张欣欣 李明娥

（1北京市延庆区第五中学 北京 102100 2北京市延庆区教育科学研究中心 北京 102100）

《普通高中生物课程标准》中关于“探究细胞呼吸的原理及应用”的要求需达到理解水平［1］，受学生认知程度和生活常识的限制，对于细胞呼吸的应用不能更好地理解，课程的基本理念要求以实验探究为主线，注重与实际生活相联系，而“影响细胞呼吸的因素”实验探究分析有助于学生理解细胞呼吸的应用，同时该实验是新课程标准下增设的一个重要实验，在对传统实验分析的基础上对实验装置进行改进，实验过程既培养了学生动手操作能力、综合分析能力，又有助于学生创新思维的形成。

1 实验原理

通过记录装有菌液的气球随时间的变化使烧杯中溶液液面高度发生变化，反映菌体细胞呼吸的类型和产生气体体积的变化。

2 实验用具及材料

酵母菌、乳酸菌、葡萄糖，蒸馏水，水浴锅、气球、气门、气针、烧杯、量筒、玻璃棒、温度计、直尺、改良的注射器20mL（注射器去针头后与气针链接，用封口膜封住连接处）、改良的气塞（气塞中间打孔后塞进气门）（图1）。

图1 改良的实验用具

3 实验方案的优化

3.1 实验操作步骤

1）配置100 mL 5%的葡萄糖溶液置于200 mL的烧杯中，然后置于40℃的水浴锅中水浴使葡萄糖溶液温度达到40℃（温度计测量）。

2）将1 g酵母菌溶解于100 mL 5%的葡萄糖溶液中，搅拌均匀，使酵母菌活化，配制成酵母菌培养液（相同温度水浴）。

3）用改良后的注射器将100 mL酵母菌培养液注入安装好改良气塞的气球（内加重物，如砝码）中，排净气球内的气体后用细线封口。

4）做好的装有酵母菌培养液的气球，放入在40℃水浴锅中水浴的烧杯中，烧杯外壁粘一直尺（图2），记录初始的液面高度，并每间隔 1 min记录一次液面高度，绘制坐标曲线。

图2 实验装置

3.2 实验探究因素

1）用上述同样的方法验证乳酸菌、醋酸菌无氧呼吸产物。

2）通过改变水浴锅的温度可探究温度对细胞呼吸的影响。

4 实验结果及分析

图3 酵母菌的细胞呼吸

图3是温度在40℃条件下，随时间变化该装置中液面上升的高度情况的3组重复实验，由实验数据可知，3~4 min液面高度不变，分析此时间段内酵母菌培养液中含有溶解氧，酵母菌进行有氧呼吸，吸入的O2体积与释放的CO2体积相同，故液面高度无变化；3~7 min液面高度开始缓慢上升，因O2含量逐渐减少，酵母菌有氧呼吸减弱，无氧呼吸开始并逐渐增强；7 min以后酵母菌完全进行无氧呼吸，产生酒精和CO2。这样可分析随着O2浓度减少，酵母菌呼吸类型是如何转变的，为以往实验方法的逆向分析。

图4 温度对酵母菌呼吸速率的影响

图4研究温度对酵母菌呼吸速率的影响，分别为室温、40℃、60℃条件下，从图中可知40℃时液面上升高度最快，此温度下酵母菌呼吸速率最大，若想确定酵母菌呼吸的最适温度，可逐步缩小温度差进行确认。

5 实验创新点

以影响细胞呼吸的因素之一O2浓度为例，教材中没有提供该实验的实验原理、相关的参考资料，而相关的教辅资料中会涉及到O2浓度对酵母菌呼吸类型影响的实验（图5），该实验对学生理解酵母菌的代谢类型，分析O2浓度对细胞呼吸的影响有重要作用，在教学调研中发现，许多教师对该实验教学仅存留在挖掘材料中相关生物学认识的层面上，有的根本不组织学生做该实验，只是带着学生读教材、做习题而已。一是该实验所需的实验装置难以解决，一些学校实验室不具备实验所需的O2传感器和CO2传感器；二是该实验完成时间长，操作步骤繁琐，因此受课时的限制，许多教师在保证完成教学任务的前提下选择不做实验。

图5 O2浓度对酵母菌呼吸类型的影响［5］

本实验应用改进装置对酵母菌呼吸方式的探究进行定量分析，虽然实验材料、器具简单，但观察更直观，检测手段更加可行，极大缩短了实验时间。一个装置可探究不同因素对不同实验材料细胞呼吸的影响：①探究温度对呼吸速率的影响；②探究O2浓度对呼吸速率的影响；③探究不同菌种的呼吸代谢类型（乳酸菌、醋酸菌）。能让学生更好地理解实验原理，有助于培养学生的动手操作能力和综合分析能力。

6 实验注意事项

1）实验前要先检查气球的密闭情况，避免实验过程中出现漏液、漏气现象；

2）往气球内注射酵母菌培养液，拔出气针时要注意气门是否闭合；

3）酵母菌呼吸产生气体后气球会浮出水面，注意加重物质量；

4）受视觉状况影响，不同人读取数据的标准不同，要注意读数的准确性。

7 实验教学传递的重要概念

本节内容从《普通高中生物课程标准》的内容标准看，属于“细胞的代谢”主题，具体要求为：说明细胞呼吸，探究其原理和应用［1］。实验教学的开展有助于学生更好地理解主动运输、新陈代谢与ATP等与该部分内容有密切联系的知识，为学生学习其他生命活动及规律奠定基础。对学生理解细胞呼吸的类型及关系有所帮助，更能联系实际生活，学会运用细胞呼吸原理解决生活中一些简单的生物学问题。

细胞呼吸是一个微观的化学反应过程，本实验应用简单的改进装置帮助学生分析影响细胞呼吸的因素，将微观的变化通过更加简便的宏观方式加以体现，帮助学生增强感性认识，在教学中通过组织探究性学习活动，设置对照实验、控制单一变量原则等，学生明确实验设计原理，领悟科学研究的方法并习得相关的操作技能，从而培养生物学科学素养和实验创新精神。