“培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化”實(shí)驗(yàn)方案優(yōu)化

崔彬彬

(鹽城市明達(dá)高級(jí)中學(xué)，江蘇 鹽城 224002)

酵母菌是與人們?nèi)粘Ｉ盥?lián)系最為緊密的一種微生物，它在日常生產(chǎn)生活中有著廣泛應(yīng)用，如制作饅頭、面包，釀造醬油、醋、酒等。它也是高中生物教材中實(shí)驗(yàn)常選擇的生物材料，學(xué)生對(duì)其結(jié)構(gòu)、生命活動(dòng)特征都有清楚的認(rèn)識(shí)，也是工程技術(shù)中常用的微生物。酵母菌可以用液體培養(yǎng)基(培養(yǎng)液)來培養(yǎng)，培養(yǎng)液中酵母菌種群的增長(zhǎng)情況與發(fā)酵食品的制作質(zhì)量有密切關(guān)系。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了“不同培養(yǎng)條件下酵母菌種群數(shù)量的變化”開放性實(shí)驗(yàn)，旨在引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)嘗試建立一個(gè)“培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化”的數(shù)量模型，以此探索酵母菌種群的數(shù)量特征和變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上探究不同培養(yǎng)條件對(duì)酵母菌種群數(shù)量的影響，總結(jié)出以不同培養(yǎng)條件下酵母菌種群數(shù)量的變化數(shù)學(xué)模型。

一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化與創(chuàng)新

人教版《生物·必修3·穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》第4章第2節(jié)為“種群數(shù)量的變化”，該節(jié)內(nèi)容分為四部分：種群增長(zhǎng)模型的建構(gòu)方法、種群增長(zhǎng)的“J”型曲線、種群增長(zhǎng)的“S”型曲線、種群數(shù)量的波動(dòng)和下降。它是在學(xué)生了解種群數(shù)量特征的基礎(chǔ)上，引入數(shù)學(xué)模型建構(gòu)方法來描述、解釋和預(yù)測(cè)某種群數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化發(fā)展規(guī)律。模型建構(gòu)是高中生物學(xué)科研究方法的重要教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生在必修1和必修2中已經(jīng)進(jìn)行過概念模型和物理模型的學(xué)習(xí)和構(gòu)建，如有氧呼吸、光合作用等概念，物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸?shù)雀拍顖D以及DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)、細(xì)胞膜和細(xì)胞結(jié)構(gòu)的物理模型等。

(一)常規(guī)實(shí)驗(yàn)方案的局限性

為促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)科核心素養(yǎng)的提升，并能夠運(yùn)用數(shù)學(xué)模型表征種群數(shù)量變量的規(guī)律，本節(jié)內(nèi)容后面提供了探究性實(shí)驗(yàn)“培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化”。酵母菌的培養(yǎng)耗時(shí)長(zhǎng)且操作要求高，若按教材提示方法操作，學(xué)生要連續(xù)7天跟蹤檢測(cè)一瓶酵母菌培養(yǎng)液，每天進(jìn)行一次觀察計(jì)數(shù)。這個(gè)方案只適合社團(tuán)或者興趣小組的課余探究實(shí)驗(yàn)，若要面向全年級(jí)同學(xué)同時(shí)開展，不但在時(shí)間安排上有難度，而且稍有疏忽就會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，因此有必要優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

(二)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案的創(chuàng)新點(diǎn)

1. 縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)

如果能同時(shí)獲得分別培養(yǎng)了1—7天的酵母菌培養(yǎng)液，就可以在一節(jié)實(shí)驗(yàn)課完成本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。假設(shè)下個(gè)星期二的下午兩點(diǎn)上實(shí)驗(yàn)課，那么就需要從本周星期二開始，連續(xù)7天在下午兩點(diǎn)配制酵母菌培養(yǎng)液，這樣到下個(gè)星期二的下午兩點(diǎn)就可以同時(shí)獲得分別培養(yǎng)了1—7天的酵母菌培養(yǎng)液，從而實(shí)現(xiàn)同一節(jié)實(shí)驗(yàn)課上對(duì)具有培養(yǎng)時(shí)間不同的酵母菌培養(yǎng)液進(jìn)行觀察計(jì)數(shù)，極大地縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

2. 提高酵母菌計(jì)數(shù)的精確性

顯微鏡通過透鏡組實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢物體的放大，透鏡組是顯微鏡的主要光學(xué)部件，它能消除單透鏡成像形成的像差，從而提升顯微鏡的成像質(zhì)量。顯微鏡的物鏡與目鏡都由透鏡組合而成，其功能與凸透鏡類似，主要起放大作用。

數(shù)碼顯微鏡是將顯微鏡所成的實(shí)物圖像通過數(shù)模轉(zhuǎn)換，使其所成圖像呈現(xiàn)在顯微鏡自帶的或與顯微鏡連接的計(jì)算機(jī)顯示器屏幕上，所以數(shù)碼顯微鏡又常被稱為視頻顯微鏡。數(shù)碼顯微鏡是融合光學(xué)顯微鏡技術(shù)、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)于一體的一種新型教學(xué)科研設(shè)備。

數(shù)碼顯微鏡所融合的技術(shù)，也是它相較于光學(xué)顯微鏡的主要優(yōu)勢(shì)。如圖1所示，通過感光傳感器(CCD或CMOS)將顯微鏡透鏡組所成的物像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)，從而就具有了顯微攝像功能，能把觀察到的物像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像而保存到存儲(chǔ)器，形成圖像文件以便于保存和調(diào)用。數(shù)字圖像既可以通過自帶的液晶顯示器輸出，也可以通過USB接口連接電腦，從而將數(shù)字圖像輸出到電腦的顯示器或投影儀，這樣可以滿足多人觀察；如果通過電腦輸出到投影儀，則全班同學(xué)可以一同觀看影像，開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)極其便利。

二、實(shí)驗(yàn)步驟

(一)配制培養(yǎng)液

取去皮土豆100g，切成2—3cm小方塊，加水500mL，加熱煮沸后用紗布過濾，濾液中加入10g葡萄糖，冷卻后加蒸餾水定容至500mL。將培養(yǎng)液用量筒量取50mL分裝到7個(gè)錐形瓶中，用線扎緊紙封住瓶口，100Pa高壓蒸汽滅菌20min，即成20%土豆培養(yǎng)液。待培養(yǎng)液冷卻至室溫后，錐形瓶依次貼上1—7號(hào)標(biāo)簽置于30℃恒溫培養(yǎng)箱備用。

(二)接種酵母菌

每天在固定時(shí)間稱取0.25g活性干酵母對(duì)指定編號(hào)的培養(yǎng)液進(jìn)行等質(zhì)量接種，第1天接種1號(hào)瓶，第2天接種2號(hào)瓶，以此類推，第7天接種7號(hào)瓶，這樣到第8天的固定時(shí)間，我們就同時(shí)得到分別培養(yǎng)了1—7天的酵母菌培養(yǎng)液各1瓶。將7瓶培養(yǎng)液同時(shí)取出置于4℃恒溫箱備用。

(三)取樣制片

取7個(gè)潔凈的50mL錐形瓶，依次貼上稀釋液1—7號(hào)標(biāo)簽，瓶中各加入48mL無菌水，分別從1—7號(hào)培養(yǎng)瓶中移取1mL培養(yǎng)液加入對(duì)應(yīng)編號(hào)的稀釋液瓶中，再各加入1mL0.2%的亞甲基藍(lán)溶液，充分搖勻，這樣就完成了染色和對(duì)培養(yǎng)液的50倍稀釋。再分別移取稀釋液制片，每個(gè)樣品重復(fù)三次取樣。

(四)觀察計(jì)數(shù)

打開數(shù)碼液晶顯微鏡電源開關(guān)，顯示屏點(diǎn)亮，表明顯微鏡系統(tǒng)已開始工作，默認(rèn)為拍照模式。打開底光源開關(guān)，調(diào)節(jié)照明亮度。將血細(xì)胞計(jì)數(shù)板放置于顯微鏡的載物臺(tái)上夾穩(wěn)，先在低倍鏡下找到計(jì)數(shù)區(qū)后，再轉(zhuǎn)換高倍鏡觀察并對(duì)中方格中的酵母菌進(jìn)行計(jì)數(shù)，對(duì)于壓線的酵母菌依照“計(jì)上不計(jì)下，計(jì)左不計(jì)右”的原則進(jìn)行計(jì)數(shù)，拍攝顯微照片存檔備查。

(五)數(shù)據(jù)記錄

血細(xì)胞計(jì)數(shù)板上會(huì)刻有一些符號(hào)和數(shù)字，例如“XB-K-25”表示湯麥?zhǔn)接?jì)數(shù)板，大方格內(nèi)有25個(gè)中格；“0.1mm”表示計(jì)數(shù)室與蓋玻片之間的距離；計(jì)數(shù)區(qū)邊長(zhǎng)為1mm，則計(jì)數(shù)區(qū)的面積為1mm2，大方格都是由16×25=400個(gè)小方格組成，所以“1/400mm2”表示每個(gè)小方格的面積。

稀釋后的酵母菌培養(yǎng)液可以看作分布比較均勻的體系，所以本實(shí)驗(yàn)可采用五點(diǎn)取樣法計(jì)數(shù)，在總體中按梅花形取5個(gè)樣方，每個(gè)樣方的長(zhǎng)和寬要求一致。血細(xì)胞計(jì)數(shù)板大方格由25個(gè)相同大小的中方格組成，選取四角和中心的中方格為5個(gè)樣方，它們的計(jì)數(shù)值依次標(biāo)記為si(i=1,2,3,4,5)。用Nk表示每毫升分別培養(yǎng)了k天酵母菌培養(yǎng)液中的酵母菌個(gè)數(shù)，用nk表示每毫升分別培養(yǎng)了k天酵母菌培養(yǎng)液的稀釋液中的酵母菌個(gè)數(shù)，x表示稀釋倍數(shù)，這樣我們就可以通過計(jì)算得到每毫升培養(yǎng)液中的酵母菌數(shù)量。計(jì)算公式如下：

(六)建模與分析

通過Excel構(gòu)建培養(yǎng)液中酵母菌種群增長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型，包括曲線圖和數(shù)學(xué)表達(dá)式。由學(xué)生代表根據(jù)對(duì)建構(gòu)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行解說并得出最終的探究結(jié)論。教師引導(dǎo)學(xué)生自主探究“不同營(yíng)養(yǎng)條件下酵母菌種群數(shù)量變化”，引導(dǎo)學(xué)生從環(huán)境因素比如溫度、pH、培養(yǎng)液的種類、濃度等方面考慮，大膽假設(shè)種群數(shù)量變化的規(guī)律，再通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)小心求證。關(guān)于酵母菌的培養(yǎng)液，本實(shí)驗(yàn)采用土豆和葡萄糖混合培養(yǎng)液，而人教版教科書采用土豆培養(yǎng)基，蘇教版、浙教版教科書采用葡萄糖培養(yǎng)基。不同培養(yǎng)基各有特點(diǎn)，因而可以探究它們對(duì)酵母菌種群數(shù)量變化的影響。同樣培養(yǎng)條件下不同來源的酵母菌種群數(shù)量變化也有差異。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的主題目標(biāo)

本探索實(shí)驗(yàn)源于教材，具備一定的基礎(chǔ)性、綜合性，不僅可以測(cè)試學(xué)生掌握書本知識(shí)的情況，還能提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作、獲取信息、處理信息等關(guān)鍵能力；同時(shí)提升了學(xué)生生物學(xué)科核心素養(yǎng)，指向生物學(xué)科的核心價(jià)值，具有很強(qiáng)的創(chuàng)新性、應(yīng)用性，符合“一體四層四翼”的高考評(píng)價(jià)體系。將STEM課程理念貫穿本實(shí)驗(yàn)的始終，重點(diǎn)是加強(qiáng)對(duì)學(xué)生以下四方面的教育：一是科學(xué)素養(yǎng)，即運(yùn)用科學(xué)知識(shí)理解自然界并參與影響自然界的過程；二是技術(shù)素養(yǎng)，也就是使用、管理、理解和評(píng)價(jià)技術(shù)的能力；三是工程素養(yǎng)，即對(duì)技術(shù)工程設(shè)計(jì)與開發(fā)過程的理解；四是數(shù)學(xué)素養(yǎng)，也就是學(xué)生發(fā)現(xiàn)、表達(dá)、解釋和解決多種情境下的數(shù)學(xué)問題能力。在面向?qū)W生給出任務(wù)時(shí)，只引導(dǎo)思考方向，不提供具體的建議，讓學(xué)生擁有獨(dú)立的思考空間。從相同培養(yǎng)條件下酵母菌種群數(shù)量隨時(shí)間變化曲線的探究出發(fā)，引申出探究不同培養(yǎng)條件下酵母菌種群數(shù)量隨時(shí)間變化曲線的差異，鞏固學(xué)生對(duì)已掌握技能的運(yùn)用。注重融合STEM課程理念，旨在打破學(xué)科領(lǐng)域的界限，是一種培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的教育新范式，倡導(dǎo)基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式，強(qiáng)調(diào)體驗(yàn)性和實(shí)踐性，在增強(qiáng)人文素養(yǎng)、培育理性思維、養(yǎng)成主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)、提升個(gè)體覺悟、強(qiáng)化問題解決等方面具有積極意義，是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要途徑。

四、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)小結(jié)

(一)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)

學(xué)會(huì)建構(gòu)種群增長(zhǎng)模型的方法是順利開展本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，然后引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建數(shù)學(xué)模型解釋研究對(duì)象種群數(shù)量的變化規(guī)律。加深理解環(huán)境對(duì)種群數(shù)量變化的影響，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到適宜的環(huán)境條件對(duì)生物生活的重要性。微生物種群數(shù)量的抽樣檢測(cè)法是本實(shí)驗(yàn)的拓展內(nèi)容，采用血細(xì)胞計(jì)數(shù)板對(duì)酵母菌進(jìn)行計(jì)數(shù)，學(xué)會(huì)應(yīng)用抽樣檢測(cè)結(jié)果換算成種群密度和種群數(shù)量的方法是數(shù)據(jù)采樣的關(guān)鍵步驟，在此基礎(chǔ)上才能得出酵母菌細(xì)胞與培養(yǎng)時(shí)間的數(shù)量關(guān)系，加深對(duì)影響種群數(shù)量不同模型增長(zhǎng)因素的理解。

(二)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的多維目標(biāo)

問題解決：探究酵母菌種群數(shù)量隨時(shí)間的變化，從而了解在一定營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中酵母菌種群數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。加深對(duì)種群數(shù)量“J”型和“S”型增長(zhǎng)，以及種群數(shù)量波動(dòng)的理解。創(chuàng)意物化：嘗試用數(shù)學(xué)模型解釋種群數(shù)量變化，體驗(yàn)科學(xué)研究的方法；運(yùn)用抽樣檢測(cè)法進(jìn)行種群數(shù)量的估算；同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，學(xué)會(huì)交流，學(xué)會(huì)數(shù)據(jù)的篩選、分析和整理，學(xué)會(huì)研究報(bào)告的撰寫。責(zé)任擔(dān)當(dāng)：本實(shí)驗(yàn)開啟了中學(xué)生對(duì)微生物的研究，是他們初次從實(shí)踐的層面直接觀察和計(jì)量酵母菌這一對(duì)人類有突出貢獻(xiàn)的微生物，具有重要的啟蒙意義，有利于培養(yǎng)知識(shí)學(xué)習(xí)遷移到生產(chǎn)應(yīng)用的社會(huì)責(zé)任。同時(shí)，通過探究酵母菌種群數(shù)量變化，加強(qiáng)對(duì)種群穩(wěn)態(tài)和平衡這一生命觀念的理解。價(jià)值體認(rèn)：綜合實(shí)踐總目標(biāo)是為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，在活動(dòng)中強(qiáng)調(diào)與社會(huì)聯(lián)系、與生活聯(lián)系以及與學(xué)生的生存和發(fā)展聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生觀察生活、發(fā)現(xiàn)與探究問題的興趣和能力，不斷認(rèn)識(shí)生活，發(fā)現(xiàn)生活的美妙與神奇之處。

(三)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)意義

探究性實(shí)驗(yàn)是高中生物的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)類型，目的在于使學(xué)生具備一定的實(shí)驗(yàn)探究能力。實(shí)現(xiàn)學(xué)生的全面發(fā)展是新課程目標(biāo)對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的要求。本實(shí)驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型建構(gòu)可以幫助學(xué)生理解自然界事物的數(shù)量特征和數(shù)量變化規(guī)律，體驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕ⅰz驗(yàn)、修正、應(yīng)用的科學(xué)研究方法，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型建構(gòu)的方法指導(dǎo)生產(chǎn)生活實(shí)踐，探究不同條件對(duì)模型的影響。培養(yǎng)學(xué)生的理性思維、批判質(zhì)疑、勇于探究的科學(xué)精神，使學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，樂學(xué)善學(xué)、勤學(xué)反思、加強(qiáng)信息意識(shí)、充分自主發(fā)展；鼓勵(lì)學(xué)生勇于實(shí)踐創(chuàng)新，培養(yǎng)勞動(dòng)意識(shí)，靈活運(yùn)用已經(jīng)掌握的技術(shù)解決問題，提高社會(huì)參與意識(shí)。