。飲酒過多會(huì)傷害人體，植物無氧呼吸積累酒精也會(huì)導(dǎo)致腐爛，酵母菌產(chǎn)生的酒精會(huì)對(duì)自身造成危害嗎？酵母菌對(duì)酒精的耐受能力有多強(qiáng)？目前市場上出售的白酒、紅酒等飲品中是否還存在活的酵母菌？在學(xué)習(xí)選修1時(shí)，學(xué)生對(duì)這些問題很感興趣，于是筆者指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，在實(shí)踐中引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與探究過程、逐步培養(yǎng)搜集和處理科學(xué)信息的能力、批判性思維的能力及分析和解決問題的能力［2］。

2 失敗的嘗試

在筆者的建議下，學(xué)生選擇了習(xí)題中常見的“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的經(jīng)典裝置”（圖1），并假設(shè)“酒精濃度對(duì)酵母菌的無氧呼吸有影響，且濃度越高越不利于酵母菌的生存”。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如下。

圖1

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄拷湍妇鷮?duì)酒精的耐受性。

實(shí)驗(yàn)原理：酵母菌有氧呼吸消耗的氧氣與產(chǎn)生的二氧化碳的體積相同，無氧呼吸不消耗氧氣但會(huì)產(chǎn)生二氧化碳。因而圖1裝置中氣球的體積會(huì)因酵母菌的無氧呼吸而變大，進(jìn)而導(dǎo)致燒杯中液面上升?？筛鶕?jù)單位時(shí)間液面上升的高度反映酵母菌的無氧呼吸強(qiáng)度［3］。

實(shí)驗(yàn)材料用具：帶刻度的燒杯6個(gè)、氣球6個(gè)，酵母菌培養(yǎng)液［4］、體積分?jǐn)?shù)為 20%、40%、60%、80%的酒精、水浴鍋、量筒等。

實(shí)驗(yàn)過程（見表1）：

表1 用經(jīng)典裝置探究酵母菌細(xì)胞呼吸的實(shí)驗(yàn)過程

預(yù)期結(jié)果：若酒精濃度對(duì)酵母菌的無氧呼吸有影響，且濃度越高越不利于酵母菌的生存，則第5組氣球會(huì)因酵母菌的無氧呼吸而膨脹，燒杯中的液面上升；第6組液面不變；1～4組液面依次增加但低于第5組。

在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生首先遇到的問題是：氣球中雖然注入了酵母菌培養(yǎng)液和酒精等，但置于燒杯的溫水中后仍向上漂浮，氣球的一半體積暴露于燒杯的液面之上。若酵母菌產(chǎn)氣后氣球會(huì)更加上浮，不會(huì)導(dǎo)致燒杯的液面發(fā)生變化。為解決這一問題，學(xué)生找來了一些大小相同的鐵片，將氣球固定在鐵片上，這樣氣球才沉入水底。

經(jīng)過了幾個(gè)小時(shí)后，6組氣球均沒有膨脹。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期不符，學(xué)生認(rèn)為自己的假說沒有問題，問題出在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上。

初步判斷實(shí)驗(yàn)失敗的原因是酵母菌沒有活性，為了檢驗(yàn)酵母菌活性，學(xué)生將酵母菌培養(yǎng)液置于礦泉水瓶中密閉保溫作為對(duì)照，再一次進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)礦泉水瓶中的酵母菌產(chǎn)生大量氣體以致水瓶膨脹，說明實(shí)驗(yàn)材料酵母菌是有活性的。學(xué)生繼而推測氣球在水中的氣密性可能不佳，導(dǎo)致酵母菌產(chǎn)生的氣體均釋放到氣球以外。

此外，學(xué)生發(fā)現(xiàn)由于實(shí)驗(yàn)過程較長，燒杯中的水因大量蒸發(fā)而導(dǎo)致液面下降，這與預(yù)期恰好相反，這些設(shè)計(jì)缺陷激發(fā)了學(xué)生向“經(jīng)典實(shí)驗(yàn)”發(fā)起挑戰(zhàn)的興趣。

3 實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

為了能完成這次實(shí)驗(yàn)，學(xué)生求助于網(wǎng)絡(luò)，并參考一篇名為《酵母菌吹氣球》的文章設(shè)計(jì)如圖2所示的裝置，修改完善了實(shí)驗(yàn)方案，并最終得出了與預(yù)期相符的結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄拷湍妇鷮?duì)酒精的耐受性。

實(shí)驗(yàn)原理：酵母菌有氧呼吸消耗的氧氣與產(chǎn)生的二氧化碳的體積相同，無氧呼吸不消耗氧氣但會(huì)產(chǎn)生二氧化碳。因而圖2裝置中氣球的體積會(huì)因酵母菌的無氧呼吸變大，可根據(jù)單位時(shí)間氣球體積的大小反映酵母菌無氧呼吸強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)材料用具：錐形瓶7個(gè)、氣球7個(gè)，酵母菌培養(yǎng)液、體積分?jǐn)?shù)為 20%、40%、60%、80%、100%的酒精、水浴鍋、量筒等。

圖2

實(shí)驗(yàn)過程（見表2）及結(jié)果：

表2 用改進(jìn)裝置探究酵母菌細(xì)胞呼吸的實(shí)驗(yàn)過程

圖3 裝置的初始狀態(tài)

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：酒精濃度對(duì)酵母菌的無氧呼吸有影響，濃度越高越不利于酵母菌的無氧呼吸，從而反映酵母菌對(duì)酒精的耐受性是一定的。

課題延伸：酵母菌與其他微生物對(duì)酒精的耐受性差異顯著嗎？酵母菌耐受酒精的機(jī)理是什么？如何定量測出氣球中氣體的體積？上述裝置還能用于研究哪些課題？

4 教學(xué)反思

酵母菌是高中生物學(xué)教材中探究細(xì)胞呼吸的實(shí)驗(yàn)材料，同時(shí)也是制作果酒的菌種。結(jié)合已有知識(shí)和生活經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生能認(rèn)識(shí)到“酵母菌對(duì)酒精耐受性是有限度的”，但沒有實(shí)驗(yàn)的佐證，這一認(rèn)識(shí)僅停留在推理層面。在上述實(shí)驗(yàn)探究的過程中,學(xué)生不但親身設(shè)計(jì)、修改實(shí)驗(yàn)方案達(dá)成了探究目的，還認(rèn)識(shí)到“實(shí)踐是檢驗(yàn)經(jīng)典”的唯一方式，在學(xué)習(xí)中不能想當(dāng)然地認(rèn)為“誰對(duì)誰錯(cuò)”，實(shí)驗(yàn)裝置的合理性、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性、實(shí)驗(yàn)結(jié)論的正確性，這些都是可以質(zhì)疑的,而這一點(diǎn)也是科學(xué)精神的一種體現(xiàn)。

主要參考文獻(xiàn)

［1］人民教育出版社,課程教材研究所,生物課程教材研究開發(fā)中心.生物：選修1：生物技術(shù)實(shí)踐.北京:人民教育出版社，2007：2.

［2］中華人民共和國教育部.普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）.北京:人民教育出版社，2003：2.

［3］張榮華,李紹元.果酒釀造實(shí)驗(yàn)探索.生物學(xué)通報(bào),2013,48(5):43.

［4］吳建華,王雪.“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”實(shí)驗(yàn)的問題探討.生物學(xué)通報(bào)，2014，49（2）：51.

［5］夏紅梅，陳珊，劉東波,等.酵母菌呼吸方式實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法的設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2013，16（6）：17.