數(shù)字化技術(shù)對(duì)“探究培養(yǎng)液中酵母種群數(shù)量的變化規(guī)律”的改進(jìn)

摘 要：運(yùn)用色度計(jì)、TI計(jì)算器、數(shù)碼顯微鏡及智能計(jì)數(shù)APP等數(shù)字化技術(shù)對(duì)滬科版高中《生物學(xué)》教材中“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化規(guī)律”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)?？s短實(shí)驗(yàn)時(shí)長，提升課堂效率，使學(xué)生在有限的課堂教學(xué)中，親歷初次建模、二次建模等科學(xué)探究過程，培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)思維，提升了學(xué)生科學(xué)探究能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化技術(shù)；色度計(jì)；TI計(jì)算器；酵母種群數(shù)量

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

實(shí)驗(yàn)“探究培養(yǎng)液中酵母種群數(shù)量的變化規(guī)律”選自滬科版高中《生物學(xué)》選擇性必修2第1章第2節(jié)，旨在讓學(xué)生通過對(duì)酵母菌種群數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化觀察與統(tǒng)計(jì)，建立數(shù)學(xué)模型解釋種群的數(shù)量變化規(guī)律，提升使用科學(xué)方法總結(jié)生態(tài)學(xué)規(guī)律和機(jī)制的能力?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中對(duì)應(yīng)的學(xué)業(yè)要求是“運(yùn)用數(shù)學(xué)模型表征種群數(shù)量變化的規(guī)律，分析影響因素，應(yīng)用于實(shí)踐活動(dòng)。”[1]數(shù)學(xué)模型是聯(lián)系實(shí)際問題與科學(xué)研究的橋梁，具有解釋、判斷、預(yù)測等重要功能，是發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和探索新規(guī)律的有效途徑。學(xué)生通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，不僅能促進(jìn)重要概念的理解，也有利于科學(xué)思維、科學(xué)探究素養(yǎng)的發(fā)展與提升。但是教材安排的酵母種群連續(xù)培養(yǎng)至少5天，運(yùn)用血細(xì)胞計(jì)數(shù)板在顯微鏡下進(jìn)行人工計(jì)數(shù)獲得數(shù)據(jù)，步驟復(fù)雜、耗時(shí)較長，對(duì)教學(xué)時(shí)間有一定要求；學(xué)生尚不具備微生物純種培養(yǎng)技能，操作過程可能會(huì)對(duì)酵母種群造成污染，影響數(shù)學(xué)建模的有效構(gòu)建和對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)培育方面的功能；在必修1的實(shí)驗(yàn)中學(xué)生多次使用分光光度計(jì)，熟知其定量測定的原理和操作步驟，因此，根據(jù)朗伯比爾定律，當(dāng)光束通過微生物懸液時(shí)，菌體的散射及吸收降低了光束的透過量。在一定濃度范圍內(nèi)，懸液中的細(xì)胞濃度與液體的吸光度（OD值）成正比，與透光度成反比。教師通過色度計(jì)、TI計(jì)算器、數(shù)碼顯微鏡與智能計(jì)數(shù)APP對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)流程，加快建模進(jìn)度，自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)并擬合生長曲線，縮短實(shí)驗(yàn)周期、提升課堂效率、拓展了創(chuàng)新思維。

一、材料準(zhǔn)備

配置2%葡萄糖和2%蛋白胨的液體培養(yǎng)基1L，滅菌備用。按照3g酵母∶1L培養(yǎng)基比例加入酵母粉， 30℃120r/ min培養(yǎng)10h活化，備用。

取活化的菌懸液，按5%的接種量分別接種于不同的150mL三角瓶裝60mL培養(yǎng)基中， 30℃ 120r/ min的條件下振蕩培養(yǎng)，每隔2h取出三角瓶，4℃冷藏備用。

二、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

（一）稀釋菌液

查閱文獻(xiàn)，酵母的最佳吸收波段是600nm左右，對(duì)應(yīng)紅光波段。朗伯比爾定律適用于低濃度溶液，需將高濃度菌液稀釋至OD值為0. 2-0. 8的可信區(qū)間[2]。

（二）計(jì)算OD值

OD值與細(xì)胞濃度在不同稀釋倍數(shù)間呈線性關(guān)系，建立稀釋前后的分段回歸方程置于TI計(jì)算器程序中，可將稀釋后的透光率直接轉(zhuǎn)換成回歸后的OD值，然后進(jìn)行比較。具體做法是：將較濃的菌懸液在適當(dāng)稀釋下測OD值，還需測定此稀釋倍數(shù)區(qū)間內(nèi)的任意兩組OD值在上一稀釋倍數(shù)區(qū)間被稀釋到此稀釋倍數(shù)時(shí)的OD值，設(shè)稀釋前后OD值的關(guān)系符合回歸方程y=ax+b，然后得到OD值的分段回歸方程，計(jì)算得到OD值的實(shí)際回歸值[3][4]。

（三）修正曲線

色度計(jì)測定的是溶液中所有的細(xì)胞，用亞甲基藍(lán)染色死細(xì)胞，制作臨時(shí)裝片，數(shù)碼顯微鏡拍照傳輸?shù)街悄苡?jì)數(shù)APP，自動(dòng)生成酵母的存活率，可對(duì)“S”型曲線進(jìn)行修正。

三、教學(xué)流程

圖1為教學(xué)流程示意圖。

四、教學(xué)目標(biāo)

①利用數(shù)字化技術(shù)建構(gòu)種群數(shù)量變化的數(shù)學(xué)模型，提升運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)歸納生態(tài)學(xué)規(guī)律的能力，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求真的科學(xué)思維習(xí)慣；

②運(yùn)用比較與分類的思維方法對(duì)比“J”型與“S”型曲線的異同，分析造成差異的原因，并運(yùn)用穩(wěn)態(tài)與平衡觀解釋種群在生態(tài)系統(tǒng)中的自我調(diào)節(jié)現(xiàn)象；

③通過運(yùn)用“S”型曲線解釋生產(chǎn)實(shí)際中的現(xiàn)象，體會(huì)數(shù)學(xué)模型對(duì)于實(shí)踐的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價(jià)值。

五、教學(xué)過程

（一）創(chuàng)設(shè)情境 引入主題

食品加工行業(yè)對(duì)于酵母的需求非常大，在進(jìn)行工業(yè)培養(yǎng)時(shí)，從最初的0. 1克到30多噸，只需要短短的4天時(shí)間，其中一個(gè)重要的條件是供給數(shù)十萬噸的糖漿，保證了酵母數(shù)量的指數(shù)增長，即“J”型生長。如果把酵母放在定量的培養(yǎng)液中，后續(xù)不再增加營養(yǎng)物質(zhì)，種群會(huì)出現(xiàn)怎樣的變化呢？學(xué)生們作出不同的推測：酵母的數(shù)量越來越少；先增加再減少；穩(wěn)定不變……教師展示不同渾濁程度的酵母培養(yǎng)液，提問：用什么方法可以快速知道三角燒瓶中的酵母種群數(shù)量呢？學(xué)生回答：分光光度法。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過觀察不同生長階段的酵母培養(yǎng)液的渾濁程度，聯(lián)想到使用分光光度法，可對(duì)溶液中的酵母數(shù)量進(jìn)行定量分析。

（二）小組討論 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

教師講解：色度計(jì)的工作原理與分光光度計(jì)類似，可以采集酵母懸液的透光率，TI處理器相當(dāng)于微型掌上電腦，內(nèi)置的程序可對(duì)數(shù)據(jù)處理、分析并擬合成曲線（見圖2）。文獻(xiàn)顯示，吸光度在0. 2-0. 8之間測量結(jié)果較為準(zhǔn)確，如果超出這個(gè)范圍，如何處理？學(xué)生回答：適度稀釋后再測量。

設(shè)計(jì)意圖：在教師的引導(dǎo)下，實(shí)驗(yàn)方法和基本注意事項(xiàng)確定下來，學(xué)生可以針對(duì)之前的假設(shè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，親歷探究的全部過程。

（三）開展實(shí)驗(yàn) 初次建模

教師拿出各個(gè)生長階段的酵母懸液（包括預(yù)先已經(jīng)稀釋好倍數(shù)的酵母懸液），指導(dǎo)學(xué)生正確使用色度計(jì)和TI計(jì)算器測量、收集數(shù)據(jù)，最后擬合出“S”曲線（見圖3）。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)對(duì)酵母種群數(shù)量進(jìn)行測量，快速完成數(shù)學(xué)建模，對(duì)不同生長階段的酵母種群生長有了規(guī)律認(rèn)識(shí)和整體把握。

（四）比較曲線 解釋問題

教師提問：資源有限的情況下，酵母種群呈現(xiàn)的是“S”型曲線，與“J”型有什么不同？為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的不同？學(xué)生思考作答是因?yàn)橛邢薜馁Y源限制了酵母種群的快速生長。教師繼續(xù)提問：食物總有消耗完的時(shí)候，代謝廢棄物也越來越多，生活環(huán)境越來越差，這些導(dǎo)致“S”型曲線的最終走勢(shì)會(huì)發(fā)生什么變化？學(xué)生解釋由于食物、空間、代謝物等限制因素導(dǎo)致種群后來不再增加，有些酵母會(huì)衰老死亡，曲線應(yīng)該有下降的趨勢(shì)。

設(shè)計(jì)意圖：通過比較“J”型與“S”型生長曲線的不同，啟發(fā)學(xué)生對(duì)影響酵母種群數(shù)量的環(huán)境因素進(jìn)行思考，并能對(duì)“S”型曲線的走勢(shì)進(jìn)行預(yù)測。

（五）分析曲線 發(fā)現(xiàn)問題

教師提問：同學(xué)們建構(gòu)的“S”曲線的尾部并未出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這是為什么呢？種群數(shù)量包括死亡的細(xì)胞嗎？如何對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步改進(jìn)？學(xué)生思考回答：可能培養(yǎng)的時(shí)間不夠，可以繼續(xù)培養(yǎng)，測定數(shù)量；和分光光度計(jì)類似，色度計(jì)測定的是培養(yǎng)液中所有細(xì)胞，種群計(jì)數(shù)時(shí)需要去除死細(xì)胞，這根曲線沒有呈現(xiàn)出活的酵母細(xì)胞的數(shù)量變化，需要修改。

設(shè)計(jì)意圖：通過這一環(huán)節(jié)，學(xué)生明白，科學(xué)探究的過程不是一蹴而就的，模型的構(gòu)建也不是一成不變的，有時(shí)需要將理論與實(shí)際結(jié)合，全面考慮多種因素，對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整和修正。

（六）搭建支架 再次建模

教師簡介亞甲基藍(lán)有一定的氧化性，而具有還原能力的酵母活細(xì)胞表現(xiàn)是無色，死細(xì)胞或代謝作用微弱的衰老細(xì)胞則被染成藍(lán)色或淡藍(lán)色，可以很好地區(qū)分死、活細(xì)胞。指導(dǎo)學(xué)生制作酵母染色的臨時(shí)裝片，每個(gè)生長階段隨機(jī)選取5個(gè)在視野數(shù)碼顯微鏡下觀察、拍照并用智能計(jì)數(shù)APP掃描生成平均存活率（見圖4），輸入TI計(jì)算器，擬合與培養(yǎng)時(shí)長相關(guān)的回歸方程（見圖5），對(duì)“S”型曲線進(jìn)行修正，完成二次建模（見圖6）。

設(shè)計(jì)意圖：依據(jù)種群概念，只有活酵母才能被記作其中的一員。由于朗伯比爾定律不能對(duì)溶液中死、活細(xì)胞進(jìn)行區(qū)分，教師借助數(shù)碼顯微鏡、智能計(jì)數(shù)APP等數(shù)字化技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步改進(jìn)，不僅縮短時(shí)長，還使數(shù)學(xué)模型更加符合實(shí)際，完成了對(duì)模型的修正。學(xué)生能從中體會(huì)實(shí)驗(yàn)的迅速與便捷，對(duì)于生態(tài)學(xué)規(guī)律的認(rèn)識(shí)更加深刻。

（七）運(yùn)用規(guī)律 解釋現(xiàn)象

教師講解：特定環(huán)境下維持的種群最大數(shù)量稱為環(huán)境容納量，用K表示。在到達(dá)K之前，曲線的斜率有什么變化特點(diǎn)？具有什么生物學(xué)意義？繼續(xù)提問：“S”型曲線有什么實(shí)際價(jià)值和應(yīng)用呢？學(xué)生結(jié)合數(shù)學(xué)知識(shí)，解釋下列現(xiàn)象：①在魚類的捕撈、放養(yǎng)過程中，人們常常在K/ 2值以上進(jìn)行捕撈，可以保證較高的種群增長速率，維持較大的種群數(shù)量；②在防治害蟲時(shí)，必須要將害蟲的數(shù)量控制在K/ 2值以下，使其種群數(shù)量處于較小可控的范圍。

設(shè)計(jì)意圖：通過酵母種群在有限的生長環(huán)境下的數(shù)量變化規(guī)律構(gòu)建出數(shù)學(xué)模型，但科學(xué)探究不僅限于此，而是將其應(yīng)用于實(shí)踐，更好地為實(shí)際生產(chǎn)服務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的能力。

（八）拓展引申 持續(xù)探究

教師啟發(fā)拓展：整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中的各種成分是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的，自然界中的酵母分布非常廣泛，它們的種群數(shù)量會(huì)受到什么因素的影響？你能設(shè)計(jì)一個(gè)方案，讓三角瓶中的酵母種群數(shù)量維持在相對(duì)穩(wěn)定的水平嗎？

設(shè)計(jì)意圖：課后學(xué)生分小組自選主題，運(yùn)用數(shù)字化手持技術(shù)，展開新一輪的探究活動(dòng)。

六、教學(xué)反思

（一）運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)提升了實(shí)驗(yàn)效率

從材料準(zhǔn)備到數(shù)學(xué)建模的完成，實(shí)驗(yàn)周期大大縮短，高效地利用了課堂有限時(shí)間，學(xué)生能對(duì)數(shù)學(xué)建模本身及其應(yīng)用進(jìn)行了深入思考。

（二）運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)幫助學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究

運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)展開有設(shè)計(jì)、有目的、有層次的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以幫助學(xué)生“像科學(xué)家一樣”思考問題，學(xué)生的科學(xué)探究能力得到真正培養(yǎng)。

（三）運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)思維

數(shù)字化技術(shù)將生物的變化規(guī)律用數(shù)學(xué)方法即時(shí)表達(dá)，是基于證據(jù)的數(shù)學(xué)建模，而建模過程是思維構(gòu)建的過程，因此，數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)能起到很好的促進(jìn)作用。

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（責(zé)任編輯：加順花）