Origin軟件在“微生物學(xué)”實驗教學(xué)中的應(yīng)用

［摘 要］ 針對高校本科“微生物學(xué)”實驗教學(xué)中遇到的數(shù)據(jù)處理問題，以細菌生長曲線測定的實驗為例，使用Origin 2022軟件進行數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)計算、圖形繪制及插入誤差棒等操作，完成細菌生長曲線的繪制。結(jié)果表明，利用Origin軟件可以快速對實驗數(shù)據(jù)進行批量處理，操作簡捷并可避免人工計算的誤差，對實驗得到的非線性數(shù)據(jù)通過軟件可以擬合出美觀的圖形，將實驗結(jié)果可視化。在教學(xué)中通過引入Origin軟件，可以在講授具體微生物知識的同時，讓本科生掌握一款專業(yè)的數(shù)據(jù)分析處理軟件，有助于培養(yǎng)本科生的數(shù)據(jù)處理能力，提高綜合科研素養(yǎng)，為后續(xù)實驗課程和科研工作的數(shù)據(jù)處理工作打好基礎(chǔ)。

［關(guān)鍵詞］ 微生物學(xué)實驗；Origin；數(shù)據(jù)處理；生長曲線；實驗教學(xué)改革

［基金項目］ 2023年度暨南大學(xué)“四新”實驗教學(xué)課程改革項目“基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的微生物學(xué)實驗課程優(yōu)化與設(shè)計”（SYJG202310）；2023年度暨南大學(xué)教學(xué)改革研究項目“‘思政教育’融入大學(xué)生專業(yè)實習(xí)教學(xué)的體系構(gòu)建與路徑探索”（JG2023059）；2023年度暨南大學(xué)教學(xué)改革研究項目“多維度創(chuàng)新教學(xué)模式在微觀生態(tài)實踐教學(xué)中的探索與實踐”（JG2023065）

［作者簡介］ 郭 佳（1985—），女，安徽馬鞍山人，碩士，暨南大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院實驗師，主要從事微生物實驗、實驗室安全管理研究；唐雅麗（1983—），女，湖北荊州人，博士，暨南大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院副研究員，主要從事微生物生態(tài)學(xué)研究；雷臘梅（1973—），女，湖北赤壁人，博士，暨南大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院副研究員（通信作者），主要從事藻類環(huán)境生物學(xué)研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）11-0021-04 ［收稿日期］ 2023-01-08

“微生物學(xué)”是高等院校生命科學(xué)及相關(guān)交叉學(xué)科中一門重要的基礎(chǔ)課，是生物技術(shù)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)，具有很強的理論性和實踐性［1］。“微生物學(xué)”實驗課與理論課緊密結(jié)合，通過實驗培養(yǎng)學(xué)生觀察和動手能力、分析處理實驗數(shù)據(jù)的能力，讓學(xué)生在實踐操作中鞏固加深對相關(guān)理論知識的理解，是微生物學(xué)教學(xué)不可或缺的重要組成部分［2］。

作為專業(yè)基礎(chǔ)課，“微生物學(xué)”實驗課程通常在大學(xué)低年級開設(shè)，在以往的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，低年級本科生的數(shù)據(jù)處理能力薄弱，缺乏使用專業(yè)數(shù)據(jù)分析軟件對復(fù)雜數(shù)據(jù)進行分析的能力，而傳統(tǒng)的“微生物學(xué)”實驗教學(xué)以實驗現(xiàn)象觀察為主，對數(shù)據(jù)處理內(nèi)容涉及很少。在大數(shù)據(jù)的時代背景下，數(shù)據(jù)處理能力是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要內(nèi)容。因此，在“微生物學(xué)”實驗教學(xué)中應(yīng)增加數(shù)據(jù)處理知識的內(nèi)容，以培養(yǎng)本科生應(yīng)用計算機數(shù)據(jù)處理軟件分析處理數(shù)據(jù)的能力。

一、實驗教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)目標

細菌生長曲線的測定是本科微生物實驗中的基礎(chǔ)實驗。其原理是細菌能夠在適宜的環(huán)境中生長繁殖，將一定量的細菌轉(zhuǎn)入新鮮培養(yǎng)液中，在適宜的培養(yǎng)條件下，細菌會經(jīng)歷延遲期、對數(shù)期、穩(wěn)定期和衰亡期四個階段。以時間為橫坐標，以細菌數(shù)目的對數(shù)或生長速率為縱坐標可繪制出該細菌的生長曲線［3］。不同的細菌在相同的培養(yǎng)條件下生長曲線不同，通過繪制生長曲線可以了解不同細菌的生長繁殖規(guī)律，從而有效地利用和控制細菌的生長。

本實驗項目傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容包括菌懸液的配制、取樣間隔的設(shè)計及規(guī)范取樣、菌懸液吸光度值的測定、用坐標紙或Excel軟件繪制生長曲線、對不同細菌的生長曲線進行比較與分析。本文結(jié)合新形勢下創(chuàng)新人才培養(yǎng)的要求，從“微生物學(xué)”實驗課程多年的教學(xué)經(jīng)驗出發(fā)，在實驗項目“細菌生長曲線測定”中增加Origin軟件教學(xué)環(huán)節(jié)：細菌生長曲線測定中須多次取樣，且每兩次取樣時間間隔1小時，利用等待取樣的碎片時間開展Origin軟件教學(xué)，介紹數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)處理、曲線繪制及插入誤差棒等操作過程并將實驗結(jié)果可視化。

教學(xué)目標：（1）繪制兩種不同細菌的生長曲線，引導(dǎo)學(xué)生觀察不同細菌生長曲線的區(qū)別；（2）引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)使用一款專業(yè)的數(shù)據(jù)分析處理軟件，培養(yǎng)本科生的數(shù)據(jù)處理能力和綜合科研素養(yǎng)，培養(yǎng)獨立開展研究的能力。

二、實驗方案及實驗軟件

本實驗使用的菌種為大腸桿菌和枯草芽孢桿菌。在盛有200毫升LB液體培養(yǎng)基的錐形瓶里轉(zhuǎn)入8毫升細菌過夜培養(yǎng)液，混合均勻后按5毫升/支分裝到39支試管中。將已接種的試管設(shè)置為搖床37℃，250 r/min振蕩培養(yǎng)12小時。從開始培養(yǎng)起，每小時取3支平行樣品做好標記放進冰箱中儲存，最后一起以未接種的LB液體培養(yǎng)基為空白對照，用分光光度計測量600 nm處的吸光度值，用Origin 2022軟件處理所測得的吸光度值，并繪制細菌的生長曲線。

在實驗教學(xué)中所用的數(shù)據(jù)處理軟件Origin 2022，是由OriginLab公司開發(fā)的專業(yè)科研軟件，本科生可通過官網(wǎng)免費申請Origin學(xué)習(xí)版。課前，教師提前提供軟件的下載注冊指南并要求學(xué)生在上課前完成軟件的安裝與注冊。Origin軟件支持多種格式的數(shù)據(jù)導(dǎo)入（如Excel、ASCII、NI TDM等），可實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計、信號處理、圖像處理、峰值分析和曲線擬合等各種數(shù)據(jù)處理分析功能，利用內(nèi)置模板可方便地繪制各種2D/3D圖片實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化［4-5］。目前Origin軟件作為國際主流的專業(yè)數(shù)據(jù)分析與繪圖軟件，因其簡單易學(xué)、操作靈活、功能強大等特點，廣泛應(yīng)用于高校理、工、農(nóng)、醫(yī)等學(xué)科的教學(xué)科研活動。針對生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)本科生在科研實踐中對數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)可視化方面的實際需求，通過本實驗項目的學(xué)習(xí)，初步掌握Origin軟件從數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)處理到圖形繪制及優(yōu)化全過程，為其在后續(xù)實驗課程和大學(xué)生科研創(chuàng)新訓(xùn)練工作的數(shù)據(jù)處理工作奠定基礎(chǔ)。

三、使用Origin軟件繪制細菌生長曲線的教學(xué)過程

（一）數(shù)據(jù)輸入

啟動Origin 2022軟件，依次單擊菜單“File”

“New”“Workbook”“Construct”，新建表單Book 1，將，.xlsx格式的大腸桿菌培養(yǎng)液吸光度數(shù)據(jù)文件拖入Origin軟件首行導(dǎo)入數(shù)據(jù)，以相同的方式新建表單Book 2并導(dǎo)入枯草芽孢桿菌培養(yǎng)液的吸光度數(shù)據(jù)，如圖1所示。其中A（X）列為時間，B（Y）、C（Y）、D（Y）列為該時間三個平行樣品的吸光度值。從課堂教學(xué)效果來看，Origin軟件的數(shù)據(jù)導(dǎo)入過程簡單易上手，本科生均能快速完成此步驟，為后續(xù)環(huán)節(jié)做好準備。

（二）數(shù)據(jù)處理

在不同培養(yǎng)時間的大腸桿菌培養(yǎng)液和枯草芽孢桿菌培養(yǎng)液均取三支試管作為平行，分別測定其吸光度值。因此，須對原始數(shù)據(jù)進行處理以獲得平行樣品間的平均值和標準差。具體過程為：在Book 1中選中B（Y）、C（Y）、D（Y）列后點擊右鍵并點擊“Statistics on Rows”，新得到的E（Y）、F（yEr±）兩列數(shù)據(jù)分別為同一取樣時間三支大腸桿菌培養(yǎng)液吸光度的平均值與標準差數(shù)據(jù)，以相同方式計算Book 2中枯草芽孢桿菌培養(yǎng)液數(shù)據(jù)。新建表單Book 3，將計算得到的不同培養(yǎng)時間下兩種細菌培養(yǎng)液的吸光度平均值與標準差復(fù)制到Book 3，并選擇標準差數(shù)據(jù)，依次點擊“Set As”“Y Error”將數(shù)據(jù)屬性改為標準差，如圖2所示。

在教學(xué)過程中，可以讓本科生感受到Origin軟件提供了更高效、更強大的數(shù)據(jù)處理功能，計算過程更加簡單快捷——僅須調(diào)用Statistics on Rows即可一次性得到均值與標準差兩個結(jié)果，對于批量化處理數(shù)據(jù)效率更高，從而激發(fā)本科生探索高效處理實驗數(shù)據(jù)的興趣。

（三）生長曲線的繪制及優(yōu)化

在Book 3中選中所有列，依次單擊菜單“Plot”“Basic 2D”“Line”“Symbol”，得到細菌的生長曲線。對所得的圖形進一步優(yōu)化：雙擊圖中任意一條曲線，在彈出的Plot Properties中設(shè)置圖形參數(shù)。點擊“Group”，將編輯模式選擇為“Independent”，此時各曲線的參數(shù)可以獨立設(shè)定。點擊“Line”將兩種細菌的生長曲線樣式均設(shè)置為黑色實線，點擊“Symbol”分別將大腸桿菌和枯草芽孢桿菌生長曲線中各時間點培養(yǎng)液吸光值的符號設(shè)為正方形和圓形，以區(qū)分兩條不同的曲線。雙擊任意坐標軸，在彈出的對話窗口選擇“Scale”，根據(jù)本實驗的取樣時間和所測的吸光度值調(diào)整坐標軸范圍。完成優(yōu)化后的圖形如圖3所示。

通過課堂環(huán)節(jié)，本科生可以體會到Origin軟件對比Excel軟件在作圖上的顯著優(yōu)勢：它提供的圖形參數(shù)更多，可以更加個性化選擇圖中坐標軸、圖例、線條、點及文字的參數(shù)，另外用Origin軟件得到的非線性數(shù)據(jù)擬合圖形更加精美。

（四）導(dǎo)出圖片

依次單擊菜單“File”“Export graph”，Origin軟件可以提供PNG、JPEG、BMP、TIFF等多種圖像存儲格式，本實驗選擇JPEG格式。分辨率DPI選擇300，輸入文件名選擇存儲位置后點擊“OK”完成圖片的導(dǎo)出。

通過教學(xué)，本科生可以比較通過不同軟件作圖后應(yīng)用于其他軟件的方便程度：用Origin軟件制作的圖可以導(dǎo)出為多種格式圖形文件（如JPEG、GIF、TIFF等），以便在其他軟件中插入使用，如本次實驗得到的細菌生長曲線圖可以直接導(dǎo)出并插入到實驗報告Word文檔中，而Excel制作的圖不能直接導(dǎo)出用于其他軟件，從圖片輸出的角度看，Origin軟件更方便。

四、教學(xué)效果評估

在實際教學(xué)過程中，利用等待取樣的碎片時間通過教學(xué)所有本科生均可掌握以上Origin操作過程，一般在5～10分鐘內(nèi)可以完成不同培養(yǎng)時間吸光度原始數(shù)據(jù)的處理及兩種細菌生長曲線的繪制與導(dǎo)出。本科生根據(jù)導(dǎo)出的圖片進一步探索細菌的延遲期、對數(shù)期、穩(wěn)定期和衰亡期，并通過生長曲線比較兩種細菌生長繁殖狀態(tài)的異同。

通過軟件教學(xué)與實操，本科生可以切身體會Origin軟件作為專業(yè)科研軟件，具有強大的數(shù)據(jù)分析和圖形處理能力，能極大地提高科研工作效率。通過Origin軟件處理數(shù)據(jù)和作圖的過程，也激發(fā)了本科生在課堂中的參與度，增強了對本次實驗內(nèi)容的理解和掌握。本次實驗結(jié)束后，大部分學(xué)生表示有意愿在課后進一步學(xué)習(xí)使用Origin軟件，并進一步開闊視野接觸和學(xué)習(xí)使用更多的專業(yè)科研工具。

結(jié)語

本文針對生命科學(xué)類低年級本科生在實驗數(shù)據(jù)處理中遇到的問題，在“微生物學(xué)實驗”課程“細菌生長曲線的測定”實驗項目中設(shè)計Origin軟件教學(xué)環(huán)節(jié)，利用實驗過程中等待取樣的碎片時間，演示實驗數(shù)據(jù)處理及圖形繪制過程。實踐結(jié)果表明，Origin軟件簡單易學(xué)，處理數(shù)據(jù)方便快捷且可以避免人工計算的誤差。Origin軟件制作的圖片精美且能以多種格式導(dǎo)出方便使用，將實驗數(shù)據(jù)可視化直觀地呈現(xiàn)實驗結(jié)果，方便觀察及分析兩種細菌的生長趨勢，有利于激發(fā)本科生的求知欲和學(xué)習(xí)興趣，提高微生物學(xué)實驗的教學(xué)質(zhì)量和本科生的學(xué)習(xí)效果。

對于高校生命科學(xué)相關(guān)專業(yè)的本科生而言，數(shù)據(jù)處理能力非常重要，將具體微生物學(xué)實驗內(nèi)容與計算機軟件的教學(xué)相結(jié)合，這一教學(xué)方式符合新形勢下教育改革的要求，有助于培養(yǎng)本科生的數(shù)據(jù)處理能力、樹立其認真嚴謹?shù)膶嶒瀾B(tài)度，從而提高本科生的綜合科研素養(yǎng)，為其后續(xù)綜合性、設(shè)計性實驗課程和科研工作奠定基礎(chǔ)，同時對于微生物學(xué)實驗教學(xué)改革和教學(xué)質(zhì)量提升提供了有益的探索。

參考文獻

［1］劉玉玲，彭仁海.應(yīng)用型人才培養(yǎng)背景下“微生物學(xué)”的教學(xué)實踐與探索［J］.黑龍江教育（理論與實踐），2022（10）：58-60．

［2］劉倩，魏濤.POPBL模式微生物學(xué)實驗課程教學(xué)改革探索［J］.生物學(xué)雜志，2022，39（3）：120-124．

［3］沈萍，陳向東.微生物學(xué)實驗［M］.5版.北京：高等教育出版社，2018：108-111.

［4］邢琳，楊威，余林坡，等.Origin軟件在實驗數(shù)據(jù)及圖形處理中的應(yīng)用［J］.科技視界，2014（13）：54-55.

［5］楊立云，李宙洋，賈舒麗，等.數(shù)據(jù)處理軟件Excel和Origin在物理化學(xué)實驗中的應(yīng)用：以等摩爾系列法測定絡(luò)合物不穩(wěn)定常數(shù)為例［J］.廣東化工，2022，49（13）：218-221.

The Application of Origin Software in the Teaching of Practical Microbiology： A Case Study with the

Experiment of Bacterial Growth Curve Measurement

GUO Jia， TANG Ya-li， LEI La-mei， XU De-lin

（College of Life Science and Technology， Jinan University， Guangzhou， Guangdong 510632， China）

Abstract： Aiming at the data processing problems encountered in the teaching of practical microbiology in colleges and universities， this paper takes the experiment of bacterial growth curve measurement as an example， and applys Origin 2022 software to perform data input， data calculation， graphic drawing and insertion of error bars. A quick data processing with simple operations， the avoidance of manual calculation errors and the outcome as visualized graphics by using Origin software have been realized. The introduction of Origin software in teaching allows students to master a professional data analysis and processing software while learning specific microbiology knowledge. The additional skill will help undergraduate students to develop their data processing ability， improve their comprehensive scientific research literacy， and lay the foundation for the data processing work in subsequent experimental courses and research work.

Key words： practical microbiology; Origin; data processing; growth curve; experimental teaching reform