廣東省中山市小欖中學(xué) 杜 倩

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》教學(xué)建議指出，教師在完成教學(xué)任務(wù)時(shí)要高度關(guān)注生物學(xué)核心素養(yǎng)的達(dá)成。落實(shí)核心素養(yǎng)的關(guān)鍵是組織以探究為特點(diǎn)的主動(dòng)學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是開展探究活動(dòng)的重要載體，也是落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑。目前，多數(shù)生物學(xué)教師在一線教學(xué)過程中，因?qū)嶒?yàn)效果差、實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)施不健全和課時(shí)緊張等因素影響，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)多以講述實(shí)驗(yàn)過程和觀看演示實(shí)驗(yàn)視頻為主，較少組織學(xué)生親歷實(shí)驗(yàn)，造成實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不明顯，核心素養(yǎng)落實(shí)不到位。通過對(duì)高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，帶領(lǐng)學(xué)生主動(dòng)參與實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，開展探究活動(dòng)，可更顯著提高教學(xué)效果。筆者以“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”為例，探討基于生物學(xué)核心素養(yǎng)的高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和創(chuàng)新。

一、實(shí)驗(yàn)背景介紹

（一）教材的分析與參考案例的不足

“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”是人教版普通高中教科書《生物學(xué)》必修一第5章第3節(jié)細(xì)胞呼吸的原理和應(yīng)用“探究·實(shí)踐”的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)探究對(duì)開展教學(xué)有一定的難度，教材提供的參考案例操作難度較大，耗時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)，一個(gè)課時(shí)內(nèi)往往難以完成，同時(shí)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)通過講解即可讓學(xué)生理解。因此許多一線教師取消了本實(shí)驗(yàn)的動(dòng)手操作，以講授的方式一帶而過，使學(xué)生對(duì)酵母菌細(xì)胞呼吸作用的理解以及應(yīng)用該原理解決實(shí)際問題的能力受到一定程度的影響。

（二）改進(jìn)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)核心素養(yǎng)的達(dá)成

筆者通過對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、材料、方法、裝置等方面進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，在教學(xué)實(shí)施過程中，以學(xué)生主動(dòng)參與設(shè)計(jì)和小組合作探究為主線，引導(dǎo)學(xué)生通過觀察現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)問題到提出假設(shè)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出結(jié)論等步驟與小組同學(xué)合作和交流，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

（1）生命觀念：學(xué)生在理解細(xì)胞呼吸的方式及結(jié)果的同時(shí)，形成結(jié)構(gòu)與功能觀、物質(zhì)與能量觀。

（2）科學(xué)思維：本實(shí)驗(yàn)通過將定性實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為定性定量實(shí)驗(yàn)后，讓學(xué)生學(xué)會(huì)變量分析，能運(yùn)用合適的方法處理解釋數(shù)據(jù)，訓(xùn)練學(xué)生演繹與推理能力、歸納與概括能力。

（3）科學(xué)探究：在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上善于發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，并進(jìn)一步做出合理的改進(jìn)措施。

（4）社會(huì)責(zé)任：進(jìn)一步增進(jìn)學(xué)生對(duì)生命的認(rèn)識(shí)，同時(shí)關(guān)注微生物在生產(chǎn)實(shí)踐的應(yīng)用，更好地用科學(xué)知識(shí)指導(dǎo)生活。

二、實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新

（一）設(shè)計(jì)創(chuàng)新

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)：對(duì)酵母菌細(xì)胞呼吸的產(chǎn)物進(jìn)行定性分析，簡(jiǎn)單驗(yàn)證細(xì)胞呼吸產(chǎn)物的生成，難以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，拓展學(xué)生的科學(xué)思維。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)：改進(jìn)為定性定量實(shí)驗(yàn)，拓展了實(shí)驗(yàn)的寬度和深度，不僅使學(xué)生對(duì)呼吸作用有了更深刻的理解，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，還更適應(yīng)高考題目中的呼吸作用的實(shí)驗(yàn)探究類題目。

（二）材料創(chuàng)新

傳統(tǒng)材料：食用酵母具有價(jià)格高、易腐爛、發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，因此開展實(shí)驗(yàn)不方便。

創(chuàng)新材料：將干酵母粉活化后制取酵母培養(yǎng)液開展實(shí)驗(yàn)，材料易得，價(jià)格便宜，可在短時(shí)間內(nèi)發(fā)酵完成，同時(shí)聯(lián)系生活實(shí)際，吸引學(xué)生的興趣。

（三）方法創(chuàng)新

傳統(tǒng)方法：使用10%的NaOH溶液過濾空氣中的CO2來提供酵母菌細(xì)胞有氧呼吸所需的氧氣。這種方法可能導(dǎo)致CO2過濾不徹底從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果；使用酸性的重鉻酸鉀溶液檢測(cè)酒精，但未分解完全的葡萄糖也會(huì)使酒精變色，從而出現(xiàn)假陽性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

創(chuàng)新方法：通過FeCl3催化H2O2分解的方法制取氧氣；利用酒精加熱易揮發(fā)的性質(zhì)使用呼氣式酒精檢測(cè)儀檢測(cè)無氧呼吸產(chǎn)生的酒精。該方法增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)密性和完整性，體現(xiàn)了學(xué)科融合的教育理念。

（四）裝置創(chuàng)新

傳統(tǒng)裝置：使用錐形瓶等裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，需要大量的實(shí)驗(yàn)材料且耗時(shí)較長(zhǎng)，對(duì)高中實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)的開展難度較高。

創(chuàng)新裝置：使用注射器和輸液管等生活中常見的物品組裝實(shí)驗(yàn)儀器，具有操作簡(jiǎn)單、用時(shí)少及易于推廣的優(yōu)點(diǎn)。

本方法用到的實(shí)驗(yàn)裝置有如下幾種。

1．定性實(shí)驗(yàn)檢測(cè)裝置（圖1、圖2）

圖1 有氧呼吸定性裝置

圖2 無氧呼吸定性裝置

有氧呼吸定性實(shí)驗(yàn)裝置：由兩個(gè)60 mL輸液管（A1管、A2管）、一個(gè)帶調(diào)節(jié)器的輸液管和一個(gè)試管（A3管）組成。通過輸液管連通兩個(gè)注射器。無氧呼吸定性裝置：由一個(gè)輸液管（B1管）、一個(gè)帶調(diào)節(jié)器的輸液管和一個(gè)試管（B2管）組成。直接將輸液管的另一端伸進(jìn)B2管中。

呼吸作用產(chǎn)生的酒精，可通過酒精燈加熱使反應(yīng)液中的酒精揮發(fā)，使用呼氣式酒精檢測(cè)儀可檢測(cè)酒精含量（圖3）。

圖3 酒精檢測(cè)裝置

2．定量實(shí)驗(yàn)檢測(cè)裝置（圖4、圖5）

圖4 有氧呼吸定量裝置

圖5 無氧呼吸定量裝置

細(xì)胞呼吸的定量實(shí)驗(yàn)裝置與定性實(shí)驗(yàn)裝置原理一致，但將兩個(gè)試管調(diào)整為兩個(gè)注射器，且C3管內(nèi)裝有30 mL的NaOH溶液。

三、教學(xué)過程的實(shí)施

（一）課前準(zhǔn)備

觀看傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作視頻，參考教材案例的說明，查閱相關(guān)資料，提出問題：實(shí)驗(yàn)方案是否嚴(yán)謹(jǐn)？有無更加科學(xué)、精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)方案？學(xué)生通過思考總結(jié)，商討研究完成實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與改進(jìn)，同時(shí)教師對(duì)學(xué)生的方案進(jìn)行科學(xué)性指導(dǎo)。

（二）課堂探究

結(jié)合課前預(yù)習(xí)和制訂的探究方案，分兩個(gè)大組開展探究。各小組交流討論，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

探究一：定性實(shí)驗(yàn)——探究細(xì)胞呼吸的產(chǎn)物

學(xué)生根據(jù)定性實(shí)驗(yàn)檢測(cè)裝置的原理來開展探究實(shí)驗(yàn)：首先關(guān)閉調(diào)節(jié)器1，在A1管中制氧（加入5 mL H2O2溶液和10滴FeCl3溶液），A2管中加入5 mL酵母菌培養(yǎng)液。A1管反應(yīng)完成后打開調(diào)節(jié)器1，將產(chǎn)生的氣體推入A2管內(nèi)，關(guān)閉調(diào)節(jié)器反應(yīng)5分鐘后，在A3管中加入5 mL澄清石灰水溶液，取下A1管的連接口接入A3管內(nèi)，同時(shí)打開調(diào)節(jié)器1，將A2管內(nèi)的氣體推入A3管中，可觀察到A3管中溶液變渾濁。

無氧呼吸定性實(shí)驗(yàn)裝置：關(guān)閉調(diào)節(jié)器2，B1管內(nèi)加入5 mL酵母菌培養(yǎng)液，B2管內(nèi)加入5 mL澄清石灰水溶液，反應(yīng)5分鐘后打開調(diào)節(jié)器1，將其中產(chǎn)生的氣體推入B2管內(nèi)，可觀察到B2管中溶液變渾濁。呼氣式酒精檢測(cè)儀上的讀數(shù)表示酒精的含量。整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄，見表1。

表1 探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式的結(jié)果記錄

探究二：定量實(shí)驗(yàn)——有氧呼吸和無氧呼吸產(chǎn)生CO2量的關(guān)系分析

學(xué)生根據(jù)定量實(shí)驗(yàn)檢測(cè)裝置的原理來開展探究實(shí)驗(yàn)：與定性實(shí)驗(yàn)裝置方法過程一致。首先記錄參與兩個(gè)反應(yīng)裝置的氣體體積a1、a2；待有氧呼吸結(jié)束后，將兩個(gè)裝置反應(yīng)產(chǎn)生的全部氣體轉(zhuǎn)移至C3管、D2管內(nèi)，記錄此時(shí)氣體體積b1、b2；NaOH溶液會(huì)吸收反應(yīng)產(chǎn)生的CO2，反應(yīng)結(jié)束后記錄C3管內(nèi)氣體體積c1，其中b1－c1即為有氧呼吸產(chǎn)生的CO2量，b2為無氧呼吸產(chǎn)生的CO2量。為減小實(shí)驗(yàn)誤差，應(yīng)遵循實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的平行重復(fù)原則，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后取平均值。整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄，見表2。

表2 探究酵母菌細(xì)胞有不同呼吸方式產(chǎn)生CO2量的結(jié)果記錄

各小組派代表匯報(bào)結(jié)果，班級(jí)進(jìn)行討論互評(píng)。教師強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題及注意事項(xiàng)，并對(duì)呼吸作用的知識(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐卣狗治?，?duì)有氧呼吸和無氧呼吸的關(guān)系進(jìn)行解釋分析。

（三）課堂延伸

由于課堂教學(xué)時(shí)間有限，學(xué)生可以結(jié)合課堂經(jīng)驗(yàn)，在課后進(jìn)行進(jìn)一步探究如下問題。

（1）氧氣濃度越高，酵母菌細(xì)胞呼吸產(chǎn)生的CO2越多？

（2）氧氣影響酵母菌的細(xì)胞呼吸，除此之外還有哪些因素可影響：CO2，溫度等？

（3）發(fā)酵時(shí)，利用酵母菌的特性如何控制氧氣使葡萄酒的釀制更加成功？

四、評(píng)價(jià)與反思

（一）教學(xué)評(píng)價(jià)

從學(xué)生的課堂表現(xiàn)以及操作的規(guī)范性、方案的嚴(yán)謹(jǐn)性、結(jié)果的科學(xué)性來看，本節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在完成基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)的同時(shí)，加深拓展了知識(shí)的理解和探究。

本節(jié)課堂設(shè)計(jì)合理，根據(jù)問題導(dǎo)學(xué)法和“假說演繹法”引導(dǎo)學(xué)生提出問題，并嘗試設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)解決問題，幫助學(xué)生形成科學(xué)的學(xué)習(xí)習(xí)慣和思維。這對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)其他文化科目及長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展都具有一定的積極影響。

（二）教學(xué)反思

筆者通過對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、材料、方法、裝置等方面進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，利用物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的儀器方法、思維等多個(gè)方面進(jìn)行學(xué)科借鑒融合，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)密性和完整性，提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信性。

本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的最大亮點(diǎn)是在原定性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，加入了探究性更強(qiáng)的定量實(shí)驗(yàn)，拓展了實(shí)驗(yàn)的深度和寬度，通過數(shù)據(jù)的定量分析，使學(xué)生理性思維得以發(fā)展，科學(xué)探究能力進(jìn)一步提升。