探究酵母菌细胞呼吸方式的实验及改进.doc

探究酵母菌细胞呼吸方式的实验及改进普通高中生物学课程标准中，“细胞代谢”是必修1 “分子与细胞” 模块的重要组成部分之一，细胞呼吸是细胞产能代谢的主要方式。“探究酵母菌细胞呼吸的方式” 是本单元一个很重要的探究性实验， 是培养学生实验和探究能力的好素材，借此实验可以培养学生设计探究实验的能力。1 实验教学内容分析“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验是高中生物学中“影响酶活性的条件”之后的第2 个探究性实验，本实验要求具有初步探究一些生物学问题、恰当评价和完善实验方案的能力。由于酵母菌是兼性厌氧菌，在有氧和无氧的条件下都能生存，因此便于用来探究细胞呼吸的不同方式。本实验要求学生设计实验探究酵母菌在有氧和无氧条件下的产物，培养学生设计探究方案的能力，并通过探究理解酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸的条件、结果、实质。同时，学生在实验中可以体验到探究实验的具体过程，即：提出问题作出假设设计实验进行实验结论、交流和应用。在理解了酵母菌无氧呼吸方式的基础上，可以利用其无氧呼吸进行生活中米酒和馒头等过程的实践。2 教学目标的表述2.1 知识性目标概述酵母菌细胞的呼吸方式，举例说出细胞呼吸原理在农业生产和日常生活中的应用。2.2 技能性目标通过对“探究酵母菌细胞呼吸的方式”的实验设计、现象描述、结果分析等环节，能正确使用一般的实验器具，学会检测酒精、二氧化碳等细胞呼吸产物的方法； 学会控制自变量，观察和检测因变量的变化，以及设置对照组和重复实验；提高运用语言表达、信息分享与合作的能力。2.3 情感性目标通过经历探究实验的一般过程，养成质疑、求实、创新及勇于实践的科学精神和科学态度。从细胞代谢的角度体会细胞是生命活动的基本单位； 同时从微观层面把握生命的本质、体会生命的奇妙。3 教学过程的组织“探究酵母菌细胞呼吸的方式”是一个探究性实验，目的是让学生在思索、质疑、探究、实践中领悟科学研究的方法，发展科学探究能力，所以建议教师将此实验安排在有氧呼吸和无氧呼吸之前进行。课堂中要进行实验的设计和讨论，明确什么是自变量、因变量和无关变量，而实验器具及试剂的准备需要课下进行，并进行预实验，对实验进行初步的改进，保证实验能够正常进行，重点组织学生进行实验，并对实验中产生的问题进行交流。4 教学过程（1）观察现象：大家都吃过馒头和面包，制作这些面食要发面。如何发面呢？请大家观察一下桌子上的四个袋子。这四个袋子中原本装着相同大小的面团。第1组面团加入酵母菌，袋子中留有大量的空气；第2组面团加入酵母菌袋子中排尽空气密封保存；第3组面团不加入酵母菌，袋子中留有大量的空气；第4组面团不加入酵母菌袋子中排尽空气密封保存。请大家按照中医中“望、闻、问、切”的方法观测实验结果，望是看面团体积的变化，并推测其原因，再将其中的气体抽取出来检测；闻是闻面团的气味变化；切是触摸面团，试试温度和硬度的变化；问是大家通过交流能从实验结果中推测哪些结论？并提出你的疑问。请一位同学描述实验结果。( )第3、4组没有什么变化，第1组面团体积最大，产生大量蜂窝状气孔，抽取其中的气体会使澄清石灰水变浑浊，闻起来有少量酒精气味，面团变得湿润很稀，略微发热；第2组面团体积增大明显，产生大量蜂窝状气孔，有气体产生，抽取其中气体会使澄清石灰水变浑浊，闻起来有很浓的酒精气味，面团有些变稀，略微发热）我们能得到哪些结论呢？学生讨论后总结：( )发面需要酵母菌；酵母菌有氧和无氧条件下都能生存；无氧条件下酵母菌能产生酒精和CO2；有氧条件下酵母菌能产生CO2；有氧条件下酵母菌能够产生水；有氧条件下酵母菌能够产热。发面是酵母菌进行细胞呼吸的过程，根据你们的观察和推测，能否总结出细胞呼吸的概念。大家对酵母菌的细胞呼吸还有哪些疑问呢？将他们记录在你们的学案上。（2）提出问题：酵母菌进行有氧呼吸和无氧呼吸是否都能产生酒精？酵母菌有氧条件和无氧条件产生的CO2一样多吗？无氧呼吸和有氧呼吸哪种条件下酵母菌的产热量更多？无氧呼吸和有氧呼吸是否都能产生ATP，哪种情况下产生的更多？（3）作出假说、设计实验实验是检验真理的唯一标准，大家都摩拳擦掌准备开始设计自己实验了。但为了保证实验的效果，在进行实验设计之前，我们先请生物小组的同学汇报一下他们进行的预实验。( )我们小组对探究酵母菌的细胞呼吸方式的实验进行了预实验，探究的是酵母菌在有氧和无氧条件下产生CO2的情况，我们的假设是酵母菌在有氧和无氧条件下都能产生CO2，实验材料和用具分别是500ml锥形瓶若干、带导管的塞子、胶头滴管、橡皮球、酵母菌、质量分数为10%NaOH溶液、质量分数为5%的葡萄糖溶液、澄清石灰水等。实验的自变量为是否通入氧气，因变量为是否产生CO2，观测指标为澄清石灰水的浑浊程度。通过分析我们分两组进行对照实验，参照教材参考，将两组都加入240ml5%的葡萄糖溶液和10g新鲜酵母，甲组在用质量分数为10%NaOH溶液（A瓶）洗去空去中的CO2后，向反应溶液（B瓶）中间断通入空气，将反应气体通入澄清石灰水（C瓶）；乙组不通入空气，对反应溶液（D瓶）密封保存一段时间后，将反应气体通入澄清石灰水（E瓶）。在连接装置时，希望同学们注意导管长进短出的原则。实验结果结果是有氧呼吸和无氧呼吸都能使澄清石灰水变浑浊，符合我们的假设。但实验中我们发现效果不是很明显。我们小组总结了以下几点问题：甲、乙两组溶液中产生气泡都很少，尤其是无氧呼吸无氧呼吸排气时间太长，无氧呼吸效果不明显用橡皮球通气容易出现倒吸的情况。反应产生大量的泡沫，容易污染导管，影响实验效果反应耗时太长，尤其是无氧呼吸，不易连续观察解决以上问题是完成这次试验的关键，我们小组希望各位同学和我们一起尝试解决以上问题。学生讨论：两组溶液中产生气泡都很少，尤其是无氧呼吸学校现有的橡胶塞老化，密闭性不强用玻璃塞代替橡胶塞，并检查气密性。无氧呼吸排气时间太长，无氧呼吸效果不明显减小烧瓶容量，增加烧瓶中溶液体积，减少空气体积，缩短排气时间。用橡皮球通气容易出现倒吸的情况用气泵连续通气，不会出现倒吸，氧气更充足。（用H202和二氧化锰；高锰酸钾加热等）反应产生大量的泡沫，容易污染导管，影响实验效果用化学中的硅醚复合物，进行消泡。反应耗时太长，尤其是无氧呼吸，不易连续观察提高反应速率的方法。 a.增加底物浓度增加葡萄糖的浓度 b.增加酶浓度增加菌种含量 c.增加酶活性高效的菌种、适宜的温度、适宜的pH等为了解决这些问题，老师给你们补充了一些器具和材料：200ml磨口锥形瓶和洗气瓶若干、带导管的玻璃塞、烧杯、热水、温度计、胶头滴管、充气泵、0.1g/1ml高活性酵母菌（4-6g）、质量分数为10%NaOH溶液、质量分数分别为1%、5%、10%的葡萄糖溶液、发酵消泡剂、澄清石灰水、溴麝香草酚兰水溶液、酸性重铬酸钾溶液等，其中高活性酵母是超市所售的安琪酵母，找一个同学念一下用法。老师提前将30g酵母菌溶在200ml质量分数 5%的葡萄糖溶液中，并加入消泡剂，连续通气活化30min。请大家按照比例取用，一般120ml中取一半60ml就足够了。溴麝香草酚兰和重铬酸钾的用法，请同学们参考课本的参考资料。下面请各组挑选实验材料和用具进行实验设计，有些同学在课前也准备了一些自己的材料用具准备创新实验，请大胆尝试。设计后请明确组长每位同学的分工，注意选择12位发言人来为大家展示各组的实验。A组课题：酵母菌进行有氧呼吸和无氧呼吸的产生CO2是否一样多假设：酵母菌进行有氧呼吸产生的CO2比无氧呼吸多。自变量：氧气的有无 因变量：单位实验内CO2的产生量观测指标：单位时间内，澄清石灰水的浑浊程度、溴麝香草酚兰水溶液变色的快慢无关变量：温度、酵母菌的数量、葡萄糖的浓度、pH等操作方法：用200ml锥形瓶和玻璃瓶塞按照生物小组的方法连接，B、D两瓶中分别加入混有消泡剂的酵母菌培养液150ml，在温度35左右水浴培养。在甲组A瓶和B瓶中间加一个装有澄清石灰水的洗气瓶。另外先在甲、乙两组的C瓶和E瓶中放上清水，等到乙组E瓶中气泡均匀后，将C、E两瓶中的液体换成澄清石灰水，10min后观察两瓶中澄清石灰水的浑浊程度，再将导管通入溴麝香草酚兰水溶液中，观察其变色情况。预测结果：甲组澄清石灰石比乙组浑浊；甲组溴麝香草酚兰水溶液比乙组更快由蓝变绿再变黄。学生评价B组课题：酵母菌进行有氧呼吸和无氧呼吸是否都产生酒精假设：酵母菌进行有氧呼吸不产生酒精，无氧呼吸产生酒精。自变量：氧气的有无因变量：酵母菌滤液中是否含有酒精观测指标：酸性重铬酸钾溶液颜色的变化无关变量：温度、酵母菌的数量、葡萄糖的浓度、pH等操作方法：仪器连接和操作同A组。只是最后检测方法不同。在反应10min后，我们将酵母菌溶液过滤，取2ml滤液加入0.5ml酸性重铬酸钾溶液检测，观察颜色变化。预测结果：乙组酵母菌滤液使酸性重铬酸钾溶液由橙色变成灰绿色，甲组酵母菌滤液没有重铬酸钾仍为橙色。这个实验我们邀请A组同学跟我们一起做平行对照实验学生评价C组、D组课题：探究温度对酵母菌细胞呼吸速率的影响。假设：35条件下更适宜酵母菌的细胞呼吸自变量：反应温度不同因变量：酵母菌细胞呼吸速率观测指标：单位时间内，澄清石灰水的浑浊程度。无关变量：酵母菌的数量、葡萄糖的浓度、pH等操作方法：我们在A组的基础上，将B、D瓶水浴的分别温度控制在10、35、65三组温度范围，观察反应10min后，澄清石灰水变浑浊的程度。结果预测：35条件下，澄清石灰水变浑浊的程度最大。学生评价E、F组课题：探究葡萄糖溶液浓度对酵母菌细胞呼吸速率的影响。假设：质量分数5%的葡萄糖溶液更适宜酵母菌的细胞呼吸。自变量：葡萄糖溶液浓度不同因变量：酵母菌细胞呼吸速率观测指标：单位时间内，澄清石灰水的浑浊程度。无关变量：酵母菌的数量、温度、pH等操作方法：我们在A组的基础上，将B、D瓶中的加入的葡萄糖溶液浓度分别为质量分数1%、5%、10%，观察反应10min后，澄清石灰水变浑浊的程度。结果预测：质量分数5%的葡萄糖溶液培养条件下，澄清石灰水变浑浊的程度最大。学生评价（4）创意设计E组课题：酵母菌进行有氧呼吸和无氧呼吸的产生CO2是否一样多假设：酵母菌进行有氧呼吸产生的CO2比无氧呼吸多。自变量：氧气的有无 因变量：单位实验内CO2的产生量观测指标：单位时间内，澄清石灰水的浑浊程度无关变量：温度、酵母菌的数量、葡萄糖的浓度、pH等操作方法：操作方法和试剂同A组，只是我们改变了实验仪器，我们用的是密闭性很好的输液用的250ml塑料瓶，连接装置同样是用的输液管，大家也可以用矿泉水瓶和乳胶管代替，但记得用凡士林封口，注意仪器的气密性。预测结果：甲组的澄清石灰石比乙组浑浊学生评价F组课题：酵母菌进行有氧呼吸和无氧呼吸的产生CO2是否一样多假设：酵母菌进行有氧呼吸产生的CO2比无氧呼吸多。自变量：氧气的有无 因变量：单位实验内CO2的产生量观测指标：蓝色石蕊试纸变红无关变量：温度、酵母菌的数量、葡萄糖的浓度、pH等操作方法：操作方法和试剂同A组，我们也改变了实验仪器和检测方法，我们用的20ml注射器做实验装置、石蕊试纸做检测。将两只注射器活塞内侧贴上蓝色石蕊试纸、周围涂上凡士林密封，甲组注射器预留0.1ml空气、乙组预留10ml空气，甲、乙两组均吸取10ml酵母菌菌液，去掉针头，迅速用炼油凡士林的橡皮塞套住注射器前端小孔。观察气柱的变化和石蕊试纸染色的变化。预测结果：甲组的石蕊试纸先变红学生评价G组课题：酵母菌进行有氧呼吸和无氧呼吸都能产热？如果是哪个过程产热多？假设：酵母菌进行有氧呼吸和无氧呼吸都能产生能量，有氧呼吸产能多。自变量：氧气的有无 因变量：产生能量的多少观测指标：单位时间内，温度的升高程度 无关变量：酵母菌的数量、葡萄糖的浓度、pH等操作方法：我们在A组的基础上，将B、D两瓶放在密闭保温的容器中，测量单位时间内，容器中水温的变化。预测结果：甲、乙两组都能产热，甲组产热多学生评价H组课题：酵母菌进行有氧呼吸和无氧呼吸都能产生ATP？如果是哪个过程ATP多？假设：酵母菌进行有氧呼吸和无氧呼吸都能产生能量，有氧呼吸产能多。自变量：氧气的有无 因变量：产生ATP的多少观测指标：单位时间内，温度的升高程度 无关变量：酵母菌的数量、葡萄糖的浓度、pH等操作方法：我们在A组的基础上，根据前面一节对ATP的学习，我们在B、D两瓶中放入荧光素和荧光酶，检测荧光的强度和发光持续时间。预测结果：甲、乙两组都能发光，但甲组发光强且持续时间长。学生评价由于实验材料和用具的限制，G组和H组同学分别协助C组和D组同学完成实验。并鉴定酒精的产生情况。在有多的时间的情况下，请A组和B组也做一下对方的重复实验，减少误差。（5）进行实验.。（6）结论、交流和应用A组结果：甲组澄清石灰石比乙组浑浊；甲组溴麝香草酚兰水溶液比乙组更快由蓝变绿再变黄。符合假设结论：酵母菌进行有氧呼吸产生的CO2比无氧呼吸多B组结果：甲组和乙组都能使重铬酸钾由橙色变灰绿色，只是乙组变色更明显。不符合假设结论：酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸都能产生酒精。C组结果：35条件下，澄清石灰水变浑浊的程度最大。符合假设结论：35条件下更适宜酵母菌的细胞呼吸D组结果：质量分数10%的葡萄糖溶液培养条件下，澄清石灰水变浑浊的程度最大。不符合假设结论：质量分数10%的葡萄糖溶液更适宜酵母菌的细胞呼吸。E组结果：甲组的澄清石灰石比乙组浑浊符合假设结论：酵母菌进行有氧呼吸产生的CO2比无氧呼吸多。