用血糖仪法改进“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验

胡桂平 余 芳 潘 阳

(江西师范大学生命科学学院 南昌 330022)

测量是一项科学研究过程的重要技能。高中生物学教材中都充分体现科学探究的思想。但从目前教材的生物学实验设置来看，大多数是以定性为主，定量探究性实验较少。基于学习进阶设计以提高学生生物科学素养的思路，本文采用血糖仪法，进行“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验的改进。

1 实验基本分析及相关改进

“探究酵母菌细胞呼吸的方式”是高中生物学教材中经典的实验。该实验在知识方面要求达到理解水平，能力方面要能设计和实施探究酵母菌的呼吸方式实验，通过实验探讨酵母菌在有氧和无氧条件下选择不同的细胞呼吸方式以及反应产物的差异。

人教版教材中对该实验的设计体现了典型的科学探究思路，而且实验设计环节的参考资料可操作性较强。特别是对CO2和酒精的定性检测，更体现探究的科学性。但是，在实践中也存在着一些困难： 如耗时较长，实验中有氧与无氧难以把握，实验器材多而且较大，药品用量较多等。为此，有许多教师对该实验进行了不同程度的改进： ①叶丽培[1]、方金艳[2]等通过反复实验后，进行课前活化酵母菌、澄清石灰水检验CO2和酒精鉴定实验时间设定等方面的改进；②谢明桂[3]则通过使用注射器严格控制氧气有无和对酵母菌进行提前活化，从而有效地缩短了实验时间，达到减量、简化实验，实现了实验随堂化的目的。但是，学生还是缺乏对细胞呼吸原理的深刻认识。③邓金霞等[4]运用综合理科的方法，将生物学中的细胞呼吸、化学中的原电池及物理中的电学等知识点联系起来，设计一种简单可行的检测细胞呼吸的“沉积物电池组”，进而帮助学生更深刻地理解细胞呼吸原理及其应用。但从科学探究的角度来看，缺少科学定量探究的成分。④俞如旺等[5]利用分光光度计测定OD值来分别检测有氧呼吸和无氧呼吸所产生CO2的量，实现了科学探究从定性到定量化的转变。但是，分光光度计价格较贵，操作也比较复杂。

2 对该实验定量探究的改进

2.1 实验改进的原理 酵母菌是一种兼性厌氧菌，可进行有氧、无氧两种细胞呼吸方式。通过测定一定时间内酵母菌分解反应物葡萄糖的量，可以分别计算出酵母菌在有氧或无氧条件下进行细胞呼吸的速率。

血糖仪(GA-3型)的工作原理属于电化学法，葡萄糖浓度测试范围为1.1mmol/L～33.3mmol/L，测量误差在±20%之内。因此，能较精确地测量酵母菌培养液中葡萄糖的浓度值，通过检测反应物葡萄糖的浓度变化，可计算出该反应条件下有氧或无氧呼吸的速率。

2.2 实验用品的选择 ①实验材料： 安琪高活性干酵母、无水葡萄糖；②实验用具： 血糖仪(GA-3型)、血糖仪试纸条、10mL注射器若干支、试管、试管架、软橡胶塞、水浴锅、胶头滴管、烧杯、标签纸、玻璃棒、电子天平(称量纸)。

2.3 实验的定量探究 ①制备酵母菌液： 配制10%葡萄糖溶液100mL；将其置于35℃水浴锅中进行预热；秤取10g干酵母，加入预热的葡萄糖溶液，混匀，活化4～7min。②测定初始葡萄糖浓度： 活化液用蒸馏水稀释10倍；血糖仪测定葡萄糖浓度值。③有氧、无氧分组实验： 分别用3支注射器抽取5mL活化酵母的葡萄糖液，将针头插入橡胶塞进行密封(无氧呼吸组)；同时，分别用注射器吸取等量(5mL)的活化酵母葡萄糖液注入3支编号的试管中(有氧呼吸组)；将上述注射器与试管同时放置于35℃水浴锅，水浴加热，并记录时间。注意及时观察实验装置，排放注射器内产生的气体，防止活塞喷射出。有氧组需要震荡试管，使得空气与酵母菌液充分接触。还应注意安全使用注射器、提高操作速度与小组默契配合度。④葡萄糖浓度测定： 操作方法同初始葡萄糖浓度的测定，记录数据(表1)。

表1 酵母菌不同细胞呼吸方式下的葡萄糖浓度值

(条件： 35℃下，1g干酵母/10mL葡萄糖溶液，质量分数10%葡萄糖)

2.4 实验结果与结论 根据实验数据求平均值得到表1数据；再分别计算有氧呼吸、无氧呼吸的反应速率，得到表2。

表2 酵母菌不同细胞呼吸方式下分解葡萄糖的反应速率

(条件： 35℃下，1g干酵母/10mL葡萄糖溶液，质量分数10%葡萄糖)

其中，有氧或无氧呼吸的反应速率计算公式如下： 0～15min呼吸速率(有氧/无氧)=(初始浓度值-有氧/无氧1浓度值)/15；16～30min呼吸速率(有氧/无氧)=(有氧/无氧1浓度值-有氧/无氧2浓度值)/15。

依据表1、表2的数据分析，可以发现： 相同时间段(等时)，有氧呼吸的葡萄糖消耗速率大于无氧呼吸的葡萄糖消耗速率；无论是有氧呼吸还是无氧呼吸，16～30min时段细胞呼吸消耗的葡萄糖速率要大于0～15min时间段的速率。

由此可以说明，在一定时间范围内，酵母菌进行有氧呼吸时消耗的葡萄糖比无氧呼吸的要多，即酵母菌细胞的有氧呼吸强度大于无氧呼吸的强度；在适宜的条件下，无论是有氧还是无氧呼吸，酵母菌细胞的初期代谢速率都会一定程度地增加，这更进一步说明酵母菌为什么要活化的原因。

3 思考与讨论

血糖仪测定葡萄糖含量的原理是葡萄糖与含有葡糖糖酶和氰铁化物的试纸接触后产生一个小电流，电流通过血糖仪测定，并显示相应数值。因此，血糖仪检测血糖具有快速简便、操作简单、样品用量少的优点。相关研究表明，血糖仪法与辣根过氧化物酶法、大豆种皮过氧化物酶法等方法测得的血糖值无显著差异[6]。近年来，也有专家使用血糖仪法，对不同酒质、不同米质、不同禽蛋中和不同豆类中的葡萄糖含量测定。因此，使用血糖仪法进行“探究酵母菌细胞呼吸的方式”的定量探究实验改进是科学、合理的。

但是，根据学习进阶的设计原则，教师在开展“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验教学时，应该注意学生的能力基础和探究的层次性，将课堂讨论探究与课后实践拓展有机结合[7]，做到定性检测与定量探究协调统一，从而有效培养学生的生物学核心素养。