人教版高中《生物必修1》第五章第三节探究酶母菌细胞的呼吸方式

基于STEM视野下的实验教学探究酵母菌细胞呼吸的方式遵义市南白中学 叶克姣 一、使用教材人教版高中生物必修1第五章第三节。二、实验器材自制教具：亚克力板。安琪干酵母、碳酸氢钙、氢氧化钠、酸性重铬酸钾、葡萄糖、煮沸冷却的水、注射器、过氧化氢、新鲜土豆、石蜡油、锥形瓶、酒精检测仪、二氧化碳传感器。气态酒精传感器、氧气传感器、平底三口烧瓶、铁架台、磁力搅拌器（酵母菌充分反应）。三、实验创新要求/改进要点第一代注射器装置操作简单效果明显，便于携带；第二代装置采用土豆与过氧化氢供氧、石蜡油油封、传感器检测二氧化碳、酒精检测仪检测酒精、装置连接采用乳胶管，这些改进效果明显，且改进过程需要各学科知识，可有效提高学生学科整合能力；第三代装置采用三种传感器快速精确探究酵母菌呼吸方式，让学生体会学科交叉的同时感叹技术对于科学研究的重要性；将三代装置合在一起，让学生一起探究，体验由传统到现代，有定性到定量，由分开检测到所有数据全部完成的过程，培养学生理性思维、科学探究的能力。开发的产品装置不仅可在实验室大面积使用，还可在教室里作为演示实验，并将数据显示转播到多媒体，直观明显，高效突破本节教学重难点，可操作性强。该装置可还用于不同因素对酵母菌呼吸速率影响的探究，适用范围广。四、实验原理/实验设计思路以STEM教学为理论基础，引导学生开发设计了三代探究酵母菌细胞呼吸的方式的装置，学生通过三代装置的探究能将科学、技术、工程、数学进行有机整合，以此实现核心素养的达成。五、实验教学目标（1）知识与能力知道生物进行有氧呼吸和无氧呼吸的条件和产物，掌握对比试验的设计方法。培养学生实验设计能力、探究能力、数据处理与分析能力、合作交流自主学习能力。（2）过程与方法通过开发设计三种实验装置的过程，学会将科学技术工程数学有机整合。通过对实验过程中数据获取与分析，掌握数据处理和分析的一般方法。（3）情感、态度与价值观目标通过设计装置的过程，认同技术在科学发展中的重要性。通过实验活动的开展，体验质疑、创新和实践的科学品质。六、实验教学内容教材安排“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验，旨在让学生认识到有氧和无氧呼吸的条件和产物，为后面学习“细胞呼吸的过程做好铺垫，介绍探究实验的一般思路和方法、酵母菌细胞呼吸有氧和无氧条件的控制以及产物的检测方法、对比实验的概念。本节实验教学旨在让学生亲历探究历程，改进实验装置高效完成实验，并通过现代技术对结果进行原因分析，认识生命的本质。七、实验教学过程1、教师引导提出问题，导入新课通过面包松软，甜米酒的酿制，导入新课，学生提出问题，酵母菌生活会产生气体和酒精？考虑到大部分同学都没做过面包酿制过米酒，课前我以任务卡的形式要求学生以小组为单位完成发面：2、合作探究，改进装置（1）用注射器定性检测酒精，定量检测二氧化碳实验用具及装置引导学生自主探究教师提出要求，再请同学们思考问题1：怎样设置有氧和无氧环境？问题2：怎样制备不含二氧化碳的空气？问题3：怎样检测二氧化碳和酒精？问题4：定量分析二氧化碳的生成量和葡萄糖的消耗量？设计意图：通过改进装置，引导学生思考进行实验，实验时间短，效果明显；培养学生科学探究、理性思维和社会责任，引导学生分析实验结果、处理数据，找出背后的原因，科学、数学有机整合，并迫切想找出解决问题的方法，为下一步装置改进埋下伏笔。优点：注射器装置操作简单，效果明显，还可以根据针筒活塞的移动定量检测生成的二氧化碳量和葡萄糖的消耗量，由定性实验转变为定量实验，而且整个实验不到20分钟就能完成，可操作性强，学生有激情。不足：酒精检测用酸性重铬酸钾不妥，因为使其变色的不只有酒精，还有葡萄糖、干酵母中的SMS；而且根据查阅资料酵母菌需在持续供氧的条件才能连续进行有氧呼吸，因此有氧组检测出的二氧化碳不精确。教师提问：问题1：怎样准确检测酒精？问题2：怎样控制有氧条件，使有氧组连续有氧？学生思考回答：交警所用的酒精检测仪可定量检测酒精含量，还可避免其他物质的干扰；有氧组采用土豆（含丰富的过氧化氢酶）分解过氧化氢分解来连续供氧。教师补充：学校实验室传感器定量检测二氧化碳的量及生成的速率、无氧组采用石蜡油油封、有氧和无氧均采用煮沸冷却的水，减少溶解氧的量。（2）传感器定量检测二氧化碳和酒精检测仪定量检测酒精无氧组 有氧组 酒精检测引导学生自主探究问题1：分析电脑终端显示有氧组和无氧组二氧化碳含量变化？问题2：比较分析酒精检测仪上显示有氧组和无氧组的酒精含量？问题3：通过两组数据分析对比得出酵母菌有氧和无氧呼吸产物含量变化规律，并换算出葡萄糖的消耗量？设计意图：通过进一步改进装置，引导学生思考进行实验，并对实验数据进行详细对比分析，总结出有氧和无氧呼吸产物含量变化规律。实现科学、数学、现代技术有机整合，培养学生科学探究、理性思维，从数据中得出生命规律。优点：该装置反应速度快，效果明显，对二氧化碳含量用传感器检测，酒精含量用酒精检测仪。无氧组采用石蜡油油封比教材实验放置一段时间更加精确，确保酵母菌完全进行无氧呼吸，有氧组使用过氧化氢连续供氧获得纯氧，既保证反应过程中氧气充足又减少用氢氧化钠除去二氧化碳的操作，使装置连接更简单。不足：该实验需要连接几个装置，使其准备工作相对繁琐；同时使用酒精检测仪测量的酒精范围值较低，而且显示时间只有10秒便会自动关机，需要重复多次测量，不好计数。教师提问：问题1：怎样方便又准确检测酒精？问题2：怎样使装置连接更简单？问题3：设计一个装置检测反应中氧气消耗量？学生思考回答：化学仪器中的三口烧瓶，可在三个口处分别安装检测酒精、二氧化碳、氧气含量的检测仪。教师补充：三口烧瓶处分别安装上气态氧气传感器、气态酒精传感器、二氧化碳传感器、并连接电脑数据终端。使得在一个容器内所有的数据一目了然，结果一气喝成，既减少连接装置的繁琐步骤又使得结果精确便于分析，突破教学难点。（3）传感器综合探究酵母菌呼吸实验装置 实验结果（局部）实验原理和步骤将称量的0.5g干酵母放入烧瓶中，并将配置好的葡萄糖10毫升倒入烧瓶中封口，打开磁力搅拌器，使得酵母菌在磁子搅拌中利用容器中氧气进行有氧呼吸，电脑终端会显示出消耗氧气变化量、生成二氧化碳量；随着反应进行，氧气被消耗，酵母菌便开始进行无氧呼吸，此时电脑上会显示出酒精含量在增加，当酒精含量不在增加后说明反应停止。 引导学生自主探究问题1：比较分析电脑终端显示有氧和无氧二氧化碳含量变化？问题2：比较分析有氧和无氧酒精含量？问题3：比较分析有氧和无氧情况下氧气消耗量？设计意图：通过再次改进装置，引导学生思考进行实验，并对实验数据进行详细对比分析，总结出有氧和无氧呼吸产物和反应物含量变化规律。实现科学、数学、技术有机整合，培养学生科学探究、理性思维，从数据中得出生命规律。优点：利用一个装置完成酵母菌细胞的有氧和无氧呼吸，连续看到有氧和无氧呼吸氧气消耗和二氧化碳产生以及酒精生成量。装置连接简单方便，物质检测准确直观，便于数据记录和分析，节约药品材料用量。不足：使用氧气传感器是气态氧气，所以测得的数据变化范围小，没有用溶解氧传感器测得数据变化明显，因传感器很敏感，反应过程中有磁子的搅拌会影响数据的测量，故需要思考这个问题的解决方法。课本、报刊杂志中的成语、名言警句等俯首皆是,但学生写作文运用到文章中的甚少,即使运用也很难做到恰如其分。为什么?还是没有彻底“记死”的缘故。要解决这个问题,方法很简单,每天花3-5分钟左右的时间记一条成语、一则名言警句即可。可以写在后黑板的“积累专栏”上每日一换,可以在每天课前的3分钟让学生轮流讲解,也可让学生个人搜集,每天往笔记本上抄写,教师定期检查等等。这样,一年就可记300多条成语、300多则名言警句,日积月累,终究会成为一笔不小的财富。这些成语典故“贮藏”在学生脑中,自然会出口成章,写作时便会随心所欲地“提取”出来,使文章增色添辉。八、实验效果评价问题1：定性检测二氧化碳和酒精试剂有哪些？要练说，得练看。看与说是统一的，看不准就难以说得好。练看，就是训练幼儿的观察能力，扩大幼儿的认知范围，让幼儿在观察事物、观察生活、观察自然的活动中，积累词汇、理解词义、发展语言。在运用观察法组织活动时，我着眼观察于观察对象的选择，着力于观察过程的指导，着重于幼儿观察能力和语言表达能力的提高。问题2：定量检测二氧化碳、酒精、氧气的试剂和方法有哪些？问题3：用什么方法便于数据采集和分析？与当今“教师”一称最接近的“老师”概念，最早也要追溯至宋元时期。金代元好问示侄孙伯安诗云：“伯安入小学，颖悟非凡貌，属句有夙性，说字惊老师。”于是看，宋元时期小学教师被称为“老师”有案可稽。清代称主考官也为“老师”，而一般学堂里的先生则称为“教师”或“教习”。可见，“教师”一说是比较晚的事了。如今体会，“教师”的含义比之“老师”一说，具有资历和学识程度上较低一些的差别。辛亥革命后，教师与其他官员一样依法令任命，故又称“教师”为“教员”。通过问题1，学生知道定性检测的试剂和方法；通过问题2，学生由定性检测物质到定量分析物质含量；通过问题3