“探究培養液中酵母菌種群數量的動態變化”教學設計

郭少純 （廣東省茂名市第一中學 廣東茂名 525027）

1 教材分析

本實驗是人教版高中生物學必修3 第4 章第2 節中的一個探究課題， 目的是通過實驗探討酵母菌在不同條件下的數量變化，構建數學模型［1］。此課題是種群的特征和種群數量變化模型之間的重要銜接。 課程標準關于本節的具體內容要求為“嘗試建立數學模型解釋種群的數量變動”。

我省“探究培養液中酵母菌種群數量的動態變化”實驗的開設率僅為8.3%。其實本實驗值得開展， 因為在探究過程中涉及多項實驗技能和方法，例如數學模型法、抽樣檢測法、顯微觀察法、微生物培養法。 學生可通過取樣、估算、記錄與處理數據、建立數學模型并解釋數據等過程，提高科學探究的能力， 且本實驗中所涉及的酵母菌的培養與計數方法也為選修1“果酒的制作”“微生物的培養與計數” 奠定了基礎， 具有承上啟下的重要作用。

2 教學目標

1）知識目標：使用血球計數板；設計實驗步驟；構建數學模型。

2）能力目標：實驗操作能力；實驗分析能力；模型構建能力。

3）情感態度與價值觀目標：實事求是的科學態度；協作精神和合作意識；大膽質疑和勇于創新。

3 教學重、難點

1）重點：解釋種群數量的波動類型及其原因，指出影響種群數量變動的因素。

2）難點：種群增長數學模型的構建。

4 教法與學法

1）教法：問題探究法、合作探究法、假說－演繹法。

2）學法：自主學習法、體驗探究法、總結反思法。

5 教學過程

本課題共2 個課時，按照圖1 流程實施教學：

圖1 教學流程圖

5.1 血球計數板的結構和使用方法 第1 節課學習血球計數板的結構和使用方法， 觀察酵母菌的形態，學會計數并掌握計數公式。

5.2 問題探討 學生進行實際操作，教師巡視并引導解決學生提出的以下問題：

問題1：如何找中方格?

教師引導學生學會尋找“雙線”范圍，確定是25×16 還是16×25， 從而確定是五點取樣還是四點取樣。

問題2：加酵母菌溶液后只能看清格線或酵母菌的原因是什么？

兩者垂直距離太大， 可以靜待酵母菌溶液沉降（1～2 min）。

問題3：低倍鏡轉高倍鏡時容易碰到蓋玻片怎么辦？

解決方法1：不換物鏡，改換高倍目鏡。

解決方法2：使用雙目顯微鏡，視野清晰，分辨率高。

問題4：酵母菌顏色很淺怎么辦？

可將視野調暗，或加入碘液，可對酵母菌的淀粉粒進行染色。

問題5：除了酵母菌，還有其他適合的材料嗎？

聯想到茂名市以海洋漁業、濱海旅游、港口物流為主導產業。其中為防止赤潮，監測小球藻在內的藻類種群數量變化很有必要。 小球藻是一種單細胞球形藻類，因葉綠素豐富而呈綠色，便于觀察。 作為低等植物，小球藻無需在無菌條件下培養。 細胞約每10 h 分裂一次，增殖速度較酵母菌慢，無芽體，方便計數。 小球藻衰亡過程中葉綠素a 含量逐漸降低，葉綠體收縮變成白色，因此無需染色即可分辨死活， 故小球藻可作為本實驗的材料［2］。

問題6：哪些因素會影響酵母菌或小球藻種群數量的變化？

學生思考后回答：可以是外界的環境因素，如溫度、pH 值、溶氧量等，也可以是自身內在因素，如菌種的差異、 有害物質積累量、 接種量的多少等。教材只將時間作為自變量進行探究，在不增加實驗難度的前提下， 可增加不同營養條件作為自變量，為后續學習J 型曲線和S 型曲線作鋪墊。

5.3 作出假設 酵母菌或小球藻的種群數量在不同營養條件下， 隨培養時間延長的變化趨勢是什么？ 假設如圖2 所示。

圖2 酵母菌或小球藻在營養充足（a 圖）和營養有限條件下（b 圖）的種群數量

5.4 實驗探究 計數方法包括：①血球計數板直接抽樣檢測；②色度傳感器測透光度；③濁度傳感器測渾濁度。 后2 種方法需要培養液進行空白對照。

學生自主設計表格記錄數據（表1）。 建立數學模型：不同營養條件下，酵母菌或小球藻數量隨時間變化的曲線； 酵母菌或小球藻數量與渾濁度的關系曲線； 酵母菌或小球藻數量與色度的關系曲線（圖3～圖5）。

表1 酵母菌或小球藻種群數量記錄表

圖3 酵母菌或小球藻數量隨時間變化的曲線

圖4 酵母菌或小球藻數量與渾濁度的關系曲線

圖5 酵母菌或小球藻數量與色度的關系曲線

按照以下步驟在課后實施實驗：

1）配置酵母菌或小球藻培養液（酵母菌培養液：5%葡萄糖液；小球藻培養液：完全營養素培養液）、分裝、滅菌，分為A、B、C、D 4 組，每組100 mL 培養液（課前準備）；

2）A、B 組接種1 g 酵母菌，C、D 組接種10 mL小球藻，A、C 組每天不改變培養液含量，B、D 組每天增加5 mL 培養液，恒溫25℃培養；

3）取樣，鏡檢，加樣，計數；

4）全班分成4 個大組，記錄7 天數據，每組重復3 次取平均值。

5.5 分析匯報 第2 課時進行實驗結果分析匯報，包括：

1）學生展示表格數據，繪制變化趨勢曲線，說明酵母菌和小球藻種群數量變化和渾濁度及色度的關系并解釋原因。 學生利用Excel 構建種群數量變化的數學表達式， 并利用公式預測第8 天的數量，課后進行計數驗證。

2）師生總結造成曲線變化（包括上升、穩定、下降）的原因，并分析不同小組結果差異的原因，引導學生考慮營養條件、空間、有害物質積累、雜菌競爭等。

圖6 酵母菌生長曲線

圖7 酵母菌數量增長速率

圖8 酵母菌數量增長率

圖9 小球藻生長曲線

圖10 小球藻數量增長速率

圖11 小球藻數量增長率

3）學生利用Excel 繪制營養不足時酵母菌或小球藻生長曲線、數量增長速率和增長率曲線，從而突破難點（圖6～圖11）。

6 實驗創新點

6.1 優化計數方法和數據處理

1）計數時由于酵母菌或小球藻體積小，計數難度增大，可用相機拍下需計數的中方格，再將照片放大后計數。

2）利用Excel 可準確將實驗數據中的種群密度與時間擬合曲線，建立數學表達式模型。

6.2 教材順序的調整 理論—實驗—理論： 課上先進行血球計數板結構和使用的學習、觀察、討論、改進，課后給予充足時間計數、探究。第2 節課進行小組匯報，再學習種群數量變化的J 型曲線和S 型曲線。“假說－演繹法”對學生逆向思維的培養、能力的提高都起到很好的作用，應鼓勵學生在平時思考問題和設計實驗時多使用“假說－演繹法”。

6.3 完善模型構建

1）通過預測種群數量增長實現模型構建的意義，即可用于農業、漁業、養殖業等生產實際。 利用構建的數學公式y=-32.194x3+379.4x2-993.62x+681.43，預測第8 天酵母菌數量：5.3×107個。

2）利用實驗數據計算增長速率和增長率。 從曲線中不難看出，S 型曲線的增長速率先增后減，增長率是一直減少或者先增后減，從而突破難點。

6.4 材料的改進

1）將馬鈴薯培養液（操作繁瑣、容易污染、液體渾濁、影響觀察）改為葡萄糖培養液（取材更簡便、溶液更澄清、效果更明顯）。

2）供學生選擇的材料多樣：酵母菌、小球藻（綠色、體積大、容易觀察）。

7 教學反思

在實驗計數操作時沒有使用無菌技術， 培養液可能逐漸被污染， 雜菌在不同情況下渾濁度和色度的變化均會影響本實驗結果， 導致部分小組在培養液營養不足情況下， 測定酵母菌或小球藻生長后期的渾濁度和色度有輕微偏高。 因此為排除干擾，本實驗應在無菌條件下進行。

8 實驗設想和展望

由于課時有限，本實驗的探究尚不夠全面，以下是可進一步拓展的內容，將在以后落實。

1）可探究各種因素對酵母菌種群數量的影響，如酒精含量（2013年廣東高考理綜第29 題有所涉及）。

2）活酵母菌種群數量變化曲線：利用0.01%亞甲基藍溶液染色，活酵母菌呈無色、死酵母菌呈藍色，從而區分活菌和死菌。但不能在血球計數板上直接染色，應另外制作裝片。通過染色區分活菌和死菌并計算二者的比例， 再根據比例換算出活菌數目，從而構建數學模型，真實反映酵母菌種群數量的變化。

3）整合酵母菌實驗，形成完整的探究實驗：將必修1“探究酵母菌呼吸方式”、必修3 本實驗、選修1“果酒果醋制作”“微生物培養和計數”進行整合。這樣處理的原因有2 點：①解決選修1 實驗過于集中而導致學校實驗室的緊張， 將選修1 和必修3 打通，有利于實驗室的安排。②整合選修1 中微生物的內容， 可讓學生體驗模型構建的完整過程。 這也是目前倡導的整體備課思想的體現。

4）使用“大生物”降低實驗難度，例如用果蠅直接計數、用大草履蟲［3］在解剖鏡下計數，更為簡便。

實驗教學是生物學教學的重要環節， 和課堂教學不可分割。實驗的過程和結果，有利于學生理解生物學現象和核心概念， 提高生物學核心素養中的科學探究能力。 教師應將實驗思想貫穿于教學過程中， 通過合理設計實驗流程， 改進實驗方法，創造條件引導學生進一步探究，促進理論和實踐相統一。