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1、酵母菌发酵实验的方案改进和教学实施摘要:本文利用“三通”接头、注射器等器材制造了2个简易的“酵母菌发酵实验装置。实验课堂教学实践表明,该装置用于“酵母菌发酵相关实验,既便于直观定性的感知酵母发酵实验现象的变化,也可定量的检测发酵产物的生成量,有利于落实课标中提出的实验教学目标。关键词:发酵酵母菌实验创新引言:义务教育生物学课程标准(2021年征求意见稿)的教学建议中提出:应当鼓励学生参与教学设计,创造性地设计低成本、易于操作的实验;安排学生主动获取证据,如实记录数据,作出判断;重视培养学生通过文字描述、数据表格、图形等方式完成报告,通过做中学落实教学目标。普通高中生物学课程标准(2017年版,
2、2020年修订)的教学建议中提到:加强和完善生物学实验教学。鼓励设计低成本的教学实验,在重视定性实验的同时,也应重视定量实验,让学生在量的变化中了解事物的本质。教师应给学生提供机会学习生物学研究中的测量方法,实事求是地记录、整理和分析实验数据,定量表述实验结果等。可见,加强和完善生物学教学是落实生物学概念教学,培养学生科学思维和科学探究能力的重要途径。酵母菌的发酵或无氧呼吸实验是中学生物教学中一个重要实验,但无论在初中的“探究酵母菌发酵现象”实验中,还是在高中的“探究酵母菌的无氧呼吸实验中,都存在两个问题,一是完全无氧条件的创造难以保证,导致结果不易解释,二是难以定量检测酵母菌发酵产物的产生量
3、。鉴于此,依据课程标准的实验教学建议,本文制造了2个简易“酵母菌发酵”装置,创新了2个实验方案,通过课堂实验教学实践,落实上述课标中提出的实验教学目标,供师生参考。1探究酵母菌发酵产物的实验创新方案一1.1 实验材料塑料瓶、量筒、“三通、橡皮塞、气球、软管、夹子、注射器、乙醇传感器、澄清石灰水、蒸储水、干酵母、10%葡萄糖溶液。1.2 实验步骤(1)装置的制备:选取2个塑料瓶,分别贴上A、B两个标签。在2个塑料瓶瓶口各加一个“三通,三通的上方各套一个气球,另一端塞上已插入输液器的橡皮塞,并用夹子夹住软管。(2)发酵:在2个瓶中分别加入10%的IoOml葡萄糖溶液,在A瓶中加入5克酵母菌。将装置
4、放于室温环境中发酵20分钟。(3)二氧化碳的检测:观察气球体积的变化,用两支注射器分别吸取2ml澄清石灰水,再从相应的瓶中分别吸取8ml气体,振荡,观察现象。(4)乙醇的检测:取下气球,连接乙醇传感器,检测乙醇含量;同时,感知乙醇的有无。1.3实验结果观察发酵装置中气球的体积变化,可见与A瓶连接的气球逐渐膨胀,而与B瓶连接的气球内气体体积并无变化,这说明酵母菌发酵过程中有气体产生。发酵20分钟后,用与“三通”连接的注射器抽取等量8ml气体,与注射器中的澄清石灰水混合,可以发现,与A瓶连接的注射器中澄清石灰水变得混浊,而与B瓶连接的注射器中的澄清石灰水无明显变化,说明发酵过程中产生的气体为二氧化
5、碳。取下气球,将乙醇传感器分别插入发酵液瓶中,显示A瓶中的乙醇含量为0.238%,B瓶中的含量为0.008%(B瓶中理论值应为0,受限于乙醇传感器的灵敏度,应为实验误差),说明酵母发酵过程中产生了乙醇。移走乙醇传感器,直接感知乙醇挥发的气味,可以闻到A中有乙醇的气味,而B瓶中没有乙醇的气味。1.4实验的创新点在发酵的塑料瓶口连接“三通,再连接气球和注射器,这种装置的优点是,一方面通过观察气球的体积变化,可直观的感知生物发酵中气体的产生;另一方面通过注射器定量抽取气体,与澄清石灰水相混合,观察澄清石灰水的浑浊程度,可初步定量检测发酵中二氧化碳的产生量。此外,该装置去掉气球后,既可直接感知乙醇的气
6、味,也可直接连接乙醇传感器,装置和传感器之间吻合度及气密性好,便于乙醇检测。因此,该实验装置,既可通过定性的直观感知发酵产物,也可“定量的检测发酵产物的生成量。2探究酵母菌发酵产物的实验创新方案二在上述方案一装置中,有明显的优点,但由于塑料瓶体积大,发酵时,瓶内氧气对发酵产物会有影响。为了解决这个问题,我们利用注射器易于创造无氧环境,并带有体积刻度的优势,改进了实验方案,取得了良好的效果。下面以“探究温度对酵母发酵的影响为例,说明装置的使用。2.1实验材料量筒、天平、注射器、橡皮塞、恒温水浴锅、乙醇传感器、干酵母、葡萄糖溶液、蒸储水、冰块。2.2实验步骤(1)装置的制备:取30支注射器各吸取I
7、Oml含酵母菌的葡萄糖培养液,用橡皮塞堵住注射器的乳头口,分为10组,每组3支。(2)发酵:将10组注射器分别置于冰水(0)、20、25、30、35、OoCs45、50、55、60的恒温水浴锅中水浴15分钟。(3)二氧化碳的检测:观察注射器的气体体积刻度变化,记录产生的气体体积,计算出平均值。将注射器中产生的气体注入2ml澄清石灰水中,比较澄清石灰水变浑浊的程度。(4)乙醇的检测:拔出注射器活塞,将注射器放在烧杯中固定,连接乙醇传感器,测定发酵液中的乙醇含量。2.3实验结果在发酵过程中,可以观察各注射器中气体体积刻度的变化,表明发酵过程有气体的产生;比较不同温度中注射器气体体积刻度的差异,可以
8、比较不同温度下酵母菌的发酵强度,如本实验采用的酵母菌的适宜发酵温度约在45左右。将注射器中产生的气体,注入澄清石灰水中,可以看出澄清石灰水变浑浊,说明酵母发酵时有二氧化碳产物的生成。乙醇传感器检测结果表明,45温度下,15分钟后,酵母发酵液中乙醇含量达1.36%,高于其他温度下发酵的酒精含量,也可闻出酒精含量的差异。2.4实验的创新点用橡皮塞密封注射器乳头口,直接制造出发酵装置,这种发酵装置有如下优点:一是装置气密性好,易于创造发酵的无氧环境,发酵产生的气体量可通过观察注射器上的刻度线直接读出;二是装置易与乙醇传感器连接,操作方便;三是装置适于探究不同的因素对酵母发酵的影响,如探究温度、pH、
9、糖浓度等因素对酵母发酵的影响;四是制造装置的材料易获取、价格便宜,适于中学生做实验。3教学建议与总结实验课堂教学显示,在一个课时内可以完整地开展上述两个创新实验。基于课标的建议和课堂教学实践,我们提出以下教学建议:一是在实验课堂教学时,首先教师应引导学生讨论自变量、无关变量和环境的控制,以及因变量的检测方法,比如如何控制温度和无氧环境,如何科学地定性和定量检测CO和乙醇等,共同设计合理的实验方案,避免直接告知学生实验程序和实验结论,培养学生创新精神和科学探究的实验设计能力;二是在实验操作阶段,鼓励小组分工合作,规范地使用实验仪器,引导学生注意观察实验现象,如实记录实验结果,科学处理实验数据,绘制数据图,如分组探究不同温度对酵母菌发酵的影响,对乙醇传感器测定的数据进行科学处理等,培养学生的科学思维能力、动手实践操作能力和合作精神;三是实验结束后,引导学生互相交流,对实验现象、数据和结果进行科学的解释,形成实验报告,培养学生总结、归纳能力和解释问题的能力,也落实了发酵概念的教学。因此,本次实验课堂教学的开展,融合了启发式、探究式、参与式、合作式等教学方式,融合运用了传统和现代技术手段,对学生的生物学科素养发展具有明显的促进作用。参考文献1普通高中生物学课程标准(2017年版,2020年修订).北京:人民教育出版社,2020:59