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視頻課題：第五屆全國高中生物實驗教學說課視頻錄像《探究培養液中酵母菌種群數量的變化》石家莊

教學設計、課堂實錄及教案：第五屆全國高中生物實驗教學說課視頻錄像《探究培養液中酵母菌種群數量的變化》石家莊市第一中學東校區高中生物

探究培養液中酵母菌種群數量變化
學校：石家莊第一中學東校區 姓名：喬玄
本實驗選自人教版高中生物必修3《穩態與環境》第4章第2節《種群的數量變化》，是其中的一個探究活動，目的讓學生通過探究培養液中酵母菌種群的動態變化，建立數學模型，分析酵母菌種群變化規律，同時利用我校顯微鏡教學系統的優勢，充分拓展學生的探究能力，踐行新課標理念。我主要以下幾個方面來簡單說明對本節實驗課的設計和開展過程。
一、實驗器材
（一）實驗儀器：超凈工作臺、高壓蒸汽滅菌鍋、恒溫振蕩培養箱、冰箱、光學數碼顯微鏡試管
（二）實驗用具：培養皿、錐形瓶、量筒、玻璃棒、載玻片、蓋玻片、微量移液器、血細胞計數板
（三）實驗材料及藥品：酵母菌、馬鈴薯、葡萄糖、美藍染色劑、氫氧化鈉、乙醇
二、實驗方案的改進與創新
一節成功的實驗教學課程離不開完備的實驗設計方案,我們首先對傳統的實驗方案作了改進與創新，主要有以下四點。
（一）教材中酵母菌培養時間不合理，將酵母菌培養時間縮短為15h
首先，教材上給出的實驗方案是：對酵母菌連續培養7天，每天取樣計數。這是按照教材要求繪制的酵母菌種群數量變化的曲線（圖1），沒有體現出典型的“S”型變化規律。通過分析結果以及查閱文獻，我們確定將酵母菌連續培養的時間縮短為15小時，每隔2小時取樣計數。這是改進之后我們再次根據實驗結果繪制的曲線圖（圖 2），呈現出了s型種群數量變化規律。
 
（二）實驗全過程耗時長，不符合教學實際。通過低溫保存樣品，統一時間對所有樣品計數，解決了與實際課程安排的矛盾
本節實驗課共涉及到微生物的培養、抽樣檢測、顯微計數和模型構建等多項內容，實驗的全過程在一節課很難完成。酵母菌培養是一個連續的過程，每隔2個小時就要取樣，并完成計數，這顯然與學生上課時間產生很大的沖突。根據“低溫條件下，微生物暫不增殖但仍舊保持生命力”的原理，我們采取的方法是：每次取樣后置于4℃低溫冷藏，可以暫時抑制酵母菌的增殖。最后讓學生在一節課內對所有樣品統一進行計數，這樣不僅將實驗最核心的部分集中一節課呈現給學生，同時也解決了實驗方案與課程安排沖突的問題。
（三）死亡的酵母菌影響實驗結果的準確性 ，計數前補充美藍染色法區分活細胞與死細胞
根據本實驗的內容，我們認為，在顯微鏡下對酵母菌計數時，只統計活菌數目才是更準確的結果，尤其在培養后期，大量死亡的酵母菌必然會影響對種群數量的統計。但是教材的實驗方案是：取樣后直接計數統計。針對于此我們也做了改進：在計數之前補充美藍染色的實驗步驟，來達到區分活細胞與死細胞的目的。這是我們預實驗的結果（圖 3），無色的細胞是有活性的酵母菌，藍色或淡藍色的是死細胞或代謝作用微弱的衰老細胞，在計數過程中不統計在內。
 

 
（四）學生難以在顯微鏡下快速找到計數室，影響實驗進度。利用簡單快速的新方法進行酵母菌計數
教材中的計數方法是通過血球計數板進行計數。血球計數板對學生而言是非常陌生的一種實驗器材，所以操作起來也非常困難。學生在使用過程中，往往要花費很長的時間才能找到血球計數板的計數室，極大地影響了實驗進度。針對于此，我們查閱了很多文獻，不斷摸索，反復實驗，最終確定采用另外一種更為快速簡單的計數方法。這種方法操作非常簡單：直接將樣品滴加到普通載玻片上，依據樣方法的原理，在數碼顯微鏡下的微觀視野中劃取多個樣方（數碼顯微鏡操作系統可實現直接測量樣方的實際面積），求出每個樣方中酵母菌的平均數量，再根據相關公式就可以計算樣品中所含酵母菌總數（公式1）。

 
我們分別用快速測定法和血球計數板法對同一樣品進行計數。結果顯示，雖然新方法與血球計數板法相比，結果有一些差異，但用快速計數法對同一樣品重復計數，結果并沒有明顯差異（表1）。

	快速測定法（1013個/ml）	血球計數板法（1012個/ml）
1	6.21	4.82
2	5.73	4.79
3	6.17	5.01
4	5.95	4.93
5	6.04	5.16

表格 1：快速測定法與血球計數板法計數結果
我們進一步采用快速計數法對不同培養時間的酵母菌樣品進行數量統計，繪制的曲線也符合典型的s型種群變化規律（圖5）。因此我們認為，這種計數方法在本實驗中是可行的。

三、實驗原理
(一)在含糖的液體培養液中酵母菌繁殖很快，迅速形成一個封閉容器內的酵母菌種群，通過細胞計數可以測定封閉容器內的酵母菌種群隨時間發生的數量變化
（二）養分、空間、溫度、pH和有毒代謝產物等是影響種群數量持續增長的限制因素
（三）活細胞具有較強的還原能力，能使美藍由藍色的氧化型變為無色的還原型，呈無色。死細胞或代謝作用微弱的衰老細胞則被染成藍色或淡藍色
（四）利用樣方法的原理，在光學數碼顯微鏡下的微觀視野中劃取多個樣方，通過相關公式計算出樣品中酵母菌的數量
四、實驗教學目標
（一）知識目標：說明構建種群數量增長模型的方法，用數學模型解釋種群數量變化
（二）能力目標：通過探究培養液中酵母菌種群數量的變化，嘗試構建種群增長的數學模型
（三）情感態度與價值觀目標：關注種群數量變化對人類生活以及人類活動對種群數量變化的影響
五、實驗教學內容
    教學內容包括兩個課時，第一課時課前通過學案預習實驗內容，課上確定實驗方案并練習兩種計數方法的操作過程；課下根據實驗方案進行培養基的配制、分裝、滅菌、酵母菌的接種、培養以及取樣；第二課時用新方法對所有樣品中酵母菌數量進行統計，構建種群數量變化的數學模型，分析種群數量變化規律。
六、實驗教學過程
具體的教學過程包括3個環節：設計并完善實驗方案；課前完成相關實驗準備 ；統一計數、構建模型并
分析種群數量變化規律。
    （一）設計并完善實驗方案
由于學生缺乏系統的設計實驗方案的經驗，所以我們首先利用學案的形式，指導學生了解探究性實驗的一般步驟，明確實驗的假設，圍繞著實驗目的，通過組內合作，共同完成初步實驗方案。大多數小組展示的實驗方案，流程大體相同。再通過創設問題情境、向ipad推送資料等手段推進教學過程，引導學生對最初的實驗方案進行完善與創新。
確定了實驗方案之后，小組成員相互合作，利用顯微鏡練習兩種計數方法的操作。老師先做教學示范（圖6），將調好的標準圖像發送給每個小組，然后在學生練習過程中來回巡視，及時發現問題，規范學生的實驗操作（圖7），并且鼓勵同伴交流，大家共同分享經驗（圖8）。這是上課過程中學生們拍攝的一些顯微視野照片（圖9、圖10）。

 
（二）課前完成培養基的配制、酵母菌接種、培養、取樣等工作
在老師的指導下，同學們利用課下時間完成準備工作。包括培養基的配制、滅菌（圖11）、分裝、酵母菌的接種（圖12）與培養（圖13）。在實驗過程中，老師指導組長對組內同學統籌安排，定時取樣，并做好樣品的標記與記錄等細節工作。

（三）進行酵母菌的計數和模型構建，分析酵母菌種群變化規律
首先，分小組完成酵母菌計數與統計。每組成員分工合作，在計數過程中及時將統計結果記錄在數據表格中，求出平均值。整理完相關數據后，讓學生直接在顯微鏡的平板電腦上利用excel表格建構數學模型，作出酵母菌種群數量變化的曲線圖（圖14），一個小組的實驗數據可能會有誤差，比如這是其中個別小組根據自己的實驗數據繪制的曲線，與實驗假設并不符合（圖 15）。但對于不同小組來說，組間重復，將每3個小組的數據匯總，求出平均值，數據共享后再次繪制出的曲線圖就和實驗假設一致了（圖16）。

 
完成酵母菌的計數和模型構建后，還要引導學生利用手中的資料分析酵母菌種群變化的規律，總結影響數量變化的因素（圖17），預測酵母菌數量變化趨勢（圖18）。這樣可以進一步強化學生的探究意識，讓他們在上完實驗課之后真正的有所收獲。

八、實驗效果評價
（一）.實驗教學時，不拘泥于教材，要勇于創新，積極改進。我認為我們這個實驗課程的優點是：通過縮短培養時間和低溫保存樣品解決了實驗教學與有限的課堂時間的矛盾；補充美藍染色的步驟，使實驗結果更接近酵母菌的真實變化規律；采用更為快速方便的新方法進行酵母菌計數，充分發揮了先進教學手段的優勢。
（二）實驗中我們使用的菌種是聯系大學微生物實驗室獲得的，但如果時間和條件允許，可以將選修一有關于微生物分離純化的實驗內容也融入進來，讓學生自己去倒平板、稀釋涂布或平板劃線挑取單菌落，這樣的話實驗效果會更好、學生的收獲會更多。
（三）學生在上完這次實驗課后，也有很深的體會，比如，劉趙樂佳同學認為：“教材上的內容不一定百分百正確，要勇于創新，但理論要與實踐相結合。”苑怡澤同學說：“我不僅掌握了血細胞計數板的操作，還學會了更加簡便的新方法，收獲良多。”祝照陽同學做完實驗后非常興奮：“今天的實驗課十分有趣，讓我產生了強烈的學習欲望！”
在這節實驗課的實施過程中，我們經歷了諸多的困難和困惑，甚至一度想要放棄，但是當帶領著學生們制定出實驗方案時他們的激動與憧憬，在顯微鏡下找到計數室時的欣喜，以及使用新方法做出曲線圖時的興奮等等這些都給予了我莫大的鼓勵，讓我覺得自己付出再多的辛苦也是值得的。當然教學方法沒有最好只有更好，這就需要在以后的實踐中進一步探索與改進，所以也懇請各位同行專家多提寶貴意見，批評指正，謝謝大家！
 
 
 
 
 

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