王麗娟 郭琪琦 劉家熙

（1魯東大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 山東煙臺(tái) 264025 2深圳市第二實(shí)驗(yàn)學(xué)校 廣東深圳 518021 3首都師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100048）

生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是生物學(xué)科重要的科學(xué)研究活動(dòng)之一。通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以幫助學(xué)生理解和掌握生物學(xué)重要概念，形成科學(xué)態(tài)度與習(xí)慣，尤其培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、實(shí)驗(yàn)操作能力、科學(xué)探究能力和運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決生物學(xué)實(shí)際問(wèn)題的能力，以提升學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)。因此，本文以山東科學(xué)技術(shù)出版社（以下簡(jiǎn)稱山科版）初中生物學(xué)教材中呼吸作用相關(guān)實(shí)驗(yàn)為例，通過(guò)借鑒美國(guó)《普通生物學(xué)實(shí)驗(yàn)手冊(cè)》中的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)［1］，希望為我國(guó)中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的改進(jìn)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開(kāi)發(fā)和實(shí)驗(yàn)拓展、開(kāi)辟第二課堂等提供參考。

山科版生物學(xué)教材在植物、人體、動(dòng)物及細(xì)菌和真菌的教學(xué)內(nèi)容中安排了與呼吸作用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，具體見(jiàn)表1。

表1 呼吸作用相關(guān)實(shí)驗(yàn)

1 植物有氧呼吸生成二氧化碳實(shí)驗(yàn)的比較

中、美教材在“植物有氧呼吸生成二氧化碳”實(shí)驗(yàn)內(nèi)容見(jiàn)表2。美國(guó)教材實(shí)驗(yàn)中比較活種子（萌發(fā)、未萌發(fā)）和死種子（煮熟的萌發(fā)種子）3類種子的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，更加全面和嚴(yán)謹(jǐn)。用稀釋的苯酚紅溶液的顏色反應(yīng)與山科版的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)中都用石灰水檢測(cè)二氧化碳的有無(wú)，沒(méi)有優(yōu)劣之分，不過(guò)，針對(duì)同一種物質(zhì)適當(dāng)采用不同檢測(cè)方法，使生物學(xué)與化學(xué)、物理等學(xué)科的知識(shí)和方法整合，是否更利于培養(yǎng)學(xué)生的開(kāi)放性思維？此外，實(shí)驗(yàn)討論體現(xiàn)出美國(guó)實(shí)驗(yàn)教學(xué)更重視引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展科學(xué)探究，鼓勵(lì)學(xué)生大膽預(yù)測(cè)、推論和假設(shè)。

表2 中、美教材中有關(guān)“植物有氧呼吸生成二氧化碳實(shí)驗(yàn)”的比較

2 植物有氧呼吸消耗氧氣實(shí)驗(yàn)的比較

在“綠色植物的呼吸作用消耗氧氣”實(shí)驗(yàn)中，山科版利用萌發(fā)的種子和煮熟的種子進(jìn)行呼吸作用對(duì)比，用蠟燭的燃燒情況檢測(cè)氧氣含量的變化。本實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象明顯，學(xué)生能夠直觀地觀察并推測(cè)呼吸作用消耗氧氣。本實(shí)驗(yàn)是定性實(shí)驗(yàn)，美國(guó)教材中氧氣消耗的定量實(shí)驗(yàn)可以為我國(guó)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)拓展或第二課堂提供借鑒。主要實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

1）組裝一套體積計(jì)裝置（見(jiàn)圖1）。

圖1 氧氣消耗實(shí)驗(yàn)裝置

2）1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)試管中分別裝入80粒發(fā)芽豌豆種子、干種子和玻璃珠、玻璃珠，3個(gè)試管中所裝材料體積等同。由于溫度和氣壓會(huì)對(duì)密閉試管中氣體壓力產(chǎn)生影響，3號(hào)試管相當(dāng)于一個(gè)溫壓表，它的作用是作為對(duì)照，修正實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)中溫度和氣壓引起的體積改變。

3）量取 1 cm3（約 1/4匙）KOH 小丸，倒在非脫脂棉團(tuán)上。此體積計(jì)用于計(jì)量氧氣的體積變化，呼吸釋放的氣體必須全部去除，以保證對(duì)氧氣消耗測(cè)量的準(zhǔn)確性。

4）用滴管在側(cè)臂管的末端，加入一小滴標(biāo)記液，液滴因毛細(xì)作用進(jìn)入側(cè)臂。慢慢拉動(dòng)注射器柱塞，調(diào)整液滴使其位于刻度管0.8～0.9 cm刻度之間。

5）記錄3個(gè)側(cè)臂管內(nèi)標(biāo)記液滴所在位置的刻度，每隔5 min記錄一次，直至60 min。追蹤標(biāo)記液滴的位置變化是正（朝向試管移動(dòng)）還是負(fù)(遠(yuǎn)離試管移動(dòng)）。假如有氧呼吸速率過(guò)快，標(biāo)記液滴移近刻度管末端無(wú)法讀取讀數(shù)，小心拉動(dòng)注射器調(diào)整標(biāo)記液滴位置，使其仍然位于刻度移液管的0.8～0.9 cm位置，并記錄。每隔5 min記錄讀數(shù)。

6）前一個(gè)讀數(shù)減去后一個(gè)讀數(shù)，為每個(gè)樣本中試管內(nèi)氣體體積的變化。每個(gè)氣體體積變化與前一個(gè)變化之和，為累積的氣體的體積變化（累積的氧氣消耗量）。

7）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，用溫壓表（即3號(hào)試管）讀數(shù)修正因溫度和氣壓造成的體積變化。溫壓表的標(biāo)記液滴移向試管（容積量下降），試管1和試管2的氧氣消耗總量減去體積變化；溫壓表標(biāo)記遠(yuǎn)離試管（容積上升），試管1和2的氧氣消耗總量加上體積變化。

8）繪制整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的氧氣消耗曲線圖(圖2)。

圖2 氧氣消耗曲線圖

提出問(wèn)題：發(fā)芽和未發(fā)芽種子的呼吸速率有何差異？你如何解釋這種差異？1 g葡萄糖完全氧化需要消耗820 cm3氧氣，計(jì)算：每小時(shí)80粒發(fā)芽豌豆種子呼吸消耗多少葡萄糖？（1 cm3=1 mL）

分析發(fā)現(xiàn)，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)非常嚴(yán)謹(jǐn)，尤其是使用玻璃珠保證3組實(shí)驗(yàn)材料體積相等、第3組溫壓表作對(duì)照去除氣體壓力對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響、KOH去除二氧化碳，體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、控制性和對(duì)照性原則，有利于學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和養(yǎng)成一絲不茍、嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的科學(xué)態(tài)度。而且，通過(guò)精確測(cè)量和記錄氧氣消耗量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制氧氣消耗曲線圖，計(jì)算種子呼吸消耗葡萄糖的量，不僅能客觀地驗(yàn)證呼吸作用消耗氧氣，進(jìn)行呼吸速率的比較，而且將數(shù)學(xué)與生物學(xué)相結(jié)合，加強(qiáng)了學(xué)生開(kāi)展測(cè)量與統(tǒng)計(jì)、搜集證據(jù)、進(jìn)行解釋和推理等科學(xué)方法和科學(xué)思維能力的訓(xùn)練。

3 酵母菌發(fā)酵實(shí)驗(yàn)的比較

山科版教材以簡(jiǎn)易、有效的演示實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)酵母細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞呼吸分解葡萄糖，生成的二氧化碳使套在瓶口擠癟的氣球膨脹。同時(shí)通過(guò)討論和探究教學(xué)使學(xué)生理解制作饅頭、面包、酸奶、泡菜等的生物學(xué)原理。教材中也提到：有的真菌如酵母菌可將葡萄糖轉(zhuǎn)化為酒精并產(chǎn)生二氧化碳，學(xué)生可能會(huì)思考：家庭制作面包和饅頭的原料——面粉中主要是淀粉，酵母菌是否可以分解淀粉？美國(guó)教材中用發(fā)酵管（圖3）進(jìn)行發(fā)酵實(shí)驗(yàn)可以提供參考。實(shí)驗(yàn)主要過(guò)程如下：

1）3個(gè)50 mL燒杯分別注入15 mL 10%的葡萄糖溶液、15 mL 1%的淀粉溶液、15 mL 1%的淀粉溶液+5 mL 0.5%的淀粉酶溶液。

2）5 min后，每個(gè)燒杯放入0.5 g鮮酵母塊，用玻璃棒攪拌均勻并分別注入3個(gè)發(fā)酵管中。分別用拇指堵住發(fā)酵管開(kāi)口并倒置，使發(fā)酵管尾部充滿溶液。

3）記下每個(gè)發(fā)酵管中氣體產(chǎn)生量的預(yù)測(cè)結(jié)果。將3個(gè)發(fā)酵管放至37℃恒溫箱中培養(yǎng)。

4）培養(yǎng)開(kāi)始后的 20 min、40 min和 60 min時(shí)分別移出每個(gè)發(fā)酵管，用米尺測(cè)量尾部頂端到液面的距離。

計(jì)算氣體產(chǎn)生量的公式：V=πr2h，π=3.14，r為發(fā)酵管尾部的半徑，即1/2直徑。h為發(fā)酵管尾部頂端到液面的距離。

思考：實(shí)驗(yàn)結(jié)果與你的預(yù)測(cè)結(jié)果一致嗎？如果不一致，推測(cè)原因。哪種氣體積聚在發(fā)酵管尾部？

圖3 座式發(fā)酵管

說(shuō)明：座式發(fā)酵管是檢測(cè)酵母菌和細(xì)菌等微生物發(fā)酵作用及產(chǎn)生氣體的器具。它是一個(gè)U形管，封閉的一側(cè)有刻度，可以讀取產(chǎn)氣量。此器具被廣泛用于測(cè)定產(chǎn)氣量。根據(jù)發(fā)酵管的結(jié)構(gòu)，教師可以嘗試自制，也可購(gòu)買。

4 魚的呼吸實(shí)驗(yàn)的比較

山科版教材“魚的呼吸”實(shí)驗(yàn)是觀察墨汁流動(dòng)與魚的口和鰓蓋后緣交替張合的關(guān)系，理解魚用鰓呼吸?；谶@個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，可以借鑒美國(guó)教材“探究溫度對(duì)生物呼吸作用的影響”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)拓展。

魚的一個(gè)呼吸周期內(nèi)完成與環(huán)境間氣體交換的過(guò)程是：富含溶解氧的水流入魚的口，接著魚的口閉合，水流被壓入并流經(jīng)鰓絲。水中的溶解氧擴(kuò)散到鰓絲的毛細(xì)血管中，進(jìn)入血液。而呼吸作用的產(chǎn)物二氧化碳，則從流經(jīng)鰓絲的血液中擴(kuò)散出來(lái)，進(jìn)入水中。鰓蓋打開(kāi)，富含二氧化碳的水離開(kāi)鰓室，呼吸周期完成。通過(guò)觀察魚類（變溫動(dòng)物）的鰓蓋運(yùn)動(dòng)（即鰓動(dòng)頻率），將確定溫度對(duì)呼吸速率和相關(guān)代謝率的影響（參考表3）。本實(shí)驗(yàn)測(cè)試的假設(shè)是，魚的呼吸速率隨溫度的變化而變化。通過(guò)拓展實(shí)驗(yàn)與日常生活相結(jié)合，可以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，直觀地感知和理解呼吸作用受多種因素的影響。

表3 魚的鰓蓋交替張合隨溫度的變化

5 美國(guó)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)我國(guó)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的啟示

5.1 關(guān)注學(xué)生的生物學(xué)科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng) 從美國(guó)呼吸作用相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)看，非常注重假設(shè)、推理等科學(xué)方法和理性思維能力，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面體現(xiàn)嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)性，例如嚴(yán)密設(shè)計(jì)的對(duì)照實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)中無(wú)關(guān)變量或影響因素的去除或數(shù)據(jù)的修正等。生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是生物學(xué)教學(xué)整體中不可分割的有機(jī)組成部分，對(duì)提升學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)發(fā)揮著重要的作用。在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)中，確立具體、明確、清晰的教學(xué)目標(biāo)是完成教學(xué)任務(wù)、保證教學(xué)質(zhì)量的前提。生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅應(yīng)達(dá)成知識(shí)性的認(rèn)知目標(biāo)，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注科學(xué)方法及各種技能和綜合能力的操作目標(biāo)，以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、實(shí)事求是的工作作風(fēng)和興趣、習(xí)慣等情感目標(biāo)。

5.2 突出科學(xué)探究和基于STEM的教育 從美國(guó)教材幾個(gè)實(shí)驗(yàn)看，教學(xué)中非常關(guān)注學(xué)生科學(xué)探究意識(shí)的培養(yǎng)。例如每個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中首先提出“你的預(yù)測(cè)或假設(shè)是什么”，實(shí)驗(yàn)后討論“是否與你的預(yù)測(cè)和假設(shè)相符，為什么”等。由于發(fā)酵現(xiàn)象在日常生活中常見(jiàn)，發(fā)酵工程在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、食品和環(huán)境中也廣泛應(yīng)用，許多學(xué)生對(duì)親自動(dòng)手制作家庭手工食品如面包、酸奶等非常感興趣，而且有的教師甚至在課堂上指導(dǎo)學(xué)生制作食品。學(xué)生往往會(huì)在應(yīng)用和實(shí)踐中產(chǎn)生生物學(xué)問(wèn)題，例如不同酵母對(duì)面團(tuán)發(fā)酵特性及饅頭品質(zhì)的影響，酵母對(duì)于各種碳水化合物的發(fā)酵性的差異等。教師需要針對(duì)學(xué)生的某些生物學(xué)問(wèn)題進(jìn)行生物學(xué)實(shí)驗(yàn)資源的開(kāi)發(fā)，引領(lǐng)學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究自主解決問(wèn)題。

相比較而言，美國(guó)教材呼吸作用實(shí)驗(yàn)中定量實(shí)驗(yàn)更多，更強(qiáng)調(diào)生物科學(xué)與生活、生物科學(xué)與數(shù)學(xué)、生物科學(xué)與工程等的交叉和綜合，體現(xiàn)了STS和基于STEM教育的理念。例如氣體產(chǎn)生量的計(jì)算、鰓動(dòng)頻率的統(tǒng)計(jì)、氧氣量的曲線圖繪制等的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用的科－數(shù)整合，發(fā)酵工程、食品工程中用到的發(fā)酵管的發(fā)酵檢測(cè)的科－工整合。“科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)”（science，technology，engineering and mathematics，簡(jiǎn)稱 STEM）教育是由美國(guó)發(fā)起、主導(dǎo)并正興盛于世界各國(guó)的一場(chǎng)教育運(yùn)動(dòng)。STEM教育強(qiáng)調(diào)跨學(xué)科、趣味性、體驗(yàn)性、情境性、協(xié)作性、設(shè)計(jì)性、藝術(shù)性、實(shí)證性、技術(shù)增強(qiáng)性9個(gè)核心理念［2］，STEM教育在包括實(shí)驗(yàn)教學(xué)在內(nèi)的教學(xué)實(shí)施中，將多學(xué)科知識(shí)融于有趣、具有挑戰(zhàn)性、與學(xué)生生活相關(guān)的問(wèn)題中?！盎陧?xiàng)目的學(xué)習(xí)”（project－based learning，PBL）為 STEM 常采用的一種教學(xué)策略，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生通過(guò)明確問(wèn)題、設(shè)計(jì)方案、評(píng)估方案、實(shí)施方案、分析數(shù)據(jù)和分享反思等活動(dòng)提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。5.3 注重實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的體系化 中學(xué)生物學(xué)的每個(gè)實(shí)驗(yàn)并不是孤立的，需要從連續(xù)性、系統(tǒng)性的整體角度進(jìn)行課程設(shè)計(jì)與教學(xué)，掌握相關(guān)實(shí)驗(yàn)之間的聯(lián)系和區(qū)別。呼吸作用相關(guān)實(shí)驗(yàn)本身就是一類實(shí)驗(yàn)體系，初中從植物、動(dòng)物、人體和微生物的多個(gè)角度開(kāi)展呼吸作用和呼吸作用影響因素的實(shí)驗(yàn)，高中進(jìn)一步深化開(kāi)展呼吸作用類型即有氧呼吸和無(wú)氧呼吸的實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生系統(tǒng)地理解呼吸現(xiàn)象和呼吸作用的原理、過(guò)程和本質(zhì)，獲得實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、檢測(cè)方法和探究能力、思維能力等的訓(xùn)練，并在科學(xué)精神和科學(xué)態(tài)度方面得以滲透和熏陶。因此，在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)該用系統(tǒng)的思維設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、組織和開(kāi)展不同階段的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，注重實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的體系化。

［1]JamesW Perry，David Morton，Joy B Perry.Laboratory manual for general biology.5th Edition.Belmont：Thomson Wadsworth，2007：131.

［2]余勝泉，胡翔.STEM 教育理念與跨學(xué)科整合模式.開(kāi)放教育研究，2015，21(4)：13.

［3]李雁冰.教育運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)反思與實(shí)踐問(wèn)題.全球教育展望，2014，43(11)：3.

［4]山東科學(xué)技術(shù)出版社.義務(wù)教育教科書（五四學(xué)制）：生物學(xué).濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2012.