“酵母細胞的固定化”實驗教學創新設計

徐 煒

(江蘇省邗江中學 225100)

一、教材分析

酵母細胞固定化實驗，是人教版高中生物選修1“生物技術實踐”重要實驗之一，本實驗重難點均為嘗試固定化酵母細胞的制備及發酵.突破重難點的做法有：1.提前做多種預實驗，預測實驗中可能發生的情況，以便更好地指導學生.2.對實驗進行一定的改進，提高實驗成功率，增強學生信心.3.利用多媒體視頻+實物投影+板書等多種教學手段，并且提前培養“學生專家”，協助教師完成實驗.

二、教學目標

1.科學探究

動手對酵母細胞進行固定化，通過對凝膠珠的形態和顏色來理解操作要領.

2.科學思維

嘗試進行細胞固定化，并利用固定化酵母細胞進行酒精發酵；

改進實驗評價，提高批判性思維、創新思維和科學探究能力；通過設計并探究實驗過程，進一步提高搜集、處理科學信息的能力以及分析和解決問題的能力.

3.生命觀念與社會責任

通過改進和評價實驗，養成嚴謹的科學態度，體會固定化酶的優越性.

三、教學過程設計

教學過程主要從“情景引入、激發興趣，設置問題、引發探究，分組操作、合作學習，聚焦討論、規范操作，歸納總結、拓展延伸”這五個方面展開，核心環節是學生的分組操作以及合作學習.為了讓實驗在45min內完成并培養學生創造性思維能力，筆者對該實驗做了以下幾點改進.

四、實驗方法改進

1.實驗分組的改進

本次實驗原先是教材中的一項驗證性實驗，深入思考會發現有許多地方值得探究.例如，使用不同濃度的海藻酸鈉固定酵母細胞最終形成的凝膠珠在顏色形狀上會有什么不同？包埋酵母的材料有很多，用其他材料替代海藻酸鈉是否可以？CaCl2溶液濃度的不同會對實驗造成影響嗎？未活化的酵母細胞和活化了的酵母細胞在這個實驗中的實驗效果有多大的差異呢？帶著這些問題本人將這個實驗分成了每個班進行四個大組的探究.如圖1所示.

圖1

2.配制海藻酸鈉溶液的改進

筆者查閱資料發現不同廠家生產的海藻酸鈉試劑加水的量不一樣，因此建議在實驗前先做預實驗，找出加水的適宜量.A組學生配制濃度為0.05、0.07、0.09、0.11、0.13、0.15g/mL海藻酸鈉溶液進行實驗，觀察到海藻酸鈉濃度偏低形成的凝膠珠顏色較淺，0.07～0.09g/mL濃度適宜，海藻酸鈉濃度越高其黏稠性越大，當大到一定程度時，與酵母細胞的混合液不但不易從注射器口滴下，出現拖尾的蝌蚪狀等現象，而且所制備的凝膠珠顏色也由白色逐漸加深至土黃色.

3.包埋材料的改進

B組學生用一定濃度的瓊脂包埋酵母菌，發現無需在CaCl2溶液中聚沉30min，10min即可，當堂課可見結果，且發酵效果好.需要注意的是，瓊脂易凝固，在冷卻至50℃左右即可與酵母混合.另外，由于瓊脂包埋的酵母菌無法在CaCl2溶液中浸泡形成凝膠珠，所以可以嘗試將瓊脂與酵母細胞混合后倒入培養皿，待其冷卻后將其用解剖刀劃成一個個小正方形便于后期發酵(圖2所示).48h后做酒精檢測，圖3為分別用瓊脂、海藻酸鈉包埋酵母菌發酵結果的鑒定，不難發現瓊脂包埋酵母細胞取得了更好的發酵效果.

圖2

圖3

4.CaCl2溶液濃度的改進

如果改變CaCl2溶液的濃度會對凝膠珠的成形有何影響？為了解決這一疑問，C組學生配制濃度為0、0.03、0.06、0.11、2.0、3.0mol/L的CaCl2溶液進行實驗，發現CaCl2溶液濃度為0時，固定化酵母細胞由圓形變成蝌蚪形沉入燒杯底部，并很快溶解在一起；當CaCl2溶液濃度為0.03 mol/L時，固定化的酵母細胞呈扁圓餅形，一碰即碎；當CaCl2溶液濃度≥0.06 mol/L時，固定化酵母細胞能呈圓球形沉淀，并且隨著CaCl2溶液濃度增大，凝膠珠的彈性增強.進一步查閱資料發現，張菡、杜雙奎等人通過對固定化酵母細胞的強度、后期發酵過程中的殘糖量和酒精度進行檢測，認為Ca2+濃度為2.0mol/L時，固定效果最為理想.

5.酵母細胞活化的改進

實驗前實驗員要做大量的準備工作，活化酵母細胞至少需要1h，筆者查閱資料發現如果想要達到教材上圖形顯示的即氣泡充滿整個燒杯的現象，在活化酵母時，應將溫度調至30℃，同時加入一定濃度的葡萄糖溶液，那么用未活化的酵母細胞與活化了的酵母細胞在這個實驗中會產生的很大的差別嗎？D組學生就想要探究這個問題.結果表明：未活化的酵母細胞固定后也能形成圓形凝膠珠，后期發酵也能產生酒精，與活化了的酵母細胞產生的實驗結果差別不是很大.

6.實驗器材的改進

“將混合均勻的海藻酸鈉溶液與酵母細胞轉移至注射器中”是教材中提供的方案，但是手頭有很多實驗器材都可以代替注射器.例如，一次性塑料滴管、玻璃棒以及較細的果汁滴管等，滴出的凝膠一樣可以成形，優點是沒有拖尾現象且能有效減少氣泡產生，缺點是耗時長.

改進器材的時候還發現如果用教材中提到的鑷子來捏取凝膠珠除非是訓練過的實驗員否則很容易把它壓碎，于是有人想到沖洗凝膠珠時，可改用消過毒的紗布或撈金魚的網兜，既能沖洗干凈，又不至于被水沖走，比教材中用鑷子更方便、快捷.

第三個器材的改進就是在發酵過程中，課本實驗要求用的是錐形瓶，但是錐形瓶放在實驗室里觀察不易帶回，故而有學生提出發酵所用的容器可以是自帶飲料瓶，既達到實驗目的，又方便學生觀察，減少危險，更增強了環保意識.

7.實驗操作的改進

在實驗過程中為縮短實驗時間、取得更好的實驗結果筆者在預實驗中獲得了一些實驗操作經驗值，例如①溶解海藻酸鈉時，若用90℃水浴加熱，不會發生焦糊現象，加10mL蒸餾水后不需要再加水定容(蒸發量很少)；若用小火間斷加熱的方法，在溶解開始前直接加入12mL蒸餾水不需要再水定容，每次加熱至剛有大氣泡時就從石棉網上拿開，重復7～9次，就能完全溶解.②膠體冷卻至室溫時加入已活化的酵母細胞的這一操作，每個人皮膚對溫度的敏感程度不同，僅以“不燙手”為標準，會有部分學生至膠體結塊才加入酵母菌，不容易混合均勻.可改為用溫度計測量，或用恒溫水浴(35～40℃)直至膠體與酵母混合均勻.③固定化酵母細胞時，滴凝膠的距離為液面上15～20cm左右.

五、教學反思

實驗課的教學中，講清基本理論和原理仍是課堂教學中最基本方式.通過改進包埋材料發現瓊脂包埋酵母細胞效果很好，當堂課可完成，增強了學生的探究興趣和成就感，建議推廣.此外引導探究要講究科學，課前喚醒學生探究欲望，要重視實驗記錄及反思，會達到事半功倍的效果.最后實驗前的預實驗非常重要，比如本次實驗中許多利于實驗成功的改進很多都是在預實驗中發現.