台湾地区高中生物学教材“探讨活动”栏目启示

摘要

台湾地区高中生物学教材中的“探讨活动”栏目，围绕探究实验设计、结果分析与讨论而设计。以该教材“探讨活动”栏目的“酵母菌的发酵”为例，发现其设计为：探究糖种类、浓度及酵母菌浓度对酵母菌发酵的影响，将实验数据转换为柱形图与折线图，并通过问题的讨论、分析实验结果，最终得出结论。这一探究过程，不仅完整，而且有设问与拓展，值得借鉴。

Graphical abstract

关键词

台湾地区 / 高中生物学 / 探讨活动 / 栏目 / 酵母菌 / 发酵 / 启示

台湾地区现行高中生物学教材《生物学选修Ⅰ》^［1］主要内容是细胞的结构与功能、生殖与遗传，相当于人教版高中生物学必修教材内容。其《生物学选修Ⅰ》中的“探讨活动”内容有：生物组成成分的检测、细胞膜的渗透作用、酶活性的测定、酵母菌的发酵、DNA双螺旋结构模型制作。这些探讨活动的设计与人教版高中生物学教材相比有所不同，某些方面值得我们借鉴。笔者以“酵母菌的发酵”为例，说明台湾地区高中生物学教材中“探讨活动”栏目的大致流程及其对我们的启示^［2］。

1 探讨活动内容呈现

以下实验探讨酵母菌发酵速率的相关因素。

【目的】观察酵母菌的发酵，并探讨糖的种类、浓度及酵母菌浓度对发酵速率的影响。

【探讨的问题】

（1） 酵母菌在葡萄糖、果糖、蔗糖3种糖液中，其发酵速率是否相同？

（2） 葡萄糖浓度越高，发酵速率是否会越快？酵母菌在哪一种葡萄糖浓度条件下的发酵速率最快？

（3） 酵母菌浓度越高，发酵速率是否会越快？哪一种酵母菌浓度条件下的发酵速率最快？

【发酵速率检测及原理】该实验根据酒精发酵产生CO₂的特性，以发酵测量计测量CO₂产生的量来代表发酵作用的相对速率，酵母菌发酵产生的CO₂气体释放出来后占据溶液的空间，其产生的压力会把试管内溶液的液面向下压，此时只要测量液面下降的变化量，即可代表发酵作用的相对速率。

【器具与材料】电子秤6台，活性酵母菌（粉）、葡萄糖（粉）、果糖（粉）、蔗糖（粉）各一包，刮勺4把，10 mL试管或离心管（附刻度更好）12支，50 mL小烧杯12只或可套入试管的大试管12支，标签纸数张，油性笔一支，试管架（视情况而定）。

【制备步骤】发酵测量计的制备步骤如图1所示。

【实验设计】探讨葡萄糖浓度对发酵速率的影响的诸要素如表1所示。

【实验操作步骤】

（1） 取4支10 mL试管，编号为5、6、7、8，分别向4支试管中加入2 g酵母粉。

（2） 依序向试管5、6、7中分别加入葡萄糖1 g、2 g和3 g，试管8则不加任何糖，即试管8作为对照组。

（3） 分别向试管5、6、7、8中注入蒸馏水，直至达到管口为止。

（4） 依图1所示的发酵测量计制备步骤分别制备基于试管5、6、7、8的发酵测量计。

（5） 平稳放置4个发酵测量计，测量每个发酵测量计内气体空间的起始高度。

（6） 每隔10 min测量各发酵测量计内气体空间高度，计算和记录气体容量的净变化（液面下降净值）；30 min后停止实验记录。

（7） 将数据记录在探讨活动记录簿内“探究葡萄糖浓度对发酵速率的影响”的第一次表格中。

（8） 第二次、第三次重复上述步骤（1）~（6），并将数据分别记录在探讨活动记录簿内“探讨葡萄糖浓度对发酵速率的影响”的第二次及第三次表格中。

（9） 完成步骤（1）~（8）后，将表格中的3次记录数据相加后计算出平均值，再将平均值绘于探究活动记录簿内所附的折线图及柱形图中，或选用常用软件并输入数据，转绘出折线图及柱形图，最后将图粘贴在记录簿内。

【将结果数据绘制图表的方式】该实验产生数据较多，为了能直观地看出变化趋势，将实验数据制成图表，以便从中寻找规律，得出结果。一般有以下两种方式。

（1） 长条图（柱形图）。①强调每个时间点或物理量，比较两组数据有什么不同。②适合比较各自变量引起因变量的变化，或是单一变量随自变量变化而变化^［3］。基于表2数据绘制的柱形图如图2所示。

（2） 折线图（曲线图）。①强调数据随时间（物理量）变化的趋势。②适用于操纵变量是“连续变项”时，注重基于资料的变化趋势。基于表2数据绘制的折线图如图3所示。

【例1】0.2 g/mL的酵母菌分别在葡萄糖浓度为0.1 g/mL、0.2 g/mL及0.3 g/mL时的发酵速率。

该“探讨活动”栏目中还有两个探讨实验：探讨糖种类对发酵速率的影响（步骤略）、探讨酵母菌浓度对发酵速率的影响（步骤略）。

【问题与讨论】

（1） 由“探讨葡萄糖浓度对发酵速率的影响”记录结果转绘的图表中可以看出，0.1 g/mL葡萄糖、0.2 g/mL葡萄糖、0.3 g/mL葡萄糖最佳及最差的发酵结果分别为哪一种？葡萄糖浓度是否越高，发酵速率越快？为什么？

（2） 由“探讨糖种类对发酵速率的影响”记录结果转绘的图表中可以看出，2.0 g的葡萄糖、果糖、蔗糖最佳及最差的发酵结果分别为哪一种（或哪些）？葡萄糖、果糖、蔗糖分别为单糖或二糖，单糖与二糖是否影响发酵速率？酵母菌对于糖类的利用喜好顺序如何？为什么？

（3） 由“探讨酵母菌浓度对发酵速率的影响”记录结果转绘的图表中可以看出，0.1 g/mL、0.2 g/mL、0.3 g/mL酵母菌最佳及最差的发酵结果分别是哪一种（或哪些）？酵母菌浓度是否越高，发酵速率越快？为什么？

（4） 请设计实验探讨其他影响发酵作用的因素，如温度、pH等。

2 探讨“酵母菌的发酵”活动给我们的启示

2.1 提供探讨活动步骤，指导性强

这一探讨活动提供了可供操作的步骤，让学生有了一个可供参考的实验操作程序。因为探究实验的设计对学生的探究能力要求很高，不同地区、不同层次学校的学生能力差异较大，基础好的学生可以通过自主设计或者小组讨论完成，但基础薄弱的学生或者探究能力较差的学生则无法完成设计过程，所以这种将参考实验程序展示给学生的方法，让不同层次的学生都能完成探究实验过程，更能够体现以全体学生发展为本、培养学生学科核心素养的教学理念^［2］。

2.2 巧妙设计测量计，借鉴性强

发酵测量计的设计，只使用了一只烧杯与一支试管或离心管就完成制作，并没有使用先进的仪器，且设计这种测量计本身就是一个科学思维的培养过程^［3］。我们不排除现在一些有条件的教师用先进的仪器进行定量实验（如传感器），但我国不同地区学校条件的差异很大，有很多学校没有先进的仪器设备，如果教师能够在这种条件下利用常见的仪器设计出一些操作灵活、结构精巧的仪器或教具，就能解决当前一些学校面临的实际问题。

2.3 多角度实验设计，发散性强

探讨活动“酵母菌的发酵”共介绍了3项探讨活动：探讨葡萄糖浓度、糖种类、酵母菌浓度对发酵速率的影响。每项探讨活动都有相应的实验步骤、表格、柱形图及折线图。这种设计能让学生理解影响酵母菌发酵的因素有很多，并且在问题与讨论中又以问题的形式引导学生拓展延伸实验，如设计实验探讨温度、pH对酵母菌发酵的影响。经综合分析之后发现，这类探讨活动能让学生领悟到影响因素是多方面的，从而让学生学会了发散性思维方法，这就为今后其他探究实验活动的开展奠定了基础，而这也是创新思维的关键。

2.4 重视数据的处理，思维进阶

教材中的探讨活动“将结果数据绘制图表”栏目，共设有3道例题对应3个实验设计，给出了表格与可参考的实验数据，再由这些数据转换成柱形图或折线图，而柱形图与折线图具有直观性强的特点，在科学研究中是常用的数据处理方式。该实验实现了数形转换，从而培养了学生的数据处理能力与绘图能力，发展了学生的思维深度与广度，给学生提供了处理数据的多种方法，从而实现了实验设计数据处理的思维进阶。当然，实验中的真实数据与教材提供的数据可能存在差异，这是允许的，同时教材中的数据给学生提供了参考^［2］，让学生学会了由数据转换为柱形图与折线图的方法。

2.5 “问题与讨论”脉络清晰，启发性强

“问题与讨论”栏目脉络清晰，设计了4个大问题，前3个大问题对应3个探讨活动设计任务，在每个大问题中又设计了几个小问题，分别从“结果是什么？”“有什么规律？”“分析其原因”这几个层面进行设问，也就是实验结果的分析与结论。第4个大问题是对实验的拓展，在此基础上让学生自主设计实验，探讨其他影响酵母菌发酵的因素，当学生基于前3个实验设计掌握了一般步骤与方法后，自然对拓展实验有了解决的脉络。这类探讨活动涉及酵母菌发酵的多个方面，使得学生通过这一项探讨活动，掌握了探究实验的一般步骤及要探究的影响因素一般有哪些。这一实验可以在“探究酵母菌种群数量变化”的实验中拓展使用，也就是影响种群数量变化的因素有哪些？也可以在探究酵母菌的呼吸方式中得到拓展延伸使用，如不同氧浓度对酵母菌的呼吸作用有什么影响？

3 结语

台湾地区高中生物学教材中的“探讨活动”栏目与人教版高中生物学教材中的“探究•实践”栏目倡导培养学生的学科核心素养不谋而合，既与人教版教材中的“探究•实践”栏目有一些相似之处，又有所区别，符合学生的认知规律，在实验操作过程中有步骤指导、数形转换的示例，有问题与讨论、拓展与延伸，便于引导学生思考，这样就能使探究实验落到实处，增加了其可操作性与思维的发散性，值得我们借鉴，且实验仪器的巧妙使用与设计更是值得教师学习。

参考文献

[1] 于宏燦.普通高中生物学选修I［Ｍ］.台北：三民书局，2021.

[2] 章青.日本生物学教材中探究实验案例及启示［J］生物学教学，2015（13）：43-45.

[3] 周晓强，章青.台湾地区高中生物学教材中“探讨活动”栏目特色分析［J］.生物学教学，2024，49（10）：48-50.

基金资助

江苏省教育科学“十四五”规划2021年度课题“聚焦学科大概念的生物学大单元教学实践的研究”(C-c/2021/02/35)