探討以酵母菌為實驗材料的項目式學(xué)習(xí)

文章編號：1003-7586（2025）03-0083-04中圖分類號：G633.91文獻標(biāo)識碼：B

高中生物學(xué)課程因其內(nèi)容廣泛且難度較高，采用項目式學(xué)習(xí)能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，并幫助其構(gòu)建系統(tǒng)的知識體系。項目式學(xué)習(xí)模式以學(xué)生為中心，強調(diào)學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)與真實情境的創(chuàng)設(shè)，鼓勵學(xué)生在情境中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，從而深化其對科學(xué)知識的探索與理解。]

1項目設(shè)計

在高中生物學(xué)實驗教學(xué)中，微生物實驗室培養(yǎng)、酵母菌種群數(shù)量變化及果酒制作等是教學(xué)的重難點。本項目以“如何在生活中制作高品質(zhì)果酒”為驅(qū)動問題，提出核心目標(biāo)：通過研究酵母菌培養(yǎng)來提升果酒品質(zhì)。在教師指導(dǎo)下，學(xué)生圍繞酵母菌培養(yǎng)這一主題，分組確定計劃。項目的首要任務(wù)是研究酵母菌種群數(shù)量變化規(guī)律，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；隨后，探索適合酵母菌生長的培養(yǎng)條件，如培養(yǎng)液成分、溫度及 $＼mathfrak{p H}$ 等，并據(jù)此制作果酒。

本項目以酵母菌在高中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用為核心，下設(shè)五個子項目： ① 采用渾濁程度測定、血球計數(shù)板抽樣檢測及稀釋涂布平板法三種方法統(tǒng)計酵母菌種群數(shù)量，探討不同計數(shù)方法對結(jié)果的影響； ② 探究溫度變化對酵母菌種群數(shù)量的影響，確定酵母菌培養(yǎng)的最適溫度； ③ 探究pH對酵母菌種群數(shù)量的影響，在適宜的pH范圍內(nèi)培養(yǎng)酵母菌； ④ 探究營養(yǎng)物質(zhì)含量對酵母菌種群數(shù)量的影響，提供酵母菌生長所需的最佳營養(yǎng)條件； ⑤ 應(yīng)用不同種酵母菌制作果酒，選擇適合制作高品質(zhì)果酒的發(fā)酵菌種。具體實施流程如圖1所示。

2 項目實施

2.1酵母菌培養(yǎng)和種群數(shù)量模型構(gòu)建教師引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建酵母菌種群數(shù)量變化的數(shù)學(xué)模型，實驗操作如下：首先，利用天平精確稱量 活性干酵母，經(jīng)過活化程序后，將其接種至裝有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5% 的 100mL 葡萄糖溶液的錐形瓶中。隨后，在相對適宜的條件下進行 24h 的初步培養(yǎng)，并記錄此時的初始種群數(shù)量。在接下來的一周里，學(xué)生每日定時取樣，并采用血球計數(shù)板在顯微鏡下進行精確計數(shù)，同時利用分光光度計檢測培養(yǎng)液的渾濁程度，通過稀釋涂布平板法間接統(tǒng)計單個菌落數(shù)量。實驗中，時間被設(shè)定為自變量，而單位體積內(nèi)培養(yǎng)液中的酵母菌數(shù)量則作為因變量。學(xué)生首先整理實驗數(shù)據(jù)于表格中，然后分析種群數(shù)量變化趨勢，最終繪制出酵母菌種群數(shù)量變化曲線圖，并據(jù)此構(gòu)建酵母菌種群數(shù)量變化的數(shù)學(xué)模型。此外，學(xué)生還深入探討三種不同檢測方法所得結(jié)果的異同之處。

2.2探究溫度、pH對酵母菌種群數(shù)量的影響

一個學(xué)生小組將酵母菌以 2% 的接種量接種于培養(yǎng)液中，并在不同溫度條件下進行 24h 的振蕩培養(yǎng)；與此同時，另一個小組在不同的pH范圍內(nèi)，恒定 條件下進行 24h 的振蕩培養(yǎng)。兩組均使用分光光度計在 600nm 波長處測量吸光值。實驗設(shè)計及結(jié)果填入如表1所示的表格中。

2.3探究不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)葡萄糖溶液對酵母菌種群數(shù)量的影響

學(xué)生進一步探索不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的葡萄糖溶液對酵母菌種群數(shù)量的潛在影響。實驗中，學(xué)生將酵母菌以 2% 的接種量接種于不同濃度的葡萄糖溶液中，并在 條件下進行 24h 的振蕩培養(yǎng)。通過分光光度計在 600nm 波長處測量吸光值，以評估酵母菌的生長狀況。實驗結(jié)果填入如表2所示的表格中。

2.4探究不同溫度和菌種來源對果酒品質(zhì)的影響

鑒于菌種差異對果酒品質(zhì)具有顯著影響，學(xué)生設(shè)計實驗探究不同溫度和菌種來源對果酒品質(zhì)的具體影響。實驗中，學(xué)生清洗葡萄、去除種子并榨汁，隨后使用蒸餾水徹底清洗發(fā)酵罐，并以 70% 的酒精進行消毒處理。實驗設(shè)置 三個溫度條件，并分別采用野生菌種、市售酒曲和活性酵母菌凍干粉作為發(fā)酵劑進行果酒制作。實驗設(shè)計細節(jié)如表3所示，學(xué)生定期檢測發(fā)酵液的密度，并使用酒精檢測儀準(zhǔn)確測量酒精含量，以全面評估果酒品質(zhì)。

3項目結(jié)果

3.1通過實驗數(shù)據(jù)構(gòu)建酵母菌種群數(shù)量變化曲線模型

學(xué)生通過查閱文獻資料了解到酵母菌大約每1h繁殖一代。在葡萄糖液體培養(yǎng)基中，于 的恒溫培養(yǎng)箱中進行振蕩培養(yǎng)，其起始的酵母菌數(shù)量為 個 ？/mL. 。采用血球計數(shù)板進行抽樣檢測，并設(shè)計相應(yīng)表格統(tǒng)計酵母菌的種群密度，統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。

基于上述酵母菌種群數(shù)量的變化數(shù)據(jù)，學(xué)生繪制了增長曲線，并對比分析了“S\"型曲線與“J\"型曲線的異同點。在相同的實驗條件下培養(yǎng)酵母菌，采用血球計數(shù)板、分光光度計以及稀釋涂布平板法三種手段定期檢測酵母菌種群數(shù)量。學(xué)生從增長速率、增長率以及K值大小等多個維度進行深入分析，并繪制了酵母菌種群數(shù)量變化曲線（見圖2）。

根據(jù)酵母菌種群數(shù)量變化趨勢所繪制的曲線呈“鐘\"型，其原因是酵母菌在適應(yīng)環(huán)境后開始增長，但受資源限制無法持續(xù)增長，達到峰值后進入衰退期。

學(xué)生利用分光光度計檢測渾濁程度換算得到的種群密度數(shù)值，與血球計數(shù)板的計數(shù)結(jié)果相近，且兩者變化趨勢基本一致；而使用稀釋涂布平板法所得計數(shù)結(jié)果偏小，但基本趨勢未變。

3.2溫度、pH對酵母菌種群數(shù)量的影響結(jié)果

溫度、pH對酵母菌種群數(shù)量的影響結(jié)果如圖3所示。 24h 培養(yǎng)后比較發(fā)現(xiàn)適宜酵母菌生長的溫度在 左右， $＼mathfrak{p H}$ 在酸性條件4.5左右。在適宜的溫度和pH下培養(yǎng)酵母菌有利于其種群數(shù)量的增加。

3.3不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)葡萄糖溶液中酵母菌種群數(shù)量的變化

實驗結(jié)果顯示，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 4% 的葡萄糖溶液更有利于酵母菌的繁殖，低于或高于該濃度都會導(dǎo)致酵母菌種群數(shù)量出現(xiàn)不同程度的下降（見表5）。

3.4不同溫度和菌種來源對果酒品質(zhì)的影響

實驗結(jié)果顯示，在 條件下加入酵母菌凍干粉發(fā)酵液時，氣泡產(chǎn)生最早，發(fā)酵液密度下降最快，且酒精產(chǎn)量最大，市售酒曲組次之，而利用野生菌種發(fā)酵的果酒品質(zhì)最差。酵母菌凍干粉組的酒精度檢測結(jié)果如圖4所示。

4項目評價

本項目結(jié)束后，學(xué)生匯報各自的研究結(jié)果與結(jié)論，教師負責(zé)引導(dǎo)學(xué)生進行過程性評價，并提供總結(jié)性的指導(dǎo)。學(xué)生們展示項目的研究成果：在本實驗中，酵母菌在實驗時間內(nèi)的種群數(shù)量變化規(guī)律呈現(xiàn)出典型的“鐘\"形曲線特征，依次經(jīng)歷了適應(yīng)期、增長期、穩(wěn)定期和衰退期。隨著溫度的逐漸升高，培養(yǎng)液的吸光值先呈現(xiàn)上升趨勢，但當(dāng)溫度繼續(xù)升高時，菌體密度反而開始下降。實驗結(jié)果顯示，酵母菌最適宜的生長溫度大約在 左右。此外，實驗還發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)， $＼mathfrak{p H}$ 對菌體密度的影響并不顯著，但在偏酸性條件下，酵母菌的生長狀況更佳。同時，為了培養(yǎng)酵母菌，需要提供適當(dāng)濃度的營養(yǎng)物質(zhì)。

在實際生產(chǎn)中，利用酵母菌制作產(chǎn)品時，需要從多個維度綜合評價產(chǎn)品的品質(zhì)，綜合考慮各種因素對產(chǎn)品品質(zhì)的影響，從而選擇最佳的發(fā)酵條件。因此，為了對整個項目進行全面的過程性評價，教師設(shè)計了專門的評價表格（見表6）。學(xué)生則根據(jù)教師的評價和建議，進行了自評和互評，從多個角度出發(fā)對項目進行了優(yōu)化，并最終將優(yōu)化結(jié)果應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中，選擇適宜的發(fā)酵條件進行果酒的制作。

5 項目反思

新課程改革高度重視學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)探究等核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，而探究性實驗正是培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑。2本項目通過構(gòu)建種群數(shù)量增長的\"鐘\"型曲線模型，成功解釋了酵母菌種群數(shù)量的動態(tài)變化規(guī)律，并找出了適宜酵母菌生長的培養(yǎng)條件，最終將這些研究成果應(yīng)用于果酒的制作，從而培養(yǎng)了學(xué)生的社會責(zé)任這一生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

項目式學(xué)習(xí)在組織形式上實現(xiàn)了“情境化一活動化一結(jié)構(gòu)化\"的有機融合，在實踐方法上則體現(xiàn)了“教一學(xué)一評”一體化。這種學(xué)習(xí)方式不僅讓學(xué)生親身體驗了科學(xué)思維和科學(xué)探究的過程，還學(xué)會了團隊的分工合作，真實體驗了科學(xué)研究中以項目為主題的研究流程。

然而，當(dāng)前生物學(xué)實驗教學(xué)中仍存在“重理論，輕實踐\"的現(xiàn)象，往往忽視了對學(xué)生能力的培養(yǎng)。隨著生物學(xué)考試中實驗部分所占比重的不斷增加，考查內(nèi)容也日益?zhèn)戎貙W(xué)生的實驗設(shè)計、科學(xué)探究、知識遷移以及實踐應(yīng)用等綜合能力的考查。因此，學(xué)生在教師引導(dǎo)下構(gòu)建項目模型，有利于培養(yǎng)其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式。教師通過從具體項目中分析相應(yīng)理論的探究模式，可以讓學(xué)生體驗由具體到抽象的思維轉(zhuǎn)化過程。在項目完成的過程中，充分調(diào)動學(xué)生的探究熱情，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)研究渴望，使其在學(xué)習(xí)過程中既能學(xué)到知識又能鍛煉思維，最終實現(xiàn)其核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。3]

綜上所述，在高中生物學(xué)實驗探究內(nèi)容中引入項目式學(xué)習(xí)，可以實現(xiàn)高中生物學(xué)教材內(nèi)容的整合，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注社會生活實踐，實現(xiàn)高中生物學(xué)知識的升華。4然而，通過本項目的實施，筆者也發(fā)現(xiàn)了一些不足之處。例如，在采用分光光度計檢測菌液渾濁程度時，未能充分考慮到“死菌”對實驗結(jié)果的影響；在探究種群數(shù)量變化時，由于實驗條件的限制，無法讓每位學(xué)生在課堂上進行現(xiàn)場探究，只能利用研究性學(xué)習(xí)小組的實驗數(shù)據(jù)進行分析。此外，教師在引導(dǎo)學(xué)生從實驗設(shè)計到數(shù)據(jù)獲取、再到曲線繪制和模型構(gòu)建的整個過程中，也面臨一定的挑戰(zhàn)。課程改革需要探究性實驗的支撐，而結(jié)合項目式學(xué)習(xí)能更有效地提高學(xué)生的科學(xué)探究能力，最終實現(xiàn)社會責(zé)任意識的培養(yǎng)。

參考文獻

[1]丁玉祥.聚焦項目化學(xué)習(xí)建構(gòu)高效生物課堂[J].江蘇教育，2023（29）：22-23.

[2]許明.立足“三位一體”多維實踐的生物學(xué)項目學(xué)習(xí)[J].生物學(xué)通報，2021，56（7）：35-38.

[3]謝婷.指向深度學(xué)習(xí)的項目式實驗教學(xué)—以“酵母細胞的固定化”為例[J].生物學(xué)教學(xué)，2022，47（4）：57-60.

[4]張艷，李淑敏.高中生物學(xué)實驗教學(xué)的學(xué)科項目化學(xué)習(xí)—以“探究環(huán)境因素對光合作用強度的影響”為例J」中學(xué)生物教學(xué)，2023（19）：4-6.