“探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化”实验改进与探索*

赵沛荣 张志祥

（1 宁波市鄞州中学 浙江宁波 315105 2 宁波市惠贞书院 浙江宁波 315016）

实验教学是生物学课程的特点，也是生物学教学的基本形式之一，是促进学生达成生物学核心素养的重要支撑［1］。《普通高中生物学课程标准（2017 版）》提出：学校要加强和完善生物学实验教学，尽可能创造条件，提高实验的开出率；教师要尽可能多组织以探究为特点的主动学习，提供更多的机会让学生亲自参与和实践［2］。现行浙科版教材必修3 第4 章中设置了“探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化”实验，旨在让学生通过对酵母菌种群数量的动态变化观察与统计，依据测量数据建立数学模型，从而探究种群的增长方式。然而由于存在实验过程复杂、计数操作难度大、硬件设施要求高等问题，导致该实验在高中各校开出率很不理想［3-4］。调查发现，一些学校甚至没有开设该实验，仅靠教师纸上谈兵式的讲解。基于此，笔者在参与新教材这一实验的编写过程中，更换了实验材料和用具，改进了实验方法，对“探究种群的增长方式”实验的可行性和实效性进行了探索。

1 实验的可行性和实效性分析

1.1 实验材料的有效替代 酵母菌繁殖速度较快，是研究种群增长的良好材料，但因其体积微小，肉眼无法识别，导致统计酵母菌数量时必须借助显微镜和血细胞计数板进行微观计数。而且，在显微计数时，酵母菌的死体和活体难以区分，虽通过染色可解决此问题，但是染色更会带来模糊不清、计数困难的新问题。

果蝇，双翅目昆虫，体形小、繁殖快，是日常生活中较为常见的一种动物。在成熟发酵的水果，例如葡萄、香蕉、杨梅上均可发现果蝇，故其采集较为方便，培养条件简单，且可直接肉眼宏观计数，死体和活体区分明显［5］。

1.2 实验用具的有效更换 酵母菌计数最大难度在于正确使用血细胞计数板。学生对样品稀释程度不准确、加样不合理、计数不科学等均会对实验结果产生很大影响，这也是该实验开展率不高的重要原因之一。酵母菌体积微小，用血细胞计数板进行显微计数也常计数不清，导致数据偏差。用比浊计测定虽简便快捷，但需要设置实验对照组进行测量数值的校正，且容易受到细胞大小、形态、培养液成分等因素的影响。而采用果蝇为实验材料时则用具较为简单，仅需用麻醉瓶将果蝇麻醉后倒在白纸上，用毛笔进行计数即可。酵母菌实验涉及微生物的培养相关内容，接种、取样在超净工作台上进行，且需无菌培养。果蝇可在普通实验室或教室环境下饲养，对实验用具、培养环境等无菌条件的要求相对较低。

1.3 实验方法的有效改进 用血细胞计数板计数和用比浊计测定浑浊度是现行浙科版教材中该实验重要的方法步骤，学生需在教师的指导下学习如何操作。因实验操作难度较大，学生掌握这2项技术需要较长时间。计数测定为0 d、1 d、4 d、7 d 取样，共测4 次，浑浊度测定在2 周内每天进行。酵母菌增殖速度较快，在培养后期进行计数时需要适度稀释；为区分酵母菌是否死亡，也需要对酵母菌进行染色观察等，均要花费更多时间。据调查，该实验中本校学生每次计数和测定浑浊度需要花费1 节课时间（测定小组以2 人为单位）。改用果蝇作为实验材料，可直接进行活体统计，方便快捷，单人即可完成。虽计数次数增加至21 次，但实验难度和总用时在原有实验的基础上进一步优化。计数结束后将麻醉的果蝇全部放回培养瓶中，还可避免抽样的部分个体不能放回原培养瓶造成的误差。

2 实验材料与用具

果蝇、香蕉、500 mL 广口瓶、纱布、橡皮筋、毛笔、乙醚、棉花团、放大镜、白纸、恒温培养箱、培养皿等。

3 实验过程

3.1 果蝇培养瓶的制备 取500 mL 广口瓶3个，在瓶底部铺一层厚约2 cm 的棉花。在每个广口瓶中分别放入大小相等且熟透的半根香蕉。棉花既可吸收香蕉腐烂的汁液，又为果蝇结蛹提供场所，故棉花不宜过薄，以免香蕉汁液没过棉花，影响蛹后果蝇的羽化。

3.2 果蝇采集与鉴别 从学校附近水果店诱捕多只果蝇，放置于温度适宜的环境中饲养。培养一段时间后，可见瓶内有果蝇虫茧存在，移除亲本成虫果蝇。待果蝇虫茧羽化后及时移出未交尾成虫。用乙醚麻醉［6］，依据雌、雄果蝇个体特征差异（腹部、背部和生殖器区别），用放大镜鉴别选择6 只雌蝇和6 只雄蝇。

3.3 分组编号与接种 将制备好的500 mL 广口瓶编号1、2 和3，贴上标签。乙醚麻醉果蝇后，放大镜选择雌、雄果蝇放入3 个培养瓶（每瓶2 只雌蝇和2 只雄蝇），用2 层纱布盖好，皮筋扎紧。

3.4 果蝇培养与计数 将3 个培养瓶置于温度适宜的环境中。每天观察、记录培养瓶中果蝇个体数，持续21 d（图1），设计实验数据的记录表格（表1），并将每天测量数据填入。当培养瓶内的果蝇数量不易直接观察计数时，另取一洁净广口瓶作为果蝇的麻醉瓶，放入滴有1～2 滴乙醚的棉花团，并将其与培养瓶的瓶口对接，轻拍培养瓶把果蝇赶入麻醉瓶（图2）。待果蝇麻醉后，倒在白纸上用毛笔进行计数（图3），计数结束再将昏迷果蝇放回原培养瓶中培养。

图1 培养瓶中的果蝇

表1 探究果蝇种群的增长实验结果记录表

图2 将果蝇赶入麻醉瓶

图3 用毛笔进行果蝇计数

3.5 种群增长曲线的绘制 处理果蝇种群的增长实验结果记录表1的实验数据，学习数据分析和科学绘图相关知识［7］。采用original 软件绘制曲线图，具体操作流程包括：输入种群基本数据、设置坐标标题和单位、选择绘图变量、设置坐标分度、设置输出参数和导出图像。

以时间为横坐标，种群个体数为纵坐标的曲线图（图4）显示一定培养条件下果蝇种群数量动态变化的数学模型。将3 个培养瓶达到最大值之前的果蝇种群数量取平均值后进行统计，选择适当的曲线类型拟合观测数据，并用拟合的曲线方程分析培养天数和种群数量间的关系，得到以下函数解析式：g（x）=540／（1+e13-x）。其中，x代表果蝇培养天数；e 为自然常数，其值约为2.71828。结果显示此增长函数满足逻辑斯谛方程，图像呈“S”形，说明本实验中果蝇种群的增长符合逻辑斯谛增长方式。

图4 果蝇种群数量变化曲线图

为了解果蝇种群增长特点，教师引导学生绘制种群增长速率和增长率的曲线图（图5、图6），利用模型帮助学生进一步理解种群数量增长的 “S”形曲线，环境容纳量K值、出生率和死亡率等生物学概念。

图5 果蝇种群增长速率曲线图

图6 果蝇种群增长率曲线图

3.6 实验结果的分析 学生依据实验结果，并查阅资料后讨论得出：1）实验初期条件适宜，食物充足，但果蝇亲本从交配、产卵到幼虫孵化、发育和结蛹，再羽化为子代成虫，需要10～12 d，所以前9 d 培养瓶中的果蝇数量一直为4 只。2）果蝇交配后约4～5 d，成虫产卵量达到最大，即在约13 d 会出现子代果蝇种群的最大增长量。3）随后，果蝇个体在有限的空间、食物和其他生活条件下种内竞争加剧，使种群的死亡率增大，但种群数量依然上升，第17 天时种群数量达到K值。4）第17 天后环境恶化（主要有空间有限、食物消耗和霉菌感染等），果蝇种群死亡率不断增大，种群数量开始下降。

4 结语

本实验以果蝇为实验材料，采用宏观计数方法，让学生对“种群数量动态变化”有了更为直观的认识和理解。利用实验课得到的数学模型，在接下来学习“不同条件下种群的增长方式不同”新课内容时，引导学生分析果蝇种群数量增长曲线的特点及其形成的原因，能顺利达成重要概念构建和素养提升。实验经过改进后，极大降低了种群计数的难度，提高了实验的开出率和效果。更换实验材料和实验用具、改进实验方法，也能培养学生的创新精神和实践能力。