1、基于STEM視野下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式遵義市南白中學(xué) 葉克姣     一、使用教材人教版高中生物必修1第五章第三節(jié)。二、實(shí)驗(yàn)器材自制教具：亞克力板。安琪干酵母、碳酸氫鈣、氫氧化鈉、酸性重鉻酸鉀、葡萄糖、煮沸冷卻的水、注射器、過氧化氫、新鮮土豆、石蠟油、錐形瓶、酒精檢測儀、二氧化碳傳感器。氣態(tài)酒精傳感器、氧氣傳感器、平底三口燒瓶、鐵架臺(tái)、磁力攪拌器（酵母菌充分反應(yīng)）。三、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新要求/改進(jìn)要點(diǎn)第一代注射器裝置操作簡單效果明顯，便于攜帶；第二代裝置采用土豆與過氧化氫供氧、石蠟油油封、傳感器檢測二氧化碳、酒精檢測儀檢測酒精、裝置連接采用乳膠管，這

2、些改進(jìn)效果明顯，且改進(jìn)過程需要各學(xué)科知識(shí)，可有效提高學(xué)生學(xué)科整合能力；第三代裝置采用三種傳感器快速精確探究酵母菌呼吸方式，讓學(xué)生體會(huì)學(xué)科交叉的同時(shí)感嘆技術(shù)對于科學(xué)研究的重要性；將三代裝置合在一起，讓學(xué)生一起探究，體驗(yàn)由傳統(tǒng)到現(xiàn)代，有定性到定量，由分開檢測到所有數(shù)據(jù)全部完成的過程，培養(yǎng)學(xué)生理性思維、科學(xué)探究的能力。開發(fā)的產(chǎn)品裝置不僅可在實(shí)驗(yàn)室大面積使用，還可在教室里作為演示實(shí)驗(yàn)，并將數(shù)據(jù)顯示轉(zhuǎn)播到多媒體，直觀明顯，高效突破本節(jié)教學(xué)重難點(diǎn)，可操作性強(qiáng)。該裝置可還用于不同因素對酵母菌呼吸速率影響的探究，適用范圍廣。四、實(shí)驗(yàn)原理/實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路以STEM教學(xué)為理論基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生開發(fā)設(shè)計(jì)了三代探究酵母菌細(xì)

3、胞呼吸的方式的裝置，學(xué)生通過三代裝置的探究能將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)進(jìn)行有機(jī)整合，以此實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)的達(dá)成。五、實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)（1）知識(shí)與能力知道生物進(jìn)行有氧呼吸和無氧呼吸的條件和產(chǎn)物，掌握對比試驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法。培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、探究能力、數(shù)據(jù)處理與分析能力、合作交流自主學(xué)習(xí)能力。（2）過程與方法通過開發(fā)設(shè)計(jì)三種實(shí)驗(yàn)裝置的過程，學(xué)會(huì)將科學(xué)技術(shù)工程數(shù)學(xué)有機(jī)整合。通過對實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)獲取與分析，掌握數(shù)據(jù)處理和分析的一般方法。（3）情感、態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)通過設(shè)計(jì)裝置的過程，認(rèn)同技術(shù)在科學(xué)發(fā)展中的重要性。通過實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的開展，體驗(yàn)質(zhì)疑、創(chuàng)新和實(shí)踐的科學(xué)品質(zhì)。六、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容教材安排“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方

4、式”實(shí)驗(yàn)，旨在讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到有氧和無氧呼吸的條件和產(chǎn)物，為后面學(xué)習(xí)“細(xì)胞呼吸的過程做好鋪墊，介紹探究實(shí)驗(yàn)的一般思路和方法、酵母菌細(xì)胞呼吸有氧和無氧條件的控制以及產(chǎn)物的檢測方法、對比實(shí)驗(yàn)的概念。本節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)旨在讓學(xué)生親歷探究歷程，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置高效完成實(shí)驗(yàn)，并通過現(xiàn)代技術(shù)對結(jié)果進(jìn)行原因分析，認(rèn)識(shí)生命的本質(zhì)。七、實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程1、教師引導(dǎo)提出問題，導(dǎo)入新課通過面包松軟，甜米酒的釀制，導(dǎo)入新課，學(xué)生提出問題，酵母菌生活會(huì)產(chǎn)生氣體和酒精？考慮到大部分同學(xué)都沒做過面包釀制過米酒，課前我以任務(wù)卡的形式要求學(xué)生以小組為單位完成發(fā)面：2、合作探究，改進(jìn)裝置（1）用注射器定性檢測酒精，定量檢測二氧化碳實(shí)驗(yàn)用具及裝置引

5、導(dǎo)學(xué)生自主探究教師提出要求，再請同學(xué)們思考問題1：怎樣設(shè)置有氧和無氧環(huán)境？問題2：怎樣制備不含二氧化碳的空氣？問題3：怎樣檢測二氧化碳和酒精？問題4：定量分析二氧化碳的生成量和葡萄糖的消耗量？設(shè)計(jì)意圖：通過改進(jìn)裝置，引導(dǎo)學(xué)生思考進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，效果明顯；培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究、理性思維和社會(huì)責(zé)任，引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、處理數(shù)據(jù)，找出背后的原因，科學(xué)、數(shù)學(xué)有機(jī)整合，并迫切想找出解決問題的方法，為下一步裝置改進(jìn)埋下伏筆。優(yōu)點(diǎn)：注射器裝置操作簡單，效果明顯，還可以根據(jù)針筒活塞的移動(dòng)定量檢測生成的二氧化碳量和葡萄糖的消耗量，由定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槎繉?shí)驗(yàn)，而且整個(gè)實(shí)驗(yàn)不到20分鐘就能完成，可操作性強(qiáng)，學(xué)生有

6、激情。不足：酒精檢測用酸性重鉻酸鉀不妥，因?yàn)槭蛊渥兩牟恢挥芯凭€有葡萄糖、干酵母中的SMS；而且根據(jù)查閱資料酵母菌需在持續(xù)供氧的條件才能連續(xù)進(jìn)行有氧呼吸，因此有氧組檢測出的二氧化碳不精確。教師提問：問題1：怎樣準(zhǔn)確檢測酒精？問題2：怎樣控制有氧條件，使有氧組連續(xù)有氧？學(xué)生思考回答：交警所用的酒精檢測儀可定量檢測酒精含量，還可避免其他物質(zhì)的干擾；有氧組采用土豆（含豐富的過氧化氫酶）分解過氧化氫分解來連續(xù)供氧。教師補(bǔ)充：學(xué)校實(shí)驗(yàn)室傳感器定量檢測二氧化碳的量及生成的速率、無氧組采用石蠟油油封、有氧和無氧均采用煮沸冷卻的水，減少溶解氧的量。（2）傳感器定量檢測二氧化碳和酒精檢測儀定量檢測酒精無氧組

7、 有氧組 酒精檢測引導(dǎo)學(xué)生自主探究問題1：分析電腦終端顯示有氧組和無氧組二氧化碳含量變化？問題2：比較分析酒精檢測儀上顯示有氧組和無氧組的酒精含量？問題3：通過兩組數(shù)據(jù)分析對比得出酵母菌有氧和無氧呼吸產(chǎn)物含量變化規(guī)律，并換算出葡萄糖的消耗量？設(shè)計(jì)意圖：通過進(jìn)一步改進(jìn)裝置，引導(dǎo)學(xué)生思考進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)對比分析，總結(jié)出有氧和無氧呼吸產(chǎn)物含量變化規(guī)律。實(shí)現(xiàn)科學(xué)、數(shù)學(xué)、現(xiàn)代技術(shù)有機(jī)整合，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究、理性思維，從數(shù)據(jù)中得出生命規(guī)律。優(yōu)點(diǎn)：該裝置反應(yīng)速度快，效果明顯，對二氧化碳含量用傳感器檢測，酒精含量用酒精檢測儀。無氧組采用石蠟油油封比教材實(shí)驗(yàn)放置一段時(shí)間更加精確，確保酵母菌完全進(jìn)行

8、無氧呼吸，有氧組使用過氧化氫連續(xù)供氧獲得純氧，既保證反應(yīng)過程中氧氣充足又減少用氫氧化鈉除去二氧化碳的操作，使裝置連接更簡單。不足：該實(shí)驗(yàn)需要連接幾個(gè)裝置，使其準(zhǔn)備工作相對繁瑣；同時(shí)使用酒精檢測儀測量的酒精范圍值較低，而且顯示時(shí)間只有10秒便會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)，需要重復(fù)多次測量，不好計(jì)數(shù)。教師提問：問題1：怎樣方便又準(zhǔn)確檢測酒精？問題2：怎樣使裝置連接更簡單？問題3：設(shè)計(jì)一個(gè)裝置檢測反應(yīng)中氧氣消耗量？學(xué)生思考回答：化學(xué)儀器中的三口燒瓶，可在三個(gè)口處分別安裝檢測酒精、二氧化碳、氧氣含量的檢測儀。教師補(bǔ)充：三口燒瓶處分別安裝上氣態(tài)氧氣傳感器、氣態(tài)酒精傳感器、二氧化碳傳感器、并連接電腦數(shù)據(jù)終端。使得在一個(gè)容器

9、內(nèi)所有的數(shù)據(jù)一目了然，結(jié)果一氣喝成，既減少連接裝置的繁瑣步驟又使得結(jié)果精確便于分析，突破教學(xué)難點(diǎn)。（3）傳感器綜合探究酵母菌呼吸實(shí)驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)結(jié)果（局部）實(shí)驗(yàn)原理和步驟將稱量的0.5g干酵母放入燒瓶中，并將配置好的葡萄糖10毫升倒入燒瓶中封口，打開磁力攪拌器，使得酵母菌在磁子攪拌中利用容器中氧氣進(jìn)行有氧呼吸，電腦終端會(huì)顯示出消耗氧氣變化量、生成二氧化碳量；隨著反應(yīng)進(jìn)行，氧氣被消耗，酵母菌便開始進(jìn)行無氧呼吸，此時(shí)電腦上會(huì)顯示出酒精含量在增加，當(dāng)酒精含量不在增加后說明反應(yīng)停止。 引導(dǎo)學(xué)生自主探究問題1：比較分析電腦終端顯示有氧和無氧二氧化碳含量變化？問題2：比較分析有氧和無氧酒精含量？問題3：比較

10、分析有氧和無氧情況下氧氣消耗量？設(shè)計(jì)意圖：通過再次改進(jìn)裝置，引導(dǎo)學(xué)生思考進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)對比分析，總結(jié)出有氧和無氧呼吸產(chǎn)物和反應(yīng)物含量變化規(guī)律。實(shí)現(xiàn)科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)有機(jī)整合，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究、理性思維，從數(shù)據(jù)中得出生命規(guī)律。優(yōu)點(diǎn)：利用一個(gè)裝置完成酵母菌細(xì)胞的有氧和無氧呼吸，連續(xù)看到有氧和無氧呼吸氧氣消耗和二氧化碳產(chǎn)生以及酒精生成量。裝置連接簡單方便，物質(zhì)檢測準(zhǔn)確直觀，便于數(shù)據(jù)記錄和分析，節(jié)約藥品材料用量。不足：使用氧氣傳感器是氣態(tài)氧氣，所以測得的數(shù)據(jù)變化范圍小，沒有用溶解氧傳感器測得數(shù)據(jù)變化明顯，因傳感器很敏感，反應(yīng)過程中有磁子的攪拌會(huì)影響數(shù)據(jù)的測量，故需要思考這個(gè)問題的解決方法。八、實(shí)驗(yàn)效果評價(jià)問題1：定性檢測二氧化碳和酒精試劑有哪些？問題2：定量檢測二氧化碳、酒精、氧氣的試劑和方法有哪些？問題3：用什么方法便于數(shù)據(jù)采集和分析？通過問題1，學(xué)生知道定性檢測的試劑和方法；通過問題2，學(xué)生由定性檢測物質(zhì)到定量分析物質(zhì)含量；通過問題3，學(xué)生明白用傳感器更易收集數(shù)據(jù)，用曲線可以更直觀分析