基于跨学科融合的高中生物学实验改进及教学探讨
余鸿婷张锋
“探究酵母菌细胞呼吸的方式”是人教版高中生物学教材《必修1·分子与细胞》第五章第三节的探究实验之一，在《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）中，本节内容涉及的重要概念为“细胞的功能绝大多数基于化学反应，这些化学反应发生在细胞的特定区域”，次位概念为“说明生物通过细胞呼吸将储存在有机分子中的能量转化为生命活动可以利用的能量”，这些概念是大概念“细胞的生存需要能量和营养物质”的重要组分，为帮助学生达成对重要概念和次位概念的理解，《课程标准》要求应开展探究酵母细胞的呼吸方式探究实践，促进学生核心素养的提升。但是，在实践教学中，“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验往往会受到实验条件和实验效果的限制，导致实际教学开出率较低，难以成为促进学生核心素养达成的重要支撑。
下文依据深度学习的理念，创建具有挑战性的学习主题，开展“探究酵母菌细胞呼吸的方式”的跨学科实践，通过让学生设计并优化酵母细胞呼吸方式的实验装置进行任务驱动，将“问题探讨”中酵母菌在生产实践中的应用贯穿至细胞呼吸原理和应用的整个单元。教师采取了课前小组研究性学习—设计改进并优化实验装置、课上探究实践、课后扩展延伸与应用等方法开展教学（图1）。在整个教学过程中，始终渗透着科学探究过程变量的控制和实验设计的规范问题，学生通过发现问题、解决问题提高科学思维和科学探究能力，并形成积极的内在学习动机和正确的价值观，进而掌握学科的核心知识和把握学科的本质及思想方法。
1实验材料
教师为学生提供的实验试剂包括高活性干酵母粉、质量分数为5%的葡萄糖溶液、5%的FeCl3溶液、10%的H2O2溶液、酸性重铬酸钾溶液和溴麝香草酚蓝水溶液；實验器材包括注射器（带堵头）、医用三通阀、硅胶软管、刻度试管和小烧杯。学生根据教师提供的实验试剂与实验器材进行实验装置的设计与优化。
2实验方案与改进
2.1实验装置的设计方案
课堂上，教师让学生展示小组设计的实验装置，学生分析交流、讨论评价实验装置的优缺点和可行性，如装置的气密性如何，装置能否实现单一变量，装置是否科学合理，装置能否便于操作，装置能否顺利实现产物的检测等。教师引导学生优化实验装置，确定最佳实验装置的设计方案，并根据学生设计的方案，引导学生利用提供的材料进行装置的连接与实验。
2.2优化的实验装置
在学生设计的实验方案中，学生试图使装置不仅能有效控制自变量以进行酵母菌培养，还能够便捷地进行因变量的检测。学生通过查阅资料了解到三通阀在医院中常用于兑药，它有三个通道，可以利用阀门来控制开闭。如图2所示，阀门箭头指向的通道就是开放的。
通过讨论，学生对实验装置进行了优化，得到了改进后的酵母菌细胞呼吸实验装置，如图3所示。即以注射器作为反应容器，先利用带堵头的注射器制备O2，再用第二只注射器培养酵母菌，通过三通阀与硅胶软管将两者连接起来，待反应一定时间后，再与第三只装有检测试剂的注射器连接，从而实现产物便捷与及时的检测。与有氧装置相比，无氧装置中不再向培养酵母菌的注射器中额外加入氧气。此外，学生还可以通过减压法排除培养液中的溶解氧来营造无氧环境。通过三通阀的灵活开闭，实验装置实现了不同反应体系或者检测体系的连接，甚至可以通过硅胶软管与传感器的连接实现精确定量，此外，注射器的量程就可以使反应物与产物由定性到初步定量。
2.3实验改进
改进后的酵母菌细胞呼吸装置在自变量的控制、反应时间、因变量的检测与装置的成本等方面得到有效的优化，见表1。
3实验步骤
（1）酵母菌的活化
将15g高活性干酵母粉加入到150mL5%的葡萄糖溶液中，在25℃的条件下水浴3min。
（2）O2的制备
结合“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验，得到最佳的自制O2方案，即利用50mL的注射器吸取5mL10%的H2O2溶液与2mL5%的FeCl3溶液反应2min。
（3）酵母菌的培养
有氧装置吸取20mL酵母培养液与20mL的O2后在25℃条件下水浴5min，无氧装置吸取20mL酵母培养液后利用减压法排除培养液中的溶解氧。
（4）反应物的检测
①二氧化碳：在两支20mL的注射器中各加入5mL的溴麝香草酚蓝溶液，利用三通阀将其分别与有氧装置和无氧装置连接。②酒精的检测：利用三通阀分别将有氧装置与无氧装置中2mL的酵母菌培养液加入至两支10mL的刻度试管中，各滴入2滴酸性重铬酸钾溶液进行酒精的检测。
4结果与讨论
4.1检测CO2的产生
酵母菌在有氧或无氧条件下均能进行细胞呼吸。有氧条件下，酵母菌有氧呼吸消耗O2的同时产生大量的CO2，反应后注射器中气体体积变化不大。无氧条件下，酵母菌无氧呼吸不消耗氧气，产生少量的CO2，装置反