基于模擬實驗探討2018年高考全國Ⅰ卷理綜第37題

黃智剛 張璐雅 汪斯丹 房夢琦 陳云貴

(湖北省武漢外國語學校 武漢 430022)

高考過后新高考題總是人們關注的“焦點”，特別是對于還未參加高考的學生。有些學生在解答2018年全國Ⅰ卷理綜第37題(生物技術實踐)時，提出了一些有疑惑的問題。針對學生提出的問題，教師嘗試引導有興趣的學生，從教室走進實驗室，在具體實驗中尋求答案。

1 2018年全國Ⅰ卷理綜第37題

將馬鈴薯去皮切塊，加水煮沸一定時間，過濾得到馬鈴薯浸出液。在馬鈴薯浸出液中加入一定量蔗糖和瓊脂，用水定容后滅菌，得到M培養(yǎng)基。回答下列問題： (節(jié)選)

(3) 若在M培養(yǎng)基中用淀粉取代蔗糖，接種土壤濾液并培養(yǎng)，平板上長出菌落后可通過加入顯色劑選出能產淀粉酶的微生物。加入的顯色劑是▲，該方法能篩選出產淀粉酶微生物的原理是▲。

參考答案： 碘液、淀粉遇碘液顯藍色，產淀粉酶的菌落周圍淀粉被水解，形成透明圈。

2 學生提出問題及實驗探討

2.1 實驗背景 為了較快地獲取實驗數據，教師建議參與實驗的學生，設計模擬實驗即可，即用商品化的α-淀粉酶溶液模擬產生淀粉酶的微生物。

2.2 實驗材料 試劑： α-淀粉酶(最適50～75℃)、瓊脂粉、可溶性淀粉、碘酊。相關試劑濃度： α-淀粉酶和剛果紅，均用蒸餾水配制，濃度均為10 mg/mL。器具： 錐形瓶(250 mL)、培養(yǎng)皿(直徑100 mm)、微量移液器。固體培養(yǎng)基配方(每100 mL)： 可溶性淀粉10 g、瓊脂20 g。

2.3 模擬實驗 具體如下：

2.3.1 問題1： 透明圈能否作為鑒定標準 學生通過查找文獻發(fā)現： 淀粉在α-淀粉酶的作用下，可水解為分子量較小的“糊精”?！昂庇卸喾N類型，有些與碘液反應呈現紅色，有些呈現藍色，也有些不發(fā)生顯色反應[1]。土壤微生物分解淀粉，主要就是它們能夠產生α-淀粉酶[2]。學生提出： 固體培養(yǎng)基中的淀粉被α-淀粉酶水解后，得到的“糊精”，會不會與培養(yǎng)基中的碘發(fā)生反應呢？若呈現紅色，那么觀測指標應當為紅色圈而非透明圈，若呈現藍色，則不能用碘液來完成鑒定工作。即便是不發(fā)生顯色反應，會不會在淀粉水解處呈現碘液原本的褐色呢？

為了回答這個問題，學生按照上述配方制備平板，然后往平板中央滴一滴α-淀粉酶溶液，待溶液干后倒置于37℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h，然后往培養(yǎng)皿中倒入5 mL碘液，約5 min后，倒去碘液，再加入5 mL蒸餾水，約5 min后倒掉。得到的顯色效果如圖1A所示。結果顯示，培養(yǎng)基幾乎被染成黑色，淀粉水解處也有棕色碘液殘留，但置于有字報紙上方，字能清晰透過，故可認定為“透明圈”。

在做這個實驗時，學生注意到培養(yǎng)基幾乎被染成“黑色”。通過查閱文獻資料，學生發(fā)現，這是由于碘濃度過高所致[3]。于是，學生將碘液稀釋10倍后重做上述實驗(圖1B)。此時培養(yǎng)基呈現正常的藍色，培養(yǎng)基上不容易著色的淀粉團也能清晰呈現，淀粉水解處無棕色的碘液殘留，呈現出正常的透明圈。

圖1 模擬實驗得到的透明圈

2.3.2 問題2： 碘液能否在倒平板時就加入 不少學生依據教材提出，顯色劑碘液能否在倒平板時就加入？經過討論后一致認為可行，但在何時加入產生了分歧： 有學生認為，應當在滅菌前加入到培養(yǎng)基中，以防止碘液引入雜菌；而另一些學生則認為，應當在培養(yǎng)基滅菌后，倒平板前加入到培養(yǎng)基中，以防止碘液揮發(fā)。

為了搞清楚這個問題，學生先做了預實驗。按照常規(guī)劑量，一般2 mL 1%的淀粉溶液滴加2滴碘液[4]，20滴碘液約為1 mL，基于此，可計算出50 mL培養(yǎng)基中需加入2.5 mL的碘液。預實驗按照此劑量添加碘液后，發(fā)現培養(yǎng)基呈現藍得發(fā)黑，不利于后續(xù)實驗的觀察。

學生經過摸索，設計了能使淀粉溶液呈現的顏色成梯度變化： 即每50 mL培養(yǎng)基分別添加碘液0 μL、50 μL、100 μL、150 μL、200 μL、250 μL、300 μL。基于此，學生進一步設計了甲、乙兩組實驗，每組設置上述7個碘液濃度。甲組培養(yǎng)基在滅菌前加入碘液，乙組在倒平板前加入碘液。實驗結果發(fā)現： 甲組培養(yǎng)基在加入碘液之后，呈現深淺不同的藍色；然而，經過高壓蒸汽滅菌后，藍色全部消失，靜置直到培養(yǎng)基冷凝，未見藍色恢復。而乙組在倒平板前加入碘液后，則使培養(yǎng)基呈現深淺不同的藍色，培養(yǎng)基在培養(yǎng)皿冷卻后，藍色幾乎沒有變化，各培養(yǎng)皿放置48 h，均未見菌落。

結果表明： 碘液應當在倒平板前加入，不能在滅菌前加入。那甲組培養(yǎng)基經高壓蒸汽滅菌后，藍色為何消失了呢？有學生認為是碘受熱揮發(fā)所致。而另一些學生通過查閱文獻后發(fā)現，淀粉與碘顯色反應會受溫度的影響，45℃以上的溫度會導致碘與淀粉反應呈現的藍色褪色，冷卻會恢復藍色[5]。在甲組實驗中，培養(yǎng)基冷凝卻未見藍色恢復，說明高溫不僅影響碘與淀粉的反應，并有可能導致碘揮發(fā)。具體機理有待進一步考證。

2.3.3 問題3： 碘液加多少現象才明顯 有位學生考慮到，若在倒平板時加入碘液，在微生物的培養(yǎng)過程中，碘液會揮發(fā)損失。那需要添加多少碘液，才能在最后觀察到比較明顯的實驗現象？

本著節(jié)約的原則，學生在上述乙組實驗的基礎上設計了如下實驗： 待乙組培養(yǎng)皿中的瓊脂凝固后，在平板中央滴一滴α-淀粉酶溶液，待溶液干后，倒置于37℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h，然后觀察現象。實驗結果發(fā)現： 平板上滴加了α-淀粉酶溶液的位置均能觀察到透明圈，平板中碘液添加越多，平板底色越深，透明圈越明顯。當添加碘液濃度小于200 μL/50 mL時，培養(yǎng)皿顯色較淺，甚至顏色偏紅，不為藍色。

實驗結果表明： 碘液添加濃度為250 μL/50 mL時比較恰當。

2.3.4 問題4： 剛果紅可否作為篩選指示劑 有學生指出，人教版教材生物(選修1)《生物技術實踐》第28頁提到，剛果紅可與多糖形成紅色復合物，即剛果紅也可以與淀粉反應形成紅色復合物。既然如此，該實驗能否用剛果紅作為指示劑呢？

為了一探究竟，學生設計了如下實驗： 按照上文所述的配方配制了5瓶培養(yǎng)基，滅菌后倒平板前分別加入0 μL、250 μL、500 μL、750 μL、1000 μL的剛果紅溶液，待平板凝固后，在平板中央滴一滴α-淀粉酶溶液，待溶液干后，倒置于37℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)48 h，然后觀察現象。實驗結果發(fā)現： 添加剛果紅溶液后，培養(yǎng)基呈粉紅色，添加剛果紅的量對紅色深淺程度變化不大，且平板上滴加了α-淀粉酶溶液的位置均能觀察到透明圈。

實驗結果表明： 剛果紅也能用于篩選產淀粉酶的微生物。但用剛果紅作為指示劑時，還得考慮到剛果紅會與纖維素結合呈現紅色。如考題所給的M培養(yǎng)基主要成分為馬鈴薯浸出液，其中就含有纖維素，選用剛果紅作為指示劑，就不能排除篩選出的是分解纖維素的微生物。在實際研究中，若一定要選用剛果紅作為指示劑，就得換種淀粉培養(yǎng)基，如高氏一號合成培養(yǎng)基[6]。

3 教學反思

筆者深刻地感受到，學生討論問題時空前熱烈，查找資料時非常積極，對自己設計實施實驗也特別用心，等得到實驗結果后異常興奮。有學生還感慨“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”。顯然，學生在以上的實驗活動中，收獲的不僅是問題答案，還有設計實驗、解決問題的能力，同時獲得了滿足感、成就感，這勢必激起他們對生物學學科更大的學習興趣。