自动供氧型一体化实验教具制作及应用

摘要

基于气体压强原理，利用注射器和输液管为主要材料，设计制作“氧气自动供应装置”为酵母菌有氧呼吸提供纯氧，避免空气中CO₂对实验结果检测的影响。使用三通阀控制注射器连通情况，随时了解酵母菌细胞呼吸过程中的物质变化。最后，经整体设计，制作出“探究酵母菌细胞呼吸的方式”自动供氧型一体化实验教具，为高中开展“探究酵母菌细胞呼吸的方式”探究实验提供支持。

Graphical abstract

关键词

自动供氧 / 酵母菌 / 细胞呼吸 / 自制教具

细胞呼吸作用是高中生物教学的重点和难点。由于细胞内反应过程比较抽象和复杂，学生无法深入理解其具体原理。因此，教材设置“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验，通过引导学生开展实验探究活动，帮助其理解呼吸作用的过程。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《新课标》）在本模块内容的“教学提示”中强调：教师要组织好观察、实验等探究性学习活动，使学生领悟科学研究的方法并习得相关的操作技能^［1］。但是，由于高中教学任务繁重，很多教师选择播放视频或模拟操作等方式完成本实验的教学，不利于学生实验探究能力的培养和对知识的深入理解。

如何在有限的时间内尽可能让学生真正参与实验的过程，落实科学思维和科学探究能力的培养？在经过多次实验探究和讨论的基础上，笔者从实验目的、实验过程、预期的实验效果等多方面考虑，对教材实验装置进行了重新设计，经过不断完善，最终完成了“探究酵母菌细胞呼吸的方式”自动供氧型一体化实验教具的制作，有效提升了实验的效率和效果。

1 问题分析和解决方案

通过多次开展“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验和讨论，发现部分可以优化的思路：反应时间长，空气中的CO₂无法除尽，影响实验结果检测；无法实时检测呼吸过程中的物质变化等^［2］。如何优化？笔者的方案是为酵母菌细胞有氧呼吸提供纯氧，加快有氧呼吸速率，同时又可以排除原先通入空气中的CO₂对反应产生的CO₂检测的影响。重新设计反应装置，为酵母菌反应装置增加抽样检测装置。

《新课标》课程实施建议中要求：“可以设计低成本、低消耗、低（无）污染的教学实验。在重视定性实验的同时，也应重视定量实验，让学生在量的变化中了解事物的本质。”^［1］同时基于实验要解决的问题和预期达到的效果，经多次探究完善，最终利用生活中的低成本材料完成了装置的制作。

2 基本设计原理

教具设计主要考虑两方面内容：提升反应效率和方便结果检测，主要原理如图1所示。

3 制作材料和方法

3.1 材料用具及结构特点

实验教具装置整体结构如图2所示，主要材料为注射器、三通阀、输液管、相关电子器件^［3］。在教具制作过程中将会使用到一些材料和电子元器件，主要部件及其作用如表1所示。

3.2 制作方法

（1） 酵母菌反应器，如图2中的注射器A。

用电钻在550 mL注射器10 mL刻度左侧和150 mL刻度右侧打孔。切掉两个1 mL螺旋头注射器的螺旋头，用热熔胶分别将其粘接在两孔上。螺旋头上连接三通阀，将2支10 mL注射器连接在三通阀上。左侧B注射器加入酸性重铬酸钾溶液用于检测酒精，右侧C注射器添加溴麝香草酚蓝溶液用于检测CO₂。在右侧C注射器三通阀下方连接单向通气阀j，防止空气中的CO₂进入注射器A。在550 mL注射器注射头处连接三通阀，以便添加反应溶液。

（2） 自动供氧系统，如图2中的注射器D和E。

①设计原理：FeCl₃溶液可以催化H₂O₂溶液分解产生O₂。小型气泵将D注射器中产生的O₂泵入反应器主体，D中压强减小，E中H₂O₂溶液进入D，与其中的FeCl₃溶液继续反应产生O₂，实现自动供氧。

②注射器改装：在550 mL注射器上方450 mL刻度左右两侧分别打孔并连接二通阀，在其注射头处连接三通阀，如图2中的D注射器。在350 mL注射器注射头处连接三通阀，如图2中的E注射器。

③微型气泵：取表1中相应规格的微型气泵，根据其直径大小在教具底座上打孔并将气泵固定在底座上。

④连通器：取适宜长度的输液管，两端分别连接切割好的注射器公头，通过二通阀将D注射器右侧进液孔和E注射器相连通，左侧出气孔与气泵进气口连通，气泵出气口与反应器下方进气口连通。

（3） 其他结构。

教具框架：用木条、有机板和射钉枪制作教具整体框架，并用开槽机对木条内侧开槽，以便安装有机板。将PVC水管依据相应注射器大小切割成卡扣形状，并将其用热熔胶固定在教具面板上，以便随时拿取相应反应装置。在底座右侧制作配件盒、上方安装提手，贴上教具名称。

4 自动供氧型一体化实验教具的应用

4.1 探究酵母菌细胞的无氧呼吸实验步骤

（1） 配制0.05 g/mL酵母菌溶液100 mL，将其加入A注射器中（方法1：直接将注射器取下，打开b三通阀、关闭a和c三通阀，吸取酵母菌溶液；方法2：打开b三通阀、关闭a和c三通阀，用其他注射器吸取酵母菌溶液，通过b阀门注入A注射器中），保证溶液在c阀门刻度之下。

（2） 关闭A注射器所有阀门，使其不与外界相通，酵母菌开始无氧呼吸，观察到有气泡产生，推动A注射器活塞上移。

（3） B注射器加入配制好的酸性重铬酸钾溶液，20 min后，调整a三通阀，使A和B注射器相通，用B吸取适量A中的反应液，检测是否有酒精生成，如果溶液变为灰绿色，说明酵母菌无氧呼吸有酒精产生。

（4） C注射器加入溴麝香草酚蓝溶液，调整c三通阀，使A和C注射器相通，用C吸取适量A中气体，检测是否有CO₂生成，如果溶液由蓝变绿再变黄，说明酵母菌无氧呼吸有CO₂产生。

4.2 探究酵母菌细胞的有氧呼吸实验步骤

（1） 配制0.05 g/mL酵母菌溶液100 mL，注入A注射器中。分别在D、E注射器中添加适量FeCl₃溶液和6% H₂O₂溶液50 mL。

（2） 打开三通阀e，使E注射器和D注射器连通；打开三通阀b，使A注射器与气泵F出气口连通；打开三通阀c，保证A注射器与外界相通，以便排气。

（3） 通过d三通阀向D注射器中注入适量H₂O₂溶液，然后关闭d三通阀，开始产生O₂，直到D注射器活塞在上方两个开孔之上。

（4） 通过气泵调速器打开气泵，并将其调整为合适速度，气泵从D注射器中吸入O₂，D注射器内压强减小，将E注射器中的H₂O₂溶液吸入D，与其中的FeCl₃溶液反应继续产生O₂，通过气泵将O₂不断输入A注射器酵母菌反应溶液中，实现自动持续供氧。

（5） A中气体逐渐增多，推动A注射器活塞上移至c阀门对应刻度之上，气体从c阀门通过单向通气阀排到空气中，如图3所示。

（6） 20 min后，便可用4.1中的（3）（4）两步方法检测有氧呼吸是否有酒精和CO₂产生。

4.3 实验结果

（1） 检测CO₂。

初始溴麝香草酚蓝溶液颜色为蓝色，作为对照，对探究酵母菌细胞无氧呼吸实验反应后气体进行检测。溴麝香草酚蓝溶液由蓝变绿再变黄，说明酵母菌无氧呼吸过程中有CO₂生成。对探究酵母菌细胞有氧呼吸实验反应后气体进行检测。由结果可知：溴麝香草酚蓝溶液最终也变黄色，说明酵母菌有氧呼吸过程中有CO₂生成。

（2） 检测酒精。

①检测原理：碘仿反应。在碱性条件下，碘液与酒精发生反应，产生黄色结晶物质——三碘甲烷（CHI₃）。在相同条件下，黄色结晶的越多，表明酒精浓度越大；反之，酒精浓度越小。②检测方法：通过B注射器分别吸取适量酵母菌细胞有氧呼吸和无氧呼吸反应后的溶液，倒置静置后取等量且适量上清液分别注入试管a和b，另取等量无水乙醇、葡萄糖溶液和蒸馏水注入试管c、d、e，在碱性条件下往各试管中加入等量碘液，一段时间后，观察黄色结晶生成情况。通过分析可知，由c、d、e组试管结果可知，碘液确实可以与酒精反应生成黄色结晶沉淀，而蒸馏水和葡萄糖溶液中均没有酒精，排除了无关变量的干扰。由a、b试管结果可知，酵母菌细胞无氧呼吸和有氧呼吸均有酒精产生，且无氧呼吸产生的酒精量大于有氧呼吸产生的酒精量。至于有氧条件下为什么也有少量酒精产生，笔者认为可能是由于部分酵母菌无法充分接触到氧气而进行无氧呼吸。

4.4 创新意义

（1） 将酵母菌反应溶液直接注入注射器反应容器，密闭的环境避免了环境中CO₂对实验结果的影响。

（2） 反应和检测装置融为一体，三通阀可有效控制连通情况，便于在反应过程中随时对反应产物进行检测。

（3） 利用压强变化原理和调速气泵，为酵母菌溶液实现自动供氧，排除通入空气中的CO₂对实验结果的影响，提升了酵母菌有氧呼吸的速率。

5 结语

采用注射器作为主体材料，结合使用输液管、三通阀、二通阀等配件和微型气泵及控制电路装置等电子元件，根据“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验要求和目的，设计制作了一套能够有效提升酵母菌细胞呼吸的速率，同时对反应过程中的物质变化进行实时定量检测的实用教具。在使用过程中，需要学生结合生物学、物理、化学知识理解实验的原理和步骤，有助于促进学生对酵母菌细胞呼吸方式和影响因素的深度理解，提升学生的科学思维、科学探究等学科核心素养。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020.

[2] 余鸿婷，张锋.基于跨学科融合的高中生物学实验改进及教学探讨：以“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验为例［J］.中学生物学，2023，39（04）：48-50.

[3] 陈佳兴.浅谈“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验的优化和改进［J］.中学生物教学，2022（01）：43-46.

基金资助

2023年安徽省教育装备课题“基于项目化教学的实验创新教具制作与案例研究”(ZB23118)