實驗案例

對人教版選修1中專題4“酶的研究與利用”課題3“酵母細(xì)胞的固定化”的實驗制作教學(xué)思考和設(shè)計如下：

（1）提出實驗?zāi)康牡乃悸罚褐R要承上啟下，溫故而知新，所以筆者通過對直接使用酶存在哪些問題引出實驗的目的。

設(shè)計實驗?zāi)康模禾釂枮槭裁匆獙⒚负图?xì)胞進(jìn)行固化，讓學(xué)生說出直接使用酶制劑存在的缺陷，明確動手實驗制作固定化酵母的原因所在，體會固定化細(xì)胞的制作和固定化酶的作用。

課件設(shè)計：研究目的：

在應(yīng)用酶的過程中，人們發(fā)現(xiàn)了一些實際問題：酶通常對強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高溫和有機(jī)溶劑等條件非常敏感，容易失活；溶液中的酶很難回收，提高了生產(chǎn)成本，也可能影響產(chǎn)品質(zhì)量。在本課題中，我們將動手制備固定化酵母細(xì)胞，體會固定化酶的作用。

（2）引出實驗方法的思路：通過溫習(xí)回顧固定化酶和細(xì)胞的三種方法，突出固定化細(xì)胞適合哪種方法，從而讓學(xué)生明確用包埋法進(jìn)行實驗操作。

對實驗方法的設(shè)計：提問固定化酶和固定化細(xì)胞有哪三種方法，學(xué)生答出后，進(jìn)一步問固定化細(xì)胞常用哪種方法，引出包埋法。

課件展示：將酶和細(xì)胞固定化的方法有：

包埋法、化學(xué)結(jié)合法和物理吸附法（表1）。

（3）介紹實驗材料和用具的思路：因為本實驗使用的材料用具干酵母，海藻酸鈉，無水CaCl₂、蒸餾水、燒杯、玻璃棒、酒精燈、三角架、石棉網(wǎng)（或者水浴鍋）、注射器、10%的葡萄糖溶液等材料中，學(xué)生只對海藻酸鈉沒有感性認(rèn)識，而本實驗中對海藻酸鈉的使用又決定實驗的成敗和實驗的質(zhì)量，所以，筆者重點給學(xué)生介紹了海藻酸鈉，為后面正確使用海藻酸鈉進(jìn)行了鋪墊。

介紹實驗材料和用具的設(shè)計：提問固定細(xì)胞有哪些材料，從而導(dǎo)出實驗將要使用的海藻酸鈉，先讓學(xué)生感性認(rèn)識固體狀態(tài)的海藻酸鈉（展示和讓學(xué)生認(rèn)識下實驗桌上的實驗用品海藻酸鈉），進(jìn)而說明在實驗中需要將其溶解，溶解的過程就決定實驗的成敗！因為溶解海藻酸鈉需要加熱（可提問學(xué)生：為什么要熱溶解海藻酸鈉？學(xué)生答：因為其難溶解于水中），且加熱過程要小火反復(fù)進(jìn)行幾次。教師提示學(xué)生聯(lián)想家里大火燒飯，飯會怎樣。學(xué)生很容易想到大火溶解海藻酸鈉會使其焦糊！不僅如此，海藻酸鈉的濃度還會影響固定化細(xì)胞的質(zhì)量，在實驗操作過程中將讓學(xué)生體會。通過實驗使學(xué)生從簡單模仿轉(zhuǎn)型為主動探究！

課件設(shè)計：固定細(xì)胞的材料：

選取固定細(xì)胞時應(yīng)當(dāng)選用不溶于水的多孔性載體材料，如明膠、瓊脂糖、海藻酸鈉、醋酸纖維素和聚丙烯酰胺等。

對海藻酸鈉加熱熔化，決定實驗的成敗；海藻酸鈉的濃度決定固定化細(xì)胞的質(zhì)量。

（4）闡明實驗原理的思路：海藻酸鈉要將酵母細(xì)胞包埋起來，必然要將兩者溶液進(jìn)行融合，如何將融合的溶液形成凝膠固體，筆者從學(xué)生很熟悉的化學(xué)知識鈉離子和鈣離子的置換可以形成沉淀說起，這樣學(xué)生就非常容易想到鈣離子，也就很容易理解和接受凝膠形成的原理——即海藻酸鈉溶液遇到鈣離子會形成凝膠，從而將酵母細(xì)胞包埋在凝膠中，達(dá)到固定化作用。

如何說明凝膠珠在生產(chǎn)運(yùn)用中最為理想，筆者利用學(xué)生熟悉的數(shù)學(xué)和物理知識設(shè)計了想一想，讓學(xué)生比較：在同體積情況下，凝膠呈什么形狀，面積可達(dá)到最大化和摩擦損耗則為最小化？這樣讓學(xué)生明白今天的實驗就要把酵母細(xì)胞包埋成凝膠珠。為了讓學(xué)生有感性認(rèn)識，筆者事先制成凝膠珠成品，展示給學(xué)生，使學(xué)生心中有數(shù)。

實驗原理的設(shè)計：設(shè)疑提問海藻酸鈉要將酵母菌包埋起來，兩溶液必然要進(jìn)行混合，酵母菌和海藻酸鈉混合液要形成凝膠固體，鈉離子和什么離子置換就可以形成固體沉淀？得到答案鈣離子后，進(jìn)而問學(xué)生常用的是什么鈣鹽，使學(xué)生知道實驗用的就是常見的鈣鹽CaCl₂。從師生互動問題中，學(xué)生掌握了實驗原理，再拋出想一想：在生產(chǎn)運(yùn)用中，相同體積情況下，凝膠呈什么形狀，可以達(dá)到面積最大化和摩擦損耗最小化？學(xué)生得出圓形或者橢圓形——即凝膠珠。自然而然，就可以呈現(xiàn)筆者事先做好的凝膠珠。

課件設(shè)計：實驗原理：

海藻酸鈉溶液遇到鈣離子會形成凝膠，從而將酵母細(xì)胞包埋在凝膠中，達(dá)到固定化作用。

想一想：在生產(chǎn)運(yùn)用中，同體積情況下，凝膠呈什么形狀，可以達(dá)到面積最大化和摩擦損耗最小化？

圓形或者橢圓形——即凝膠珠。

（5）介紹實驗步驟的思路：如果讓學(xué)生只是按書中實驗步驟去完成實驗，沒有思考，那么學(xué)生即使完成了實驗也是比較被動的，甚至對試劑的用量也是稀里糊涂的，所以依葫蘆畫瓢做出來的實驗只限于模仿，缺乏對實驗本質(zhì)的認(rèn)識和對實驗過程的探究。針對這樣情況，筆者在實驗的每一步都設(shè)計了相關(guān)的問題，讓學(xué)生知道做的所以然。而對學(xué)生可能想不出的一些問題，給于一定的提示，如：為什么配制的CaCl₂溶液濃度為0.05mol/L？生理鹽水的濃度含義是什么？生理鹽水和人體細(xì)胞內(nèi)液等滲。這樣學(xué)生能夠很容易想到0.05mol/L CaCl₂溶液和酵母菌細(xì)胞內(nèi)液是等滲的。

筆者還設(shè)計了對照組實驗。因為前面提到海藻酸鈉的濃度影響固定化細(xì)胞的質(zhì)量，所以筆者讓一個小組配制濃度過低的海藻酸鈉溶液如取海藻酸鈉的量0.3g；設(shè)另外一組配制濃度過高的海藻酸鈉溶液如取海藻酸鈉的量1.0g；其他為標(biāo)準(zhǔn)組取海藻酸鈉0.7g，觀察實驗結(jié)果。這樣讓學(xué)生在實驗中去體會探究海藻酸鈉的濃度對固定化細(xì)胞質(zhì)量的影響，印象會更深刻。

另外，對實驗中的技巧要給于學(xué)生一定的指導(dǎo)。熟能生巧，學(xué)生首次做這樣的實驗，沒有經(jīng)驗，所以教師要在細(xì)節(jié)上給于學(xué)生進(jìn)行一定的指導(dǎo)。有時實驗的細(xì)節(jié)就會決定實驗的成敗！本實驗在將海藻酸鈉和酵母細(xì)胞溶液混合后，用注射器滴加到配制好的CaCl₂溶液就有一定的技巧，應(yīng)距離液面15cm～30cm為好，因為過低，凝膠珠易帶尾巴。筆者提示學(xué)生自己嘗試由低到高找到滴加的最合適距離，這是技巧之一。技巧之二，標(biāo)準(zhǔn)組的學(xué)生在實驗過程中，如果將海藻酸鈉和酵母細(xì)胞的混合液用注射器滴加到配制好的CaCl₂溶液時，始終不能成凝膠珠，筆者建議他們可逐次加1mL水調(diào)和，直至形成凝膠珠。這是因為，學(xué)生在配制海藻酸鈉過程中可能稱量多了或者加熱溶解海藻酸鈉沒有進(jìn)行補(bǔ)水，導(dǎo)致海藻酸鈉海濃度過高，另外藻酸鈉的濃度還受到所買的批次相關(guān)，這是學(xué)生不知道的。當(dāng)然，這些技巧可讓學(xué)生先照著做，讓學(xué)生思考教師提出這樣的建議原因，等教師對實驗評析時，學(xué)生會各抒己見，教師加以指導(dǎo)，總結(jié)結(jié)果。這樣可起到學(xué)生動手又動腦作用，提高學(xué)生參與性。

實驗步驟的設(shè)計：筆者事先板書好實驗5步驟，再用課件簡要說明每步的要領(lǐng)，用課件拋出每步相關(guān)問題，讓學(xué)生思考：

①什么是活化？

②為什么用CaCl₂溶液并且濃度為0.05mol/L？

③為什么要用小火，或者間斷加熱海藻酸鈉，反復(fù)幾次？海藻酸鈉溶液過低或者過高會有什么實驗現(xiàn)象？

④為什么海藻酸鈉溶液要冷卻到室溫？

⑤注射時注射器離液面過低有什么現(xiàn)象？凝膠珠浸泡30min左右的目的是什么？

學(xué)生做實驗的時間可控制在20min左右，基本可完成。因為酵母細(xì)胞的活化要提前1h，故筆者事先已經(jīng)配制好，學(xué)生分工合作制需做其他四步驟。剩下時間可結(jié)合學(xué)生的實驗加以評析。

（6）實驗評析的思路是：首先將給學(xué)生思考的問題，通過師生的共同討論得出答案。其中讓對照組的學(xué)生和標(biāo)準(zhǔn)組學(xué)生做的凝膠珠進(jìn)行比較，學(xué)生很容易理解海藻酸鈉濃度是怎樣影響酵母細(xì)胞固定化的質(zhì)量，進(jìn)而影響固定化細(xì)胞的運(yùn)用效果。第二評析凝膠珠的質(zhì)量是否合格，因為學(xué)生做的凝膠珠還不到30min，離子的置換是需要一定時間的，還不太好檢驗，所以筆者用事先做好的凝膠珠示范檢驗的兩種方法，這樣學(xué)生一目了然。至于為什么進(jìn)行這樣檢驗，可讓學(xué)生自己討論下，很容易得出結(jié)論。

如果將在實驗室操作的實驗延伸到實際生產(chǎn)運(yùn)用中，還應(yīng)該讓學(xué)生清楚，是有一定差距的，實際運(yùn)用中一定要注意無菌操作。

而對實驗做的凝膠珠有無功效，筆者是作為課后的實驗作業(yè)布置，是這樣處理的：事先讓每組學(xué)生準(zhǔn)備兩個飲料瓶，一個裝還尚需在CaCl₂溶液中繼續(xù)穩(wěn)定的凝膠珠，一個裝150mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%葡萄糖溶液，讓學(xué)生課后繼續(xù)做驗證實驗，觀察驗證實驗的結(jié)果。

實驗評析的設(shè)計：討論在實驗操作中的實驗思考問題，并且給出5大問題的答案，尤其第3問題中海藻酸鈉溶液過低或者過高會有什么實驗現(xiàn)象。讓學(xué)生通過對海藻酸鈉不同濃度的實驗探究結(jié)果，即讓學(xué)生對比標(biāo)準(zhǔn)組和對照組實驗現(xiàn)象。學(xué)生興趣盎然地得出結(jié)論：過低，凝膠珠顏色過淺發(fā)白；過高，難以形成凝膠珠。進(jìn)而再讓學(xué)生觀察凝膠珠的顏色和形狀。

教師進(jìn)一步評析：

①如果制作的凝膠珠顏色過淺、呈白色，則說明什么？

②如果形成的凝膠珠不是圓形或橢圓形，則說明什么？通過標(biāo)準(zhǔn)組實驗現(xiàn)象和對照組實驗現(xiàn)象的對比，學(xué)生很容易回答出。教師需要進(jìn)一步引導(dǎo)，海藻酸鈉濃度過低，雖然可以形成凝膠珠，但包埋的酵母菌少，會影響實驗效果，生產(chǎn)實際過程中會影響產(chǎn)量等。

③如何檢驗?zāi)z珠的質(zhì)量是否合格？

筆者用事先做好的凝膠珠進(jìn)行示范：用鑷子夾起一個凝膠珠放在實驗桌上用手?jǐn)D壓，如果凝膠珠不容易破裂，沒有液體流出，就表明凝膠珠的制作成功；在實驗桌上用力摔打凝膠珠，如果凝膠珠很容易彈起，也能表明制備的凝膠珠是成功的。

而對實驗的延伸，筆者設(shè)疑：為什么在工業(yè)生產(chǎn)中，酵母細(xì)胞的固定化是嚴(yán)格無菌的條件下進(jìn)行的？如果要求制作反復(fù)使用的固定化酵母細(xì)胞，應(yīng)該在實驗過程中注意哪些問題？學(xué)生討論第一問就能得出雜菌混入會殺死酵母菌，后面一個問題是開放式的，學(xué)生能具體說出事例，如要戴無菌手套、器具要消毒等，表明學(xué)生已經(jīng)注意到實際運(yùn)用時要注意的事項。

對實驗作業(yè)布置，筆者要求學(xué)生把課堂上做好的凝膠珠用飲料瓶帶回到班級繼續(xù)穩(wěn)定到0.5h候后，沖洗，放人150mL10%葡萄糖溶液（也是從實驗室用飲料瓶帶走的）封閉24h（因為做這個實驗時，本地氣溫在25℃左右，故可讓學(xué)生帶到班級去觀察驗證實驗）后，聞一聞是否有酒味，看一看是否有氣泡生成。這樣就完成了酵母細(xì)胞的固定化實驗制作。

本實驗課通過筆者的精心設(shè)計，對教材進(jìn)行了大膽的處理，實驗流程由學(xué)生簡單模仿教師按部就班的去做，轉(zhuǎn)型為引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分組對照實驗，帶著問題去主動探究的過程，充分調(diào)動了學(xué)生在整個課堂中的積極性。

教學(xué)過程的程序設(shè)計則一環(huán)扣一環(huán)，層層遞進(jìn)，教學(xué)程序問題的設(shè)計承上啟下，詳略得當(dāng)，過渡自然，學(xué)生溫故而又知新。

實驗步驟中問題的設(shè)計和對照實驗組的設(shè)計，更是激起學(xué)生對知識的好奇心和探究的愿望，讓學(xué)生動手又動腦，從理論指導(dǎo)實踐，又通過實踐驗證理論，既達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，又培養(yǎng)了學(xué)生辯證思維及動手動腦的能力，學(xué)生的思維能力在動手親自嘗試的基礎(chǔ)上得到了充分的鍛煉。