“酵母細(xì)胞的固定化”實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

徐 煒

(江蘇省邗江中學(xué) 225100)

一、教材分析

酵母細(xì)胞固定化實(shí)驗(yàn)，是人教版高中生物選修1“生物技術(shù)實(shí)踐”重要實(shí)驗(yàn)之一，本實(shí)驗(yàn)重難點(diǎn)均為嘗試固定化酵母細(xì)胞的制備及發(fā)酵.突破重難點(diǎn)的做法有：1.提前做多種預(yù)實(shí)驗(yàn)，預(yù)測實(shí)驗(yàn)中可能發(fā)生的情況，以便更好地指導(dǎo)學(xué)生.2.對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一定的改進(jìn)，提高實(shí)驗(yàn)成功率，增強(qiáng)學(xué)生信心.3.利用多媒體視頻+實(shí)物投影+板書等多種教學(xué)手段，并且提前培養(yǎng)“學(xué)生專家”，協(xié)助教師完成實(shí)驗(yàn).

二、教學(xué)目標(biāo)

1.科學(xué)探究

動(dòng)手對酵母細(xì)胞進(jìn)行固定化，通過對凝膠珠的形態(tài)和顏色來理解操作要領(lǐng).

2.科學(xué)思維

嘗試進(jìn)行細(xì)胞固定化，并利用固定化酵母細(xì)胞進(jìn)行酒精發(fā)酵；

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)評價(jià)，提高批判性思維、創(chuàng)新思維和科學(xué)探究能力；通過設(shè)計(jì)并探究實(shí)驗(yàn)過程，進(jìn)一步提高搜集、處理科學(xué)信息的能力以及分析和解決問題的能力.

3.生命觀念與社會責(zé)任

通過改進(jìn)和評價(jià)實(shí)驗(yàn)，養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，體會固定化酶的優(yōu)越性.

三、教學(xué)過程設(shè)計(jì)

教學(xué)過程主要從“情景引入、激發(fā)興趣，設(shè)置問題、引發(fā)探究，分組操作、合作學(xué)習(xí)，聚焦討論、規(guī)范操作，歸納總結(jié)、拓展延伸”這五個(gè)方面展開，核心環(huán)節(jié)是學(xué)生的分組操作以及合作學(xué)習(xí).為了讓實(shí)驗(yàn)在45min內(nèi)完成并培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維能力，筆者對該實(shí)驗(yàn)做了以下幾點(diǎn)改進(jìn).

四、實(shí)驗(yàn)方法改進(jìn)

1.實(shí)驗(yàn)分組的改進(jìn)

本次實(shí)驗(yàn)原先是教材中的一項(xiàng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，深入思考會發(fā)現(xiàn)有許多地方值得探究.例如，使用不同濃度的海藻酸鈉固定酵母細(xì)胞最終形成的凝膠珠在顏色形狀上會有什么不同？包埋酵母的材料有很多，用其他材料替代海藻酸鈉是否可以？CaCl2溶液濃度的不同會對實(shí)驗(yàn)造成影響嗎？未活化的酵母細(xì)胞和活化了的酵母細(xì)胞在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)效果有多大的差異呢？帶著這些問題本人將這個(gè)實(shí)驗(yàn)分成了每個(gè)班進(jìn)行四個(gè)大組的探究.如圖1所示.

圖1

2.配制海藻酸鈉溶液的改進(jìn)

筆者查閱資料發(fā)現(xiàn)不同廠家生產(chǎn)的海藻酸鈉試劑加水的量不一樣，因此建議在實(shí)驗(yàn)前先做預(yù)實(shí)驗(yàn)，找出加水的適宜量.A組學(xué)生配制濃度為0.05、0.07、0.09、0.11、0.13、0.15g/mL海藻酸鈉溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察到海藻酸鈉濃度偏低形成的凝膠珠顏色較淺，0.07～0.09g/mL濃度適宜，海藻酸鈉濃度越高其黏稠性越大，當(dāng)大到一定程度時(shí)，與酵母細(xì)胞的混合液不但不易從注射器口滴下，出現(xiàn)拖尾的蝌蚪狀等現(xiàn)象，而且所制備的凝膠珠顏色也由白色逐漸加深至土黃色.

3.包埋材料的改進(jìn)

B組學(xué)生用一定濃度的瓊脂包埋酵母菌，發(fā)現(xiàn)無需在CaCl2溶液中聚沉30min，10min即可，當(dāng)堂課可見結(jié)果，且發(fā)酵效果好.需要注意的是，瓊脂易凝固，在冷卻至50℃左右即可與酵母混合.另外，由于瓊脂包埋的酵母菌無法在CaCl2溶液中浸泡形成凝膠珠，所以可以嘗試將瓊脂與酵母細(xì)胞混合后倒入培養(yǎng)皿，待其冷卻后將其用解剖刀劃成一個(gè)個(gè)小正方形便于后期發(fā)酵(圖2所示).48h后做酒精檢測，圖3為分別用瓊脂、海藻酸鈉包埋酵母菌發(fā)酵結(jié)果的鑒定，不難發(fā)現(xiàn)瓊脂包埋酵母細(xì)胞取得了更好的發(fā)酵效果.

圖2

圖3

4.CaCl2溶液濃度的改進(jìn)

如果改變CaCl2溶液的濃度會對凝膠珠的成形有何影響？為了解決這一疑問，C組學(xué)生配制濃度為0、0.03、0.06、0.11、2.0、3.0mol/L的CaCl2溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)CaCl2溶液濃度為0時(shí)，固定化酵母細(xì)胞由圓形變成蝌蚪形沉入燒杯底部，并很快溶解在一起；當(dāng)CaCl2溶液濃度為0.03 mol/L時(shí)，固定化的酵母細(xì)胞呈扁圓餅形，一碰即碎；當(dāng)CaCl2溶液濃度≥0.06 mol/L時(shí)，固定化酵母細(xì)胞能呈圓球形沉淀，并且隨著CaCl2溶液濃度增大，凝膠珠的彈性增強(qiáng).進(jìn)一步查閱資料發(fā)現(xiàn)，張菡、杜雙奎等人通過對固定化酵母細(xì)胞的強(qiáng)度、后期發(fā)酵過程中的殘?zhí)橇亢途凭冗M(jìn)行檢測，認(rèn)為Ca2+濃度為2.0mol/L時(shí)，固定效果最為理想.

5.酵母細(xì)胞活化的改進(jìn)

實(shí)驗(yàn)前實(shí)驗(yàn)員要做大量的準(zhǔn)備工作，活化酵母細(xì)胞至少需要1h，筆者查閱資料發(fā)現(xiàn)如果想要達(dá)到教材上圖形顯示的即氣泡充滿整個(gè)燒杯的現(xiàn)象，在活化酵母時(shí)，應(yīng)將溫度調(diào)至30℃，同時(shí)加入一定濃度的葡萄糖溶液，那么用未活化的酵母細(xì)胞與活化了的酵母細(xì)胞在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中會產(chǎn)生的很大的差別嗎？D組學(xué)生就想要探究這個(gè)問題.結(jié)果表明：未活化的酵母細(xì)胞固定后也能形成圓形凝膠珠，后期發(fā)酵也能產(chǎn)生酒精，與活化了的酵母細(xì)胞產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果差別不是很大.

6.實(shí)驗(yàn)器材的改進(jìn)

“將混合均勻的海藻酸鈉溶液與酵母細(xì)胞轉(zhuǎn)移至注射器中”是教材中提供的方案，但是手頭有很多實(shí)驗(yàn)器材都可以代替注射器.例如，一次性塑料滴管、玻璃棒以及較細(xì)的果汁滴管等，滴出的凝膠一樣可以成形，優(yōu)點(diǎn)是沒有拖尾現(xiàn)象且能有效減少氣泡產(chǎn)生，缺點(diǎn)是耗時(shí)長.

改進(jìn)器材的時(shí)候還發(fā)現(xiàn)如果用教材中提到的鑷子來捏取凝膠珠除非是訓(xùn)練過的實(shí)驗(yàn)員否則很容易把它壓碎，于是有人想到?jīng)_洗凝膠珠時(shí)，可改用消過毒的紗布或撈金魚的網(wǎng)兜，既能沖洗干凈，又不至于被水沖走，比教材中用鑷子更方便、快捷.

第三個(gè)器材的改進(jìn)就是在發(fā)酵過程中，課本實(shí)驗(yàn)要求用的是錐形瓶，但是錐形瓶放在實(shí)驗(yàn)室里觀察不易帶回，故而有學(xué)生提出發(fā)酵所用的容器可以是自帶飲料瓶，既達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，又方便學(xué)生觀察，減少危險(xiǎn)，更增強(qiáng)了環(huán)保意識.

7.實(shí)驗(yàn)操作的改進(jìn)

在實(shí)驗(yàn)過程中為縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間、取得更好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果筆者在預(yù)實(shí)驗(yàn)中獲得了一些實(shí)驗(yàn)操作經(jīng)驗(yàn)值，例如①溶解海藻酸鈉時(shí)，若用90℃水浴加熱，不會發(fā)生焦糊現(xiàn)象，加10mL蒸餾水后不需要再加水定容(蒸發(fā)量很少)；若用小火間斷加熱的方法，在溶解開始前直接加入12mL蒸餾水不需要再水定容，每次加熱至剛有大氣泡時(shí)就從石棉網(wǎng)上拿開，重復(fù)7～9次，就能完全溶解.②膠體冷卻至室溫時(shí)加入已活化的酵母細(xì)胞的這一操作，每個(gè)人皮膚對溫度的敏感程度不同，僅以“不燙手”為標(biāo)準(zhǔn)，會有部分學(xué)生至膠體結(jié)塊才加入酵母菌，不容易混合均勻.可改為用溫度計(jì)測量，或用恒溫水浴(35～40℃)直至膠體與酵母混合均勻.③固定化酵母細(xì)胞時(shí)，滴凝膠的距離為液面上15～20cm左右.

五、教學(xué)反思

實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)中，講清基本理論和原理仍是課堂教學(xué)中最基本方式.通過改進(jìn)包埋材料發(fā)現(xiàn)瓊脂包埋酵母細(xì)胞效果很好，當(dāng)堂課可完成，增強(qiáng)了學(xué)生的探究興趣和成就感，建議推廣.此外引導(dǎo)探究要講究科學(xué)，課前喚醒學(xué)生探究欲望，要重視實(shí)驗(yàn)記錄及反思，會達(dá)到事半功倍的效果.最后實(shí)驗(yàn)前的預(yù)實(shí)驗(yàn)非常重要，比如本次實(shí)驗(yàn)中許多利于實(shí)驗(yàn)成功的改進(jìn)很多都是在預(yù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn).