李培青　郭军英

摘要 利用pH传感器对酵母茵的细胞呼吸进行实时检测，反应灵敏，现象直观;对得到的数据加以定量分析，可以准确判断细胞呼吸的方式。

关键词 pH传感器酵母菌 细胞呼吸 探究实验

中图分类号G633. 91 文献标志码B

“酵母菌细胞呼吸的方式”是人教版生物《必修1.分子与细胞》第五章第三节中一个重要的探究性实验。酵母菌的细胞呼吸是一个温和的过程，释放产物CO2比较缓慢，如果用教材推荐的澄清石灰水检测CO2耗时较长，且现象不够明显。笔者指导学生借助pH传感器检测因通入CO2而引起Na2CO3溶液的pH灵敏变化，探究细胞呼吸的方式，进而加深学生对细胞呼吸本质的理解。

1 实验背景分析

1.1数字化手段与生物教学的融合

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》明确指出：高中生物课程应关注信息化环境下的教学改革，及时更新教学内容和手段。利用数字化手段为学生的生物学习搭建新的平台，营造新的学习环境，丰富传统实验教学，优化教学环节，有利于引发学生的再思考。数字化信息技术与学科教学的整合已是学术界和教学实践过程中专家和教师公认的基本理念。借助数字化手段进行探究活动带来的不仅仅是一种经历和体验，更多的是带给学生深度学习的思考与成长。

1.2 生物传感器

生物传感器原理是以酶、细胞等生物活性材料为感知元件，通过换能器将生物反应的信息转化成可定量识别的数字信号。生物传感器具有特异性强、灵敏度高、简单快速等优势，在食品分析、环境监测等领域应用广阔。教师借助现代化实验技术，可以使枯燥的实验过程变得有趣，有利于提高实验教学效率，培养学生的主动探索、自主探究的创新能力。然而大量的随机访谈结果表明，很多学生没有使用过传感器。

1.3 pH传感器

生物传感器种类较多，如温度传感器、CO2传感器、O2传感器在实验教学案例中已有应用。本实验尝试借助pH传感器检测因通入CO2而引起Na2CO3溶液的pH变化。饱和的Na2CO3呈碱性，当CO2通入饱和的Na2CO3溶液中会发生反应：CO2+Na2CO3+H2O=2NaHCO3。由于NaHCO3的水解程度小于Na2CO3的水解，所以H+浓度增多，故生成的NaHCO3溶液pH减小。实验证明，该装置反应灵敏，直观简洁，可视性强。

2 实验探究过程

2.1 材料与装备

发酵瓶、锥形瓶、烧杯、量筒、市售安琪酵母、蒸馏水、NaOH溶液、饱和Na2CO3溶液、缓冲液（pH 8.0）、精密pH仪、北京友高（YOCO）超级数据采集器、pH传感器等。

2.2 设计探究清单

针对本探究实验设计切实可行的探究方案，讨论斟酌并最终确定探究清单，既激发学生主动参与意识，又发展学生的科学探究素养。

2.3 连接装置

教师指导学生连接两组细胞呼吸装置（图1），连接pH传感器，检查密封性，调试传感器。

2.4 开始预实验

配制酵母菌培养液，在A、B瓶的右侧都连接装有饱和Na2CO3溶液，并连接pH传感器测量端的广口瓶，在B瓶左侧连接有NaOH溶液的广口瓶，并不断通入空气。打开采集器电源，将pH传感器与数据采集器相连。在pH为8.0的缓冲溶液中对pH传感器进行校正，同时借助精密pH仪进行验证，确保初始值的精确度。pH传感器设置为每1秒读取1次数值（另有小组设置为每5秒读取1次数值），数据采集10 min。

2.5 采集数据

单击记录数据，计算机数据采集器开始记录Na2CO3溶液的pH变化。经过一段时间的实验后，待pH曲线出现明显变化后单击停止记录。利用计算机强大的数据处理功能绘制曲线，通过数字和图表等直观数据的分析来准确反映定量实验的结果。

3 结果与分析

3.1 实验结果

借助友高数字化实验系统的数据处理功能自动生成时间-pH变化曲线（图2、图3），可以直观呈现酵母菌在有氧和无氧条件下的CO2生成量存在差别，下面的蓝色曲线（有氧条件）下降相对更为明显。在实验初始阶段酵母菌呼吸产生的CO2使得Na2CO3溶液pH值下降，后来都趋于稳定。

3.2 实验分析

酵母菌的细胞呼吸是一个温和缓慢的过程，其中微弱的、瞬时的物质变化可被灵敏的pH传感器以电信号形式显示，使实验结果量化。本探究实验设置了两组读取参数，即每Is读取1次数值和每5s读取1次数值。在相同的时间（10 min）内.两组探究实验读取的次数不同，但是图2和图3中呈现的两种呼吸方式所引起的pH变化曲线几乎一致。这说明在无关变量相同且适宜的条件下，有氧呼吸比无氧呼吸引起的pH变化更明显，而与读取参数的设置无关。此外，外界的温度、酵母菌的数量、葡萄糖的含量、饱和Na2CO3溶液的体积都会影响数据采集的有效时长。

4 实验创新感悟

本探究实验结合学校的优势和教学的需要，將pH传感器与数字化系统有机结合，改进实验教学手段，实现了信息技术与生物学实验整合的突破，满足了学生的学习需求，符合学生中心理论。

在中学教材中酵母菌的细胞呼吸实验属于定性实验，本探究实验借助pH传感器能轻易地根据pH变化做出准确的判断，使学生领略到定量试验在科学探究中的重要性。此外，学生能直观感受pH传感器持续检测的精确度高，利用计算机处理大量数据，定量分析更加科学。

研究性学习小组全程参与，学生学在其中，从设计探究清单、掌握传感器的功能、硬件连接方式、数据分析软件的使用等，并对获得的信息进行加工和应用，所以本探究实验的开展，不仅能有效促进实验教学，培养学生的主动探索，自主探究的创新能力，还能进一步培养学生的获取信息素养，也符合STEM课程的教学理念。

参考文献：

[1]吕涛.基于数字化环境与技术支持的实验探究[J].中学生物教学，2017，（1-2）：4-6.

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