“探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化”教学设计

郭少纯 （广东省茂名市第一中学 广东茂名 525027）

1 教材分析

本实验是人教版高中生物学必修3 第4 章第2 节中的一个探究课题， 目的是通过实验探讨酵母菌在不同条件下的数量变化，构建数学模型［1］。此课题是种群的特征和种群数量变化模型之间的重要衔接。 课程标准关于本节的具体内容要求为“尝试建立数学模型解释种群的数量变动”。

我省“探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化”实验的开设率仅为8.3%。其实本实验值得开展， 因为在探究过程中涉及多项实验技能和方法，例如数学模型法、抽样检测法、显微观察法、微生物培养法。 学生可通过取样、估算、记录与处理数据、建立数学模型并解释数据等过程，提高科学探究的能力， 且本实验中所涉及的酵母菌的培养与计数方法也为选修1“果酒的制作”“微生物的培养与计数” 奠定了基础， 具有承上启下的重要作用。

2 教学目标

1）知识目标：使用血球计数板；设计实验步骤；构建数学模型。

2）能力目标：实验操作能力；实验分析能力；模型构建能力。

3）情感态度与价值观目标：实事求是的科学态度；协作精神和合作意识；大胆质疑和勇于创新。

3 教学重、难点

1）重点：解释种群数量的波动类型及其原因，指出影响种群数量变动的因素。

2）难点：种群增长数学模型的构建。

4 教法与学法

1）教法：问题探究法、合作探究法、假说－演绎法。

2）学法：自主学习法、体验探究法、总结反思法。

5 教学过程

本课题共2 个课时，按照图1 流程实施教学：

图1 教学流程图

5.1 血球计数板的结构和使用方法 第1 节课学习血球计数板的结构和使用方法， 观察酵母菌的形态，学会计数并掌握计数公式。

5.2 问题探讨 学生进行实际操作，教师巡视并引导解决学生提出的以下问题：

问题1：如何找中方格?

教师引导学生学会寻找“双线”范围，确定是25×16 还是16×25， 从而确定是五点取样还是四点取样。

问题2：加酵母菌溶液后只能看清格线或酵母菌的原因是什么？

两者垂直距离太大， 可以静待酵母菌溶液沉降（1～2 min）。

问题3：低倍镜转高倍镜时容易碰到盖玻片怎么办？

解决方法1：不换物镜，改换高倍目镜。

解决方法2：使用双目显微镜，视野清晰，分辨率高。

问题4：酵母菌颜色很浅怎么办？

可将视野调暗，或加入碘液，可对酵母菌的淀粉粒进行染色。

问题5：除了酵母菌，还有其他适合的材料吗？

联想到茂名市以海洋渔业、滨海旅游、港口物流为主导产业。其中为防止赤潮，监测小球藻在内的藻类种群数量变化很有必要。 小球藻是一种单细胞球形藻类，因叶绿素丰富而呈绿色，便于观察。 作为低等植物，小球藻无需在无菌条件下培养。 细胞约每10 h 分裂一次，增殖速度较酵母菌慢，无芽体，方便计数。 小球藻衰亡过程中叶绿素a 含量逐渐降低，叶绿体收缩变成白色，因此无需染色即可分辨死活， 故小球藻可作为本实验的材料［2］。

问题6：哪些因素会影响酵母菌或小球藻种群数量的变化？

学生思考后回答：可以是外界的环境因素，如温度、pH 值、溶氧量等，也可以是自身内在因素，如菌种的差异、 有害物质积累量、 接种量的多少等。教材只将时间作为自变量进行探究，在不增加实验难度的前提下， 可增加不同营养条件作为自变量，为后续学习J 型曲线和S 型曲线作铺垫。

5.3 作出假设 酵母菌或小球藻的种群数量在不同营养条件下， 随培养时间延长的变化趋势是什么？ 假设如图2 所示。

图2 酵母菌或小球藻在营养充足（a 图）和营养有限条件下（b 图）的种群数量

5.4 实验探究 计数方法包括：①血球计数板直接抽样检测；②色度传感器测透光度；③浊度传感器测浑浊度。 后2 种方法需要培养液进行空白对照。

学生自主设计表格记录数据（表1）。 建立数学模型：不同营养条件下，酵母菌或小球藻数量随时间变化的曲线； 酵母菌或小球藻数量与浑浊度的关系曲线； 酵母菌或小球藻数量与色度的关系曲线（图3～图5）。

表1 酵母菌或小球藻种群数量记录表

图3 酵母菌或小球藻数量随时间变化的曲线

图4 酵母菌或小球藻数量与浑浊度的关系曲线

图5 酵母菌或小球藻数量与色度的关系曲线

按照以下步骤在课后实施实验：

1）配置酵母菌或小球藻培养液（酵母菌培养液：5%葡萄糖液；小球藻培养液：完全营养素培养液）、分装、灭菌，分为A、B、C、D 4 组，每组100 mL 培养液（课前准备）；

2）A、B 组接种1 g 酵母菌，C、D 组接种10 mL小球藻，A、C 组每天不改变培养液含量，B、D 组每天增加5 mL 培养液，恒温25℃培养；

3）取样，镜检，加样，计数；

4）全班分成4 个大组，记录7 天数据，每组重复3 次取平均值。

5.5 分析汇报 第2 课时进行实验结果分析汇报，包括：

1）学生展示表格数据，绘制变化趋势曲线，说明酵母菌和小球藻种群数量变化和浑浊度及色度的关系并解释原因。 学生利用Excel 构建种群数量变化的数学表达式， 并利用公式预测第8 天的数量，课后进行计数验证。

2）师生总结造成曲线变化（包括上升、稳定、下降）的原因，并分析不同小组结果差异的原因，引导学生考虑营养条件、空间、有害物质积累、杂菌竞争等。

图6 酵母菌生长曲线

图7 酵母菌数量增长速率

图8 酵母菌数量增长率

图9 小球藻生长曲线

图10 小球藻数量增长速率

图11 小球藻数量增长率

3）学生利用Excel 绘制营养不足时酵母菌或小球藻生长曲线、数量增长速率和增长率曲线，从而突破难点（图6～图11）。

6 实验创新点

6.1 优化计数方法和数据处理

1）计数时由于酵母菌或小球藻体积小，计数难度增大，可用相机拍下需计数的中方格，再将照片放大后计数。

2）利用Excel 可准确将实验数据中的种群密度与时间拟合曲线，建立数学表达式模型。

6.2 教材顺序的调整 理论—实验—理论： 课上先进行血球计数板结构和使用的学习、观察、讨论、改进，课后给予充足时间计数、探究。第2 节课进行小组汇报，再学习种群数量变化的J 型曲线和S 型曲线。“假说－演绎法”对学生逆向思维的培养、能力的提高都起到很好的作用，应鼓励学生在平时思考问题和设计实验时多使用“假说－演绎法”。

6.3 完善模型构建

1）通过预测种群数量增长实现模型构建的意义，即可用于农业、渔业、养殖业等生产实际。 利用构建的数学公式y=-32.194x3+379.4x2-993.62x+681.43，预测第8 天酵母菌数量：5.3×107个。

2）利用实验数据计算增长速率和增长率。 从曲线中不难看出，S 型曲线的增长速率先增后减，增长率是一直减少或者先增后减，从而突破难点。

6.4 材料的改进

1）将马铃薯培养液（操作繁琐、容易污染、液体浑浊、影响观察）改为葡萄糖培养液（取材更简便、溶液更澄清、效果更明显）。

2）供学生选择的材料多样：酵母菌、小球藻（绿色、体积大、容易观察）。

7 教学反思

在实验计数操作时没有使用无菌技术， 培养液可能逐渐被污染， 杂菌在不同情况下浑浊度和色度的变化均会影响本实验结果， 导致部分小组在培养液营养不足情况下， 测定酵母菌或小球藻生长后期的浑浊度和色度有轻微偏高。 因此为排除干扰，本实验应在无菌条件下进行。

8 实验设想和展望

由于课时有限，本实验的探究尚不够全面，以下是可进一步拓展的内容，将在以后落实。

1）可探究各种因素对酵母菌种群数量的影响，如酒精含量（2013年广东高考理综第29 题有所涉及）。

2）活酵母菌种群数量变化曲线：利用0.01%亚甲基蓝溶液染色，活酵母菌呈无色、死酵母菌呈蓝色，从而区分活菌和死菌。但不能在血球计数板上直接染色，应另外制作装片。通过染色区分活菌和死菌并计算二者的比例， 再根据比例换算出活菌数目，从而构建数学模型，真实反映酵母菌种群数量的变化。

3）整合酵母菌实验，形成完整的探究实验：将必修1“探究酵母菌呼吸方式”、必修3 本实验、选修1“果酒果醋制作”“微生物培养和计数”进行整合。这样处理的原因有2 点：①解决选修1 实验过于集中而导致学校实验室的紧张， 将选修1 和必修3 打通，有利于实验室的安排。②整合选修1 中微生物的内容， 可让学生体验模型构建的完整过程。 这也是目前倡导的整体备课思想的体现。

4）使用“大生物”降低实验难度，例如用果蝇直接计数、用大草履虫［3］在解剖镜下计数，更为简便。

实验教学是生物学教学的重要环节， 和课堂教学不可分割。实验的过程和结果，有利于学生理解生物学现象和核心概念， 提高生物学核心素养中的科学探究能力。 教师应将实验思想贯穿于教学过程中， 通过合理设计实验流程， 改进实验方法，创造条件引导学生进一步探究，促进理论和实践相统一。