“酵母菌種群大小動態(tài)變化實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)設(shè)計(jì)

周金露

（江蘇省儀征中學(xué) 江蘇揚(yáng)州 211400）

1 教材分析

“探究酵母菌種群大小的動態(tài)變化”是蘇教版高中生物教材中《必修3·穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》模塊中的一個重要實(shí)驗(yàn)。在前一課中，學(xué)生對種群數(shù)量增長的“J”型曲線和“S”型曲線已經(jīng)有了一定理解。“探究酵母菌種群大小的動態(tài)變化”這一實(shí)驗(yàn)是在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步討論處于存在環(huán)境阻力的條件下種群數(shù)量是如何增長的問題。學(xué)生能夠通過本節(jié)實(shí)驗(yàn)課，體驗(yàn)抽樣檢測法調(diào)查酵母菌種群數(shù)量的方式，鍛煉使用光學(xué)顯微鏡觀察計(jì)數(shù)的能力，掌握構(gòu)建數(shù)學(xué)模型解決生物學(xué)問題的科學(xué)方法、熟練運(yùn)用數(shù)字化設(shè)備檢測實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，并形成進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理的科學(xué)性思維。

2 教學(xué)目標(biāo)

①通過分析影響種群數(shù)量變化的因素，建立生物與環(huán)境相統(tǒng)一的觀點(diǎn)。

②通過建立酵母菌種群增長的數(shù)學(xué)模型，培養(yǎng)歸納、比較及運(yùn)用模型分析問題的能力。

③通過探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化，掌握實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施及提高對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與評價(jià)能力。

④通過歸納種群數(shù)量變化在實(shí)踐中的應(yīng)用，養(yǎng)成關(guān)注生產(chǎn)實(shí)踐、學(xué)以致用的態(tài)度。

3 教學(xué)過程

3.1 課前準(zhǔn)備和材料用具

酵母菌在光學(xué)顯微鏡下比較容易被觀察和識別，而且具有培養(yǎng)簡單、生長周期短等特點(diǎn)，是進(jìn)行種群數(shù)量的動態(tài)變化研究的理想實(shí)驗(yàn)材料。以酵母菌作為實(shí)驗(yàn)材料，還可以探究影響種群數(shù)量變化的因素，如溫度、酸堿度等。據(jù)此得出實(shí)驗(yàn)的基本思路：配制一定濃度的葡萄糖溶液（100 mL）；接種少量酵母菌（0.1 g）；適宜條件下培養(yǎng)（20℃、4℃）；定期取樣；測定酵母菌液的pH；測定酵母菌的數(shù)量；統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；圖表分析。

如果按照蘇教版教材中的實(shí)驗(yàn)步驟對酵母菌培養(yǎng)液進(jìn)行每天定時取樣和計(jì)數(shù)，本實(shí)驗(yàn)將持續(xù)至少一周的時間。鑒于該實(shí)驗(yàn)需要對酵母菌進(jìn)行較長時間的培養(yǎng)，且實(shí)驗(yàn)過程復(fù)雜、影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素較多，在正式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前需進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)。教師進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，每天定時取樣計(jì)數(shù)可以改進(jìn)為每天配制相同的培養(yǎng)基并進(jìn)行酵母菌接種，第七天時在課堂上對培養(yǎng)天數(shù)不同的酵母菌進(jìn)行集中地?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。通過這兩種方式得到的數(shù)據(jù)幾乎沒有差異。另外，錐形瓶、移液管等實(shí)驗(yàn)器材使用高壓蒸汽滅菌法滅菌與使用煮沸消毒法處理后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。預(yù)實(shí)驗(yàn)是由教師和課外生物小組成員共同完成的，這樣可以讓參與課前探究的小組成員在全班實(shí)驗(yàn)時起到很好的指導(dǎo)帶頭作用。

大數(shù)據(jù)時代的高中生物課堂必須能夠緊跟科技發(fā)展的潮流。教師運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)備輔助教學(xué)，可以準(zhǔn)確快速地檢測出所需實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，幫助學(xué)生理解影響酵母菌種群數(shù)量變化的因素。

材料用具：酵母菌；顯微鏡、智能數(shù)字實(shí)驗(yàn)盤、恒溫培養(yǎng)箱、冰箱、計(jì)數(shù)器、血球計(jì)數(shù)板、燒杯、錐形瓶、滴管、吸水紙；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的葡萄糖溶液、水。

3.2 引入實(shí)驗(yàn)并作出假設(shè)

教師提出問題：在無環(huán)境阻力的理想條件下，種群數(shù)量以“J”型曲線的方式增長。但在自然環(huán)境中，你認(rèn)為一個生物種群的數(shù)量增長會受到哪些因素限制，種群的數(shù)量將如何變化？在學(xué)生討論的基礎(chǔ)上，教師歸納出影響種群數(shù)量動態(tài)變化的主要因素有出生率與死亡率、遷入率與遷出率、營養(yǎng)物質(zhì)、氣候條件、空間資源、種內(nèi)斗爭、捕食、寄生、競爭等。

教師追問：在密閉條件下，一定體積的葡萄糖培養(yǎng)液中酵母菌種群的數(shù)量是怎樣隨時間變化的？你作出的假設(shè)是什么？可能影響酵母菌數(shù)量變化的因素有哪些？思考以上問題時，學(xué)生可以根據(jù)所學(xué)過的理論知識對提出的問題作出假設(shè)，并對將要進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)作出合理預(yù)期。教師可以補(bǔ)充學(xué)生的回答，并展示影響酵母菌數(shù)量變化的內(nèi)因和外因。

3.3 實(shí)施實(shí)驗(yàn)

3.3.1 運(yùn)用智能數(shù)字實(shí)驗(yàn)盤檢測pH

為了提高實(shí)驗(yàn)效率，課堂上進(jìn)行小組實(shí)驗(yàn)。每個小組首先對檢測儀器設(shè)備進(jìn)行搭建，使用智能數(shù)字實(shí)驗(yàn)盤檢測在20℃、4℃培養(yǎng)特定天數(shù)的酵母菌培養(yǎng)液的pH。酵母菌在密閉容器中培養(yǎng)時會產(chǎn)生一些酸性代謝產(chǎn)物，使得溶液pH下降。溶液酸堿度的變化會抑制酵母菌的增殖，進(jìn)而使酵母菌種群數(shù)量下降。相比于使用傳統(tǒng)的pH試紙，運(yùn)用智能數(shù)字實(shí)驗(yàn)盤對培養(yǎng)液pH的測定更加準(zhǔn)確和快速，在對種群數(shù)量變化的原因進(jìn)行分析時，能夠?qū)?shù)量曲線和pH變化曲線進(jìn)行直觀的比較，得出更準(zhǔn)確的結(jié)論。

3.3.2 利用血球計(jì)數(shù)板對酵母菌計(jì)數(shù)

在使用血球計(jì)數(shù)板之前，教師提出以下問題：①如何從錐形瓶中取樣？②如果顯微鏡視野中酵母菌聚集成團(tuán)，怎樣處理？③如果一個小方格內(nèi)酵母菌數(shù)量過多，難以計(jì)清，是否需要對培養(yǎng)液進(jìn)行稀釋？④對于壓在中方格邊界線上的酵母菌，計(jì)數(shù)方法應(yīng)該是什么？⑤計(jì)數(shù)是否需要重復(fù)多次進(jìn)行？這些問題的提出主要用來解決計(jì)數(shù)過程中遇到的操作困難和避免實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差。

因?yàn)樾枰獪y定的數(shù)據(jù)較多，每個小組一半的成員使用血球計(jì)數(shù)板對20℃、培養(yǎng)特定天數(shù)的酵母菌進(jìn)行計(jì)數(shù)；一半成員計(jì)數(shù)4℃、培養(yǎng)特定天數(shù)的酵母菌，并填寫在表1中。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析

組織各小組成員對所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出酵母菌數(shù)量的平均值，說出實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期是否一致，能否支持之前所作的假設(shè)。教師收集各組的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用Excel軟件制作圖表。學(xué)生根據(jù)酵母菌數(shù)量的平均值畫出數(shù)量變化曲線，建立種群增長的數(shù)學(xué)模型。對影響酵母菌種群數(shù)量變化的的因素進(jìn)行綜合分析。

根據(jù)得到的曲線圖，教師可以提出以下問題：①有環(huán)境阻力的條件下，酵母菌種群數(shù)量增長的特點(diǎn)是什么？②培養(yǎng)溫度對酵母菌種群數(shù)量的增長有什么影響？③隨著培養(yǎng)時間的延長，培養(yǎng)液pH出現(xiàn)的變化是什么？還有哪些因素限制了酵母菌數(shù)量的增長？

4 教學(xué)反思

這節(jié)課對學(xué)生熟練使用光學(xué)顯微鏡和血球計(jì)數(shù)板的能力要求較高，教師可以在課前準(zhǔn)備階段帶領(lǐng)學(xué)生回顧之前所學(xué)的知識，避免課堂上計(jì)數(shù)時間不足的問題。另外，在使用顯微鏡對酵母菌進(jìn)行計(jì)數(shù)時利用計(jì)數(shù)器進(jìn)行輔助可以明顯提高計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性和計(jì)數(shù)效率。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程容易遇到酵母菌聚集的問題，取樣時需要使用吸管對酵母菌液進(jìn)行反復(fù)吹吸，否則酵母菌容易聚集在一起，難以進(jìn)行計(jì)數(shù)。