基于科學(xué)探究的“酵母細(xì)胞的固定化”實(shí)驗(yàn)教學(xué)

張培娥 王建華

江蘇省邳州市第二中學(xué)(221300) 江蘇省溧陽市南渡高級中學(xué)(213300)

2017年普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)提出，生物課程的基本理念之一是以學(xué)科素養(yǎng)為核心。而“科學(xué)探究”就是高中生物學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容。“科學(xué)探究”是指能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中的生物學(xué)問題，針對特定的生物學(xué)現(xiàn)象，進(jìn)行觀察、提問、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方案實(shí)施以及結(jié)果的交流與討論的能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是進(jìn)行科學(xué)探究的重要手段，也一直是中學(xué)生物學(xué)教學(xué)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。在實(shí)際教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往受教學(xué)條件、實(shí)驗(yàn)器材等的限制，準(zhǔn)備一節(jié)實(shí)驗(yàn)課難度大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，有時(shí)一節(jié)實(shí)驗(yàn)課結(jié)束，實(shí)驗(yàn)不成功，或者實(shí)驗(yàn)效果不明顯，打擊了學(xué)生實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的積極性，嚴(yán)重影響課堂教學(xué)效果。所以，許多教師干脆不做實(shí)驗(yàn)，而是講實(shí)驗(yàn)。但講實(shí)驗(yàn)不利于學(xué)生知識的獲取和能力的提升，不利于他們科學(xué)思維的養(yǎng)成。所以，我們在教學(xué)過程中要克服種種困難，想辦法創(chuàng)造條件、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，努力開出實(shí)驗(yàn)，做好實(shí)驗(yàn)?！敖湍讣?xì)胞的固定化實(shí)驗(yàn)”是蘇教版選修1第3章“酶的應(yīng)用技術(shù)實(shí)踐”中“邊做邊學(xué)——酵母菌細(xì)胞的固定化技術(shù)”的內(nèi)容，在組織學(xué)生實(shí)驗(yàn)的過程中，教師和學(xué)生一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，對實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)步驟等內(nèi)容做了些許改進(jìn)，以期更好地達(dá)到科學(xué)探究的目的。

1 實(shí)驗(yàn)器材及藥劑的改進(jìn)

蘇教版教材中用酒精燈小火間斷加熱，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)使用酒精燈加熱，學(xué)生一不留神，就會使海藻酸鈉焦糊。為此我們換成水浴鍋加熱，既不會使海藻酸鈉焦糊，同時(shí)也可以控制溫度。為了簡化實(shí)驗(yàn)，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的葡萄糖溶液代替麥芽汁。用適宜濃度的海藻酸鈉代替聚乙烯醇和海藻酸鈉的混合物。

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

水浴鍋，量筒，洗瓶，玻璃棒，50 mL、250 mL、500 mL的燒杯各1個(gè)，鑷子，20 mL的注射器(無針頭)等。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

安琪干酵母、氯化鈣粉末、海藻酸鈉粉末、10%的葡萄糖溶液、蒸餾水。

2 實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn)

為了在有限的時(shí)間內(nèi)讓學(xué)生進(jìn)行更深入的實(shí)驗(yàn)探究，在實(shí)驗(yàn)方案上，將全班學(xué)生進(jìn)行分組，探究以下4個(gè)方面的問題。

2.1 不同濃度的海藻酸鈉對凝膠珠的影響

教材中同質(zhì)量的海藻酸鈉加10 mL的水，能形成凝膠珠嗎？不同濃度的海藻酸鈉對形成凝膠珠有何不一樣？實(shí)驗(yàn)中要配制不同濃度相同體積的海藻酸鈉溶液用水浴加熱至完全溶解，冷卻至室溫待用，定容。用0.7 g海藻酸鈉和20 mL蒸餾水，通過預(yù)實(shí)驗(yàn)找到合適的海藻酸鈉濃度。建議配制濃度：0.1 g海藻酸鈉和20 mL蒸餾水、0.7 g海藻酸鈉和20 mL蒸餾水、1.0 g海藻酸鈉和20 mL蒸餾水。

2.2 不同濃度的氯化鈣溶液對凝膠珠的影響

教材中為什么要0.05 mol/L CaCl2溶液？其他濃度可以嗎？對凝膠珠的形成有什么影響？氯化鈣溶液的濃度建議為：0 mol/L、 0.05 mol/L、0.15 mol/L。

2.3 探究距離氯化鈣液面的高度凝膠珠的影響

探究距離CaCl2液面不同高度，所得凝膠珠情況。觀察制備形成凝膠顆粒的形態(tài)、顏色及彈性并記錄結(jié)果。

2.4 探究推注射器的速度對凝膠珠的影響

教材中要求以恒定的速度緩慢地將注射器中的混合液滴加至氯化鈣溶液中，在氯化鈣溶液里浸泡30 min。為什么要以恒定的速度緩慢地滴加？我們設(shè)計(jì)小組合作探究推注射器的速度，仔細(xì)觀察不同速度對凝膠珠形成的影響。

3 實(shí)驗(yàn)操作過程的改進(jìn)

對實(shí)驗(yàn)操作過程進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，小組內(nèi)合理分工，仔細(xì)觀察，要求學(xué)生認(rèn)真設(shè)計(jì)好本小組的實(shí)驗(yàn)方案，并進(jìn)行交流。

3.1 酵母細(xì)胞活化過程的改進(jìn)

課堂時(shí)間短，沒有充分的時(shí)間讓學(xué)生進(jìn)行酵母細(xì)胞的活化。所以，教師應(yīng)提前做好準(zhǔn)備，讓每個(gè)小組安排學(xué)生代表活化酵母細(xì)胞，活化好后每組取適量待用。探究過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)，按教材上用蒸餾水活化1 h，無論活化多長時(shí)間都沒有大量氣泡出現(xiàn)，也沒有體積變大的現(xiàn)象。通過師生共同探究，發(fā)現(xiàn)酵母細(xì)胞活化的最佳途徑:溫度30 ℃，在5%～10%的葡萄糖溶液中活化30 min。在實(shí)際教學(xué)中，這種方案活化酵母細(xì)胞時(shí)體積會變大，應(yīng)選體積足夠大的容器，防止酵母細(xì)胞活化液溢出。但在取已活化好的酵母細(xì)胞時(shí)，要靜置一段時(shí)間，否則有大量氣泡，影響凝膠珠的形成。

3.2 海藻酸鈉溶液配制的改進(jìn)

海藻酸鈉的溶解是實(shí)驗(yàn)的重要一步，為了使海藻酸鈉又快又好的溶解，在具體實(shí)驗(yàn)過程中可以改變加熱方式：將用酒精燈加熱改為水浴加熱，由于受熱均勻就不會出現(xiàn)焦糊的現(xiàn)象。水浴鍋的溫度設(shè)置為多少合適呢？一些參考資料建議水浴90 ℃以上，溶解較理想。事實(shí)上經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，溫度高于65 ℃，學(xué)生感覺燙手，不容易操作；溫度過低，溶解耗時(shí)較長。經(jīng)過反復(fù)探究發(fā)現(xiàn)：溫度設(shè)置為60 ℃左右較好，既不燙手，而且3～5 min內(nèi)海藻酸鈉就可以完全溶解。溶解的快慢還與學(xué)生用玻璃棒攪拌的速度和技巧有關(guān)。(偶然一次不認(rèn)真聽課的學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，把海藻酸鈉放入盛有20 mL蒸餾水的小燒杯里，就開始攪拌。當(dāng)學(xué)生詢問：“老師，這樣攪拌好了嗎？”筆者發(fā)現(xiàn)沒有安全性問題，索性不讓他進(jìn)行水浴加熱，讓其繼續(xù)攪拌，居然完全溶解了，但時(shí)間較長。)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真、仔細(xì)觀察海藻酸鈉溶解前后的現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)的良好習(xí)慣。

3.3 酵母菌細(xì)胞與海藻酸鈉混合的改進(jìn)

酵母菌細(xì)胞與海藻酸鈉混合，攪拌使其混合均勻，然后轉(zhuǎn)移至注射器中?；罨玫慕湍讣?xì)胞不能立即加到剛?cè)芑玫暮Ｔ逅徕c溶液中，以免高溫殺死酵母細(xì)胞，一定要等海藻酸鈉溶液冷卻至室溫后再加入。但是室溫25 ℃，不容易把握。實(shí)驗(yàn)過程中建議同學(xué)們用手臂接觸小燒杯底部，感覺不熱(與手臂溫度差不多)就可以了，這樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)簡單、安全、易操作。受水浴加熱的啟發(fā)，也可以用冷水浴加速冷卻，節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間。加入酵母菌細(xì)胞后，還要進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁蛊浠旌暇鶆?，這時(shí)的攪拌要輕緩，減少氣泡的產(chǎn)生，避免因氣泡而影響凝膠珠的質(zhì)量。

4 探究實(shí)驗(yàn)結(jié)果的交流展示

4.1 不同濃度的海藻酸鈉制備的凝膠顆粒的差異

高濃度的海藻酸鈉形成蝌蚪狀、面條狀的凝珠；低濃度海藻酸鈉形成的圓形凝膠珠，顏色淺、彈性差、易擠破；適宜濃度的海藻酸鈉形成圓形、有彈性、淺黃色的合格的凝膠珠。

4.2 用不同濃度的CaCl2溶液制備的凝膠顆粒

用0 mol/L的CaCl2溶液即蒸餾水，制備凝膠，固定化酵母細(xì)胞先呈圓球形，再變成蝌蚪狀沉入燒杯底部，并很快溶解在水里，也進(jìn)一步說明CaCl2溶液是凝固劑；用0.05 mol/L的CaCl2溶液制備凝膠形成圓球形凝膠珠；用0.15 mol/L的CaCl2溶液制備凝膠形成圓形凝膠珠，但彈性更強(qiáng)，不容易擠破。由于課堂時(shí)間有限，可以課后繼續(xù)探究更多組CaCl2溶液的濃度變化對凝膠珠形成的影響。

4.3 距離CaCl2溶液液面不同高度制備的凝膠顆粒

距離過小，會有拖尾現(xiàn)象；距離過高，形成圓形或橢圓形顆粒，但CaCl2溶液容易濺出。10～15 cm為最佳高度，超過20 cm形成橢圓形凝膠珠。

4.4 用不同速度推注射器制備的凝膠顆粒

推注射器的速度過快容易形成凝膠面條或凝膠蝌蚪狀，因此需要以恒定的速度緩慢地將注射器中的溶液滴加到配制好的CaCl2溶液中。但實(shí)際操作中不容易把握速度、高度和力度。針對這個(gè)問題，學(xué)生提出，可不可以像病人輸液一樣，設(shè)計(jì)出一套裝置以“輸液”的方式，固定高度，以恒定的速度滴加混合液。此時(shí)教師可鼓勵(lì)學(xué)生課后設(shè)計(jì)并制作相關(guān)“輸液”裝置，以達(dá)到預(yù)設(shè)的目的。

5 凝膠珠品質(zhì)的檢測

實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，讓學(xué)生動手?jǐn)D壓、摔打制好的凝膠珠，仔細(xì)觀察不同條件下形成的凝膠珠有何不一樣？容易彈起來的、不易擠破的、圓形的凝膠球?yàn)橹谱骱细竦漠a(chǎn)品。但最終檢測凝膠珠品質(zhì)的方式，還是通過酒精發(fā)酵來達(dá)成的。

濾出凝膠顆粒，用蒸餾水沖洗2～3次。用固定化酵母細(xì)胞發(fā)酵質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的葡萄糖溶液，在25 ℃條件下發(fā)酵24 h。學(xué)生對于動手釀酒非常感興趣，為了便于觀察，每一小組用自制的凝膠珠發(fā)酵無菌葡萄糖溶液，用干凈的250 mL的礦泉水瓶作發(fā)酵容器，隨時(shí)可以觀察發(fā)酵過程中是否有氣泡產(chǎn)生、哪組氣泡產(chǎn)生得較多、哪組酒味更濃？具體過程如下。

在錐形瓶中各加入等量等濃度的葡萄糖溶液，加入等量不同濃度的海藻酸鈉制得不同形狀或不同顏色的凝膠珠，并在適宜環(huán)境中發(fā)酵24 h。也可用一次性杯子或用250 mL的礦泉水瓶代替錐形瓶，帶回教室繼續(xù)觀察。但是注意，礦泉水瓶蓋太松、瓶倒了液體容易流出；如果擰緊瓶蓋，由于有氧呼吸和無氧呼吸，產(chǎn)生很多二氧化碳?xì)怏w，瓶內(nèi)壓強(qiáng)大，打開瓶蓋時(shí)一定注意安全，最好每隔一段時(shí)間，放一下氣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低濃度的海藻酸鈉制備的凝膠珠孔徑大，包埋的酵母菌細(xì)胞少，發(fā)酵產(chǎn)生的氣泡少，氣球沒有被吹大；高濃度的海藻酸鈉制備的凝膠珠孔徑小，也能發(fā)酵，但效果不理想；合格的凝膠珠發(fā)酵效果最好，產(chǎn)生的氣體最多，氣球被吹的最大。除了感知有氣體產(chǎn)生，也聞到了酒味(注意實(shí)驗(yàn)的酒不能品嘗)。學(xué)生就此還設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)檢測產(chǎn)生的氣體，以及用酸性重鉻酸鉀來檢測是否有酒精產(chǎn)生。

6 實(shí)驗(yàn)反思

一個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，需要教師和學(xué)生付出更多的精力，但通過實(shí)驗(yàn)所得的收獲也是“講實(shí)驗(yàn)”所遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能企及的。在具體的實(shí)驗(yàn)過程中，要及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生的閃光點(diǎn)并及時(shí)予以鼓勵(lì)，甚至要讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證自己的想法。要在教材實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上積極進(jìn)行拓展實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生勇敢嘗試，讓學(xué)生自主地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究?！敖湍讣?xì)胞的固定化”實(shí)驗(yàn)可以繼續(xù)探究的問題還很多，如凝膠珠在CaCl2溶液中浸泡時(shí)間的長短對凝膠珠的影響；注射器的大小、有無針頭對實(shí)驗(yàn)的影響；固定化酵母細(xì)胞可重復(fù)使用幾次等。在探究中分析、總結(jié)、展示、交流，以加深對實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)和理解。實(shí)驗(yàn)課，就要放手讓學(xué)生去做，在做中發(fā)現(xiàn)問題、分析并處理問題。學(xué)生的思維遠(yuǎn)比教師想象的要活躍。只要在實(shí)驗(yàn)過程中有所思、有所想、有所動，實(shí)驗(yàn)的失敗與成功一樣有意義。