“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化”的實驗改進(jìn)*

徐宛鈺 黃想安

（1 鄭州中學(xué) 河南鄭州 450001 2 鄭州市第五十八中學(xué) 河南鄭州 450001）

“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化”是《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中唯一通過實驗構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的實驗［1］。本實驗旨在使學(xué)生研究一個真實的種群，理解生物種群數(shù)量的變化；通過顯微鏡觀察，設(shè)計實施實驗，提升收集、整理、分析數(shù)據(jù)的能力，并嘗試建立數(shù)學(xué)模型。

“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化”通常采用的實驗方法是取少量干酵母，放入土豆培養(yǎng)液或葡萄糖溶液中進(jìn)行培養(yǎng)，每天定時取樣計數(shù)1 次，連續(xù)7 d 繪制出酵母菌種群數(shù)量變化曲線，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行初步分析。在通常的教學(xué)中要完成這個實驗，學(xué)生需要每天定時到實驗室進(jìn)行取樣計數(shù)，約30 min，連續(xù)耗時8 d，給教學(xué)帶來一定困難。多數(shù)教師可能會選擇只讓學(xué)生在課堂上做第7 天的實驗，之前的實驗由教師完成，學(xué)生難以參與完整的實驗過程，不利于知識的獲得。針對以上不足，本文就實驗方案進(jìn)行了改進(jìn)，可使學(xué)生在1 課時內(nèi)完成取樣、計數(shù)、構(gòu)建模型的任務(wù)，極大縮短了實驗時間，且能讓學(xué)生參與整個實驗過程，提升了學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果。

1 教師準(zhǔn)備

1.1 實驗材料、試劑及設(shè)備 干酵母菌、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%葡萄糖溶液、亞甲基藍(lán)染色液、顯微鏡、血細(xì)胞計數(shù)板、血細(xì)胞蓋玻片、200 μL 移液器及吸頭、恒溫培養(yǎng)箱、冰箱、有旋蓋的試管、試管架等。

1.2 實驗前期準(zhǔn)備 1）滅菌；2）培養(yǎng)8 d 所需要的菌液：課前7 d 開始，每天分別向相同2 瓶已滅菌的培養(yǎng)液中接種等量菌種，寫上接種時間，甲瓶置于26℃環(huán)境中，乙瓶置于4℃冰箱中，形成以溫度為變量的對照實驗，連續(xù)7 d。

1.3 標(biāo)記 當(dāng)天課前進(jìn)行接種，記為D0，培養(yǎng)1 h 后進(jìn)行實驗。之前接種進(jìn)行培養(yǎng)的菌液依次記為D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7（第1 天培養(yǎng)的菌液為D7）。

2 課堂實驗教學(xué)改進(jìn)

2.1 學(xué)生分組與分工 全班學(xué)生（以48 人計算）分為甲、乙2 個大組，每個大組有8 個小組，每個小組成員3 人，2 人觀察，1 人統(tǒng)計數(shù)據(jù)，取2 人計數(shù)的平均數(shù)，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。每個小組只負(fù)責(zé)某一天對應(yīng)菌液的取樣、制片和計數(shù)。8 個小組完成8 天的取樣和計數(shù)工作（表1）。

2.2 取樣與鏡檢計數(shù) 先將試管中的菌液振蕩搖勻，在清潔干燥的血球計數(shù)板上蓋上蓋玻片，用移液器吸取酵母菌液在蓋玻片邊緣滴一小滴，讓菌液沿縫隙自行進(jìn)入計數(shù)室（毛細(xì)作用）。滴加亞甲基藍(lán)染液，用吸水紙吸去多余的液體。靜置5 min。將血球計數(shù)板置于顯微鏡載物臺上，先用低倍鏡找到計數(shù)室所在位置，然后換成高倍鏡進(jìn)行觀察。如果菌液密度過大（每個小方格超過10 個菌體）則需要將樣品稀釋后計數(shù)；如果密度過?。總€中方格少于10 個菌體），則需要計整個大方格中所有的菌體數(shù)。建議用中間的25 個中方格進(jìn)行計數(shù)。每個計數(shù)室選左上、右上、左下、右下4 個角和中央的中方格中的菌體進(jìn)行計數(shù)，數(shù)據(jù)填寫于表1中，1 個小組學(xué)生得到2 組數(shù)據(jù)取平均值［2］。計數(shù)時注意，位于格線上的菌體只計數(shù)上邊線和左邊線上的。如果遇酵母出芽，芽體大小達(dá)到母細(xì)胞的1／2 時，即作2 個菌體計數(shù)。

表1 實驗分工與數(shù)據(jù)整理表

3 統(tǒng)計數(shù)據(jù)，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型

3.1 計算菌液密度 統(tǒng)計位置不同有2 種計算方法。方法1：菌液密度（個／mL）=（左上+右上+左下+右下+中間）÷80×400×104×稀釋倍數(shù)=（左上+右上+左下+右下+中間）×5×104×稀釋倍數(shù)；如果以4 個大的中方格進(jìn)行計算，只需統(tǒng)計左上、右上、左下、右下4 個中方格的數(shù)據(jù)即可計算出菌液密度。方法2：菌液密度=（左上+右上+左下+右下）÷100×400×104×稀釋倍數(shù)=（左上+右上+左下+右下）×4×104×稀釋倍數(shù)。本實驗由于酵母菌較小，建議采用第1 種方法計算。據(jù)計數(shù)室厚度為0.1 mm，因此除以體積。

3.2 建立數(shù)學(xué)模型 每個小組計算出平均數(shù)據(jù)后，教師立即用Excel 表格錄入2 個大組的8 個數(shù)據(jù)，現(xiàn)場在教學(xué)機(jī)上轉(zhuǎn)換成折線圖（圖1），顯示在多媒體上。

3.3 分析種群增長曲線 由圖1可知，甲組酵母菌種群增長為“J”型曲線，說明在2%的葡萄糖溶液中，26℃培養(yǎng)溫度下，酵母菌生長良好。通過曲線圖可以看出，在適宜的溫度下，甲組酵母菌的生長速度從D0 到D2 較快，D3 之后生長速度減慢，D4 和D5 生長速度恢復(fù)，D6 之后酵母菌生長速度非?？臁６医M酵母菌種群增長為“S”型曲線，種群在4℃溫度下，經(jīng)過一定時間的增長后，在第4天達(dá)到最大值，然后數(shù)量減少，第7 天又上升的狀態(tài)。與馬會放［3］的研究相比，本實驗結(jié)果說明，在4℃溫度下，酵母菌并沒有處于停止生長的狀態(tài)，而是生長速度相對較慢。由圖2的對數(shù)圖，可以看出酵母菌數(shù)量整體呈現(xiàn)上升的趨勢。

4 實驗改進(jìn)的優(yōu)點

4.1 改進(jìn)后的實驗方案，易于在實際課堂中操作原實驗要求每天都計數(shù)，時間上不允許。改進(jìn)后實驗任務(wù)分配給不同的小組，每個小組有2 個人同時計數(shù)，取2 個人計數(shù)的平均值。既節(jié)約了時間，也提升了效率。2 個大組又形成以溫度為變量的對照實驗。課堂上人人參與實驗，為本節(jié)高效的實驗課打下基礎(chǔ)。與教材中提供的探究方案對比，本方案的優(yōu)點更加突出，并能規(guī)避原方案的不足。

4.2 統(tǒng)計方法的規(guī)范化使得過程、結(jié)果和可重復(fù)性更科學(xué)可靠 血球計數(shù)板的計數(shù)是本實驗的難點。由于1 個計數(shù)室中含16 格中方格的大方格有4 個，而且酵母菌較小，為了避免學(xué)生計算出錯，直接要求學(xué)生選擇25 格的中方格進(jìn)行計數(shù)，用5點法進(jìn)行統(tǒng)計。選用方案1 計算菌液密度。對于壓線和出芽的酵母菌也做了相應(yīng)的規(guī)定，增加了實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，減小了實驗誤差。

4.3 分析實驗數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，幫助學(xué)生解決實際問題 通過實驗數(shù)據(jù)的收集，分析數(shù)據(jù)，利用Excel 表格構(gòu)建數(shù)學(xué)模型曲線，讓數(shù)學(xué)公式可視化（圖1）。在課堂上當(dāng)堂可見，對于學(xué)生分析實驗數(shù)據(jù)和解決生活中的實際問題大有益處，從而理解生物的種群數(shù)量增長是有多種形式的，影響種群數(shù)量的因素也是多方面的。這種思維方式對學(xué)生形成生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的科學(xué)思維很有幫助。感興趣的學(xué)生還可在課后觀察并記錄某種生物種群數(shù)量的變化，以及影響其變化的因素。

5 小結(jié)

本實驗?zāi)茉谝还?jié)課內(nèi)高效完成，需要提前分工，確定每個小組每個人的任務(wù)。實驗方案改進(jìn)后，把8 d 統(tǒng)計的工作放在一節(jié)課內(nèi)進(jìn)行，需要教師在課前做好細(xì)致的準(zhǔn)備工作。課代表協(xié)助教師收集各小組的最終數(shù)據(jù)，統(tǒng)計后完成數(shù)據(jù)建模。實際課堂中，學(xué)生的動手能力有強(qiáng)弱，態(tài)度也有差別，數(shù)據(jù)可能沒有教師實驗時精準(zhǔn)。本實驗讓2 個人計數(shù)，取平均值，有效地減少了人為因素引起的實驗誤差。通過改進(jìn)后的實驗方案，使學(xué)生在課堂上能完整體驗酵母菌種群數(shù)量在8 d 中的變化情況。學(xué)會用血球計數(shù)板計數(shù)，計算種群密度，并用實驗數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，有利于科學(xué)探究能力的提升。在同一班級組進(jìn)行不同溫度的對照實驗，可以觀察不同溫度下酵母菌液種群增長量的不同。這些改進(jìn)措施使本實驗得以在一節(jié)課內(nèi)成功地實施。