探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化实验教学设计.docx
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探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化实验教学设计
《探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化》实验教学设计
一、设计思路
探究实验“培养液中酵母菌种群数量的动态变化”，旨在让学生通过对培养液中酵母菌种群数量连续7天的观察，探究变化规律，进而统计数据，建构数学模型，绘制变化曲线。
1.提出问题
教材中提出的问题是：
培养液中酵母菌种群的数量是怎样随时间变化的？
教师也可以进一步引导学生，依据所学知识，分析酵母菌生长的条件与种群数量增长之间的关系，提出探究的问题。
例如，在不同温度（以及通氧、通CO2等）条件下酵母菌种群数量增长的情况如何（条件创设能够寻求宁夏大学微生物实验室帮助）？
不同培养液（如加糖和不加糖）中酵母菌种群数量增长的情况如何？
等等。
2.作出假设
科学研究始于问题。
作出假设可以使科学研究更有针对性，而不是盲目搜集资料进行研究。
作出假设需要立足于已有知识，当更需要充分发挥想象力和创造力。
在教学中要鼓励学生积极大胆地提出假设，但同时，教师应提出“合理提出假设”的要求，要围绕问题，根据预期结果作出符合逻辑的假设。
3.讨论探究思路
这是开展探究活动的重要内容之一，也是本课时重点突破。
通过探讨能使学生明白实验设计的基本原理，在具体操作时做到心中有数。
4.制定计划
本实验时间较长（7天），因此事前一定要做好周密的计划，定程序、定时间、定人员。
5.实施计划
学生分小组，按计划中确定的工作流程，课后认真操作，做好实验记录。
6.分析结构，得出结论
将记录的数据用曲线图表示出来，讨论分析实验的结果与假设是否一致。
教师利用课堂时间让小组交流展示。
二、实验内容分析
“探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化”是人教版必修3第四章第二节中的一个探究活动。
教材编排顺序上一是构建种群增长模型的方法；二是种群数量的变化情况，包括“J”和“S”型曲线、种群数量的波动和下降；三是探究实验。
在学习“种群的增长方式”之后安排这一活动，旨在让学生通过实验测得具体的数据，并尝试根据数据建构酵母菌种群数量动态变化的数学模型，从而了解在封闭环境中酵母菌种群数量的变化规律。
在探究过程中涉及多项实验操作技能，如利用移液管（移液枪）准确移取一定量的溶液，微生物培养法，利用血细胞计数板对培养液中的酵母菌细胞进行计数，推导细胞总数的计算公式,显微镜的使用等等，所以是一项有着多方面意义和价值的探究活动。
此外，学生通过亲自研究一个真实的种群，可加深对种群数量变化知识的理解，并且培养收集、整理、分析数据的能力。
三、学情分析
高中学生对数学模型（曲线）的概念并不陌生，学生对运用数学解决生物学中的问题已有了一定的认识，例如对遗传规律、DNA的复制等内容的学习。
本活动是通过提出问题、作出假设、实验探究、得到数据并绘制曲线、验证假设、得出正确结论这一科学探究的过程解决学生遇到的科学问题。
在之前开展的研究性学习活动中，学生已经对探究的一般过程有所体验，但如何设计严谨的实验方案，进行规范的实验操作还需要老师的正确引导。
四、实验目标
1.知识目标：
探究酵母菌种群数量随时间发生的变化,从而了解在封闭的环境中酵母菌种群数量的动态变化规律，找出酵母菌细胞数量变化与其培养条件之间的关系。
2.技能目标：
通过学习使用血细胞计数板进行酵母菌细胞计数的操作，提高学生的动手操作能力。
通过尝试根据测量数据绘制曲线培养学生数据分析处理能力和数学模型的建构能力。
3.情感目标：
通过本次探究活动使学生理解科学的本质，掌握科学探究的一般过程，养成实事求是的科学态度，培养学生小组合作学习的能力。
五、教学重点
1.尝试建立酵母菌种群数量变化的数学模型
2.解释种群的数量变动
六、教学难点
1.酵母菌的计数
2.数学模型的建立
解决策略和突破方法：
学生对培养液中酵母菌种群数量进行连续7天的观察和统计，根据收集的数据绘制酵母菌种群数量的动态变化曲线，找出酵母菌细胞数量变化与其培养条件之间的关系。
教师必须对活动的各个环节作出适当的指导和引导。
七、教学方法
分组教学实验设计操作评价
八、课前准备
探究培养液中酵母菌种群数量动态变化的活动，在探究过程中涉及多项实验操作技能，包括用血细胞计数板进行酵母菌细胞计数、尝试依据测量数据建立种群数量变化的数学模型等，而学生在活动中又受到时间等各种因素的限制，因此在活动进行之前必须做好充分的准备。
1.学生准备：
a.了解酵母菌：
酵母菌是一种既能进行出芽生殖又能进行有性生殖的单细胞真核生物，生长的最适宜温度在20℃~30℃之间，酵母菌能在pH值为3~7.5的范围内生长，在氧气充足的环境中主要以出芽生殖的方式快速增殖，大约每1.5~2小时增殖一代。
由于酵母菌的生长周期短，增殖速度快，是研究种群数量的增长规律以及种群内部和外部因素对种群个体数量影响的良好实验材料。
酵母菌的种类很多，来源丰富，最简单的方法是使用食品类商店出售的用于发面或制酒的高活性干酵母作为菌种。
b.了解血细胞计数板：
血细胞计数板是一种专门用于计算较大单细胞微生物的一种仪器，它的规格有两种，一种叫16×25型，另一种叫25×16型。
以16×25型为例，在血细胞计数板的中央有两个平面台，每个平面台各有一个含9个大格的方格网，中央大格叫大方格。
将其放大，可见它含16中格，将每一中格放大，可见25个小格，所以每一个大格共有400个小格。
一般取大格中的左上→右上→右下→左下4个中格计数，共计数100个小格。
每一个大方格的边长为1mm，面积为1mm2，每一个小格的边长为0.05mm，面积为0.0025mm2，盖上盖玻片后，载玻片和盖玻片之间的高度为0.1mm，所以大格的容积为0.1mm3（已知1mL＝1cm3＝1000mm3），每一个小格的容积为0.00025mm3，0.00025mm3×400＝0.1mm3。
c.推导酵母菌细胞总数计算公式：
每mL酵母菌细胞个数＝（所数100个小格中的细胞总数÷100）×400×104×稀释倍数。
试管内酵母菌细胞总数＝每mL酵母菌细胞个数×10
2.教师准备：
材料：
酵母菌贮用培养液，无菌葡萄糖溶液，无菌水。
用具：
血细胞计数板，盖玻片，有螺旋盖的试管，滴管，移液管（移液枪），试管架，记号笔，直尺，坐标纸，显微镜。
九、教学流程图
九、活动过程
活动流程
学生活动
教师活动
教学意图
一、提出问题
在封闭的环境中酵母菌种群的数量是怎样随时间变化的？
养分会影响酵母菌种群的数量吗？
温度会影响酵母菌种群的数量？
等等。
针对学生提出的各种假设，教师引导学生思考如何设计实验。
激发学生对酵母菌种群数量变化的好奇，提出各种问题并作出假设。
二、作出假设
酵母菌种群的数量随培养时间的延长而呈S型增长，或酵母菌种群的数量随培养时间的延长而呈J型增长等。
三、讨论探究思路
四、制定计划
学生小组内部选题、讨论、全班交流、其他小组指正。
范例
（1）将24支试管分成ABC三组，每组8支。
A组为实验组，装培养液10mL，酵母菌母液0.1mL,环境温度28℃。
B组装培养液10mL，酵母菌母液0.1mL,环境温度5℃，与A组形成温度条件对照。
C组不装培养液，只装无菌水10mL,酵母菌母液0.1mL,环境温度28℃，与A组形成营养条件对照。
（2）定时取样计数：
连续7天，在每一天相同时间用血细胞计数板对一定量的酵母菌贮用培养液进行细胞计数。
将数据记录在类似以下表格内（见下图）。
（3）数据处理，建立数学模型（画坐标曲线）
（4）结果分析与讨论
学生分组制定
设计实验时教师先请学生思考实验的影响因素有哪些？
如何才能使测得的数据最接近真实值？
等问题。
适当指导
让学生自己设计实验的程序，并设计记录实验数据的表格。
确定小组最终实验流程
天数
1
2
3
4
5
6
7
时间/h
0
24
48
72
96
120
144
酵母菌数
（mL-1）
A
B
C
活动流程
学生活动
教师活动
教学意图
五、实验过程
1.酵母菌贮用培养液制备
2.配制样品
3.进行细胞计
了解酵母菌生长所需的环境：
培养基，温度，PH，无菌等条件。
完成分装、灭菌、接种、培养等操作。
按照制定计划设置样品
稀释方法：
如记数时发现细胞数较多，不易分辨，吸取的样液应当稀释。
方法是：
将9mL无菌水移入1支灭菌过的试管里，然后立即将1mL培养液移入试管里并充分混匀，使原培养液被稀释10倍。
再依照步骤2方法进行取样。
（1）配制马铃薯葡萄糖培养基
（2）分装（指导）
（3）灭菌（指导）
（4）接种（指导）
（5）培养（指导）
指导学生配制计数测量用的样品。
指导学生正确使用血细胞计数板对样品溶液中的细胞进行计数。
第1步由教师事先完成，制备酵母菌贮用培养液，为学生对酵母菌种群进行计数测定作好准备。
使学生学会使用血细胞计数板进行镜检计数。
7.处理数据，建构数学模型
（1）根据所得数据计算两次计数的平均值，用公式估算样品试管内的细胞总数并记录。
（2）在坐标纸上开始绘制种群数量随时间变化曲线和酵母菌细胞数量变化与生长条件之间的关系曲线。
（3）将样品放回试管架，洗手,离开实验室。
指导学生正确估算样品中细胞总数，指导学生建构坐标系进行描点。
使学生根据实验所的数据估算样品中酵母菌细胞总数，尝试依据数据建立数学模型（曲线）。
六、分析实验结果，验证假设，得出结论
根据建构的数学模型，对实验前所作的假设进行验证，得出结论，从而了解在封闭的环境中酵母菌种群数量的动态变化规律和酵母菌细胞数量变化与其浑浊度之间的关系。
引导学生分析所得实验结果及其原因
学生对结果作出分析解释，教师给予及时的反馈和评价。
十、板书设计：
探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化
1.提出问题
2.作出假设
3.讨论探究思路
4.制定计划
5.实施计划
6.分析结构，得出结论
十一、实验报告
实验原理
酿酒和做面包都需要酵母菌。
这些酵母菌可以用液体培养基（培养液）来培养。
培养液中酵母菌种群的增长情况，与发酵食品的制作有密切关系。
目的要求
1、掌握酵母菌培养的基本技术以及用血球计数板测定酵母菌的数量。
2、进一步认识在限定的环境中种群数量增长的模式，以及养分和温度等因素对酵母菌种群增长的影响。
3、依据实验要求，使学生具备初步探究一些生物学问题、恰当评价和完善实验方案的能力。
①探究培养液中酵母菌种群数量的变化，建构种群增长的数学模型
②解释种群数量的波动类型及其原因，指出影响种群数量变动的因素
③正确使用显微镜、血球计数板等实验器材解决实验问题
④明确探究实验的一般步骤并能恰当评价和完善实验方案
材料用具
探究所需要的菌种、无菌马铃薯培养液或肉汤培养液、试管、血球计数板（2mm×2mm方格）、滴管、显微镜等，
方法步骤
一、问题
培养液中酵母菌种群的数量是怎样随时间变化的？
二、作出假设
根据前面所学知识，针对这一问题作出假设：
。
三、讨论探究思路
在制订计划前，需要思考以下问题，并与同学讨论。
1、怎样进行酵母菌的计数？
提示：
对一支试管中的培养液（可定这10mL）中的酵母菌逐个计数是非常困难遥，可以采用抽样检测的方法：
先将盖玻片放在计数室上，用吸管吸取培养液，滴于盖玻片边缘，主培养液自行渗入。
多余培养液用滤纸吸去。
稍待片刻，待细菌细胞全部沉降到计数室底部，将计数板放在载物台的中央，计数一个小方格内的酵母菌数量，再以此为根据，估算试管中的酵母菌总数。
盖玻片下的培养液厚度为0.1mm，请推导出将一个小方格范围内的酵母菌数，换算成10mL培养液中酵母菌总数的公式。
2、从试管中吸出培养液进行计数之前，建议你将试管轻轻震荡几次。
这是为什么？
3、本探究需要设置对照吗？
如果需要，请讨论对照应怎样设计和操作；如果不需要，请说明理由。
4、需要做重复实验吗？
5、怎样记录结果？
记录表怎样设计？
6、如果一个小方格内酵母菌过多，难以数清，应当采取怎样的措施？
7、对于压在小方格界线上的酵母菌，应当怎样计数？
四、制定计划
在小组讨论的基础上，写出探究方案，方法步骤应当具体，并且是可操作的。
确定小组同学间的分工。
向老师汇报本小组的探究计划，以求得老师的指导。
五、实施计划
首先通过显微镜观察，估算出10mL培养液中酵母菌的初始数量（N0）,在此之后连续观察7天，分别记录下这7天的数值。
六、分析结果，得出结论
将所得数值曲线图表示出来，分析实验结果是否支持你所做的假设。
探究的结论是 。
［讨论与交流］
1、向全班汇报本小组7天的数据，算出每一天全班各组数据的平均值，根据平均值重新画出酵母菌种群数量的增长曲线。
将这个增长曲线与本组的曲线进行比较，分析其相似程度，并做出合理的解释。
2、根据各乡各组平均数据画出的增长曲线有没有什么总趋势？
如果有，请作出说明。
3、影响酵母菌种群数量增长的因素可能是什么？
十二、作业设计：
1．在探究“培养液中酵母菌种群的数量变化”的实验中，某学生的部分实验操作过程是这样的：
①从静置试管中吸取酵母菌培养液进行计数，记录数据；②把酵母菌培养液放置在冰箱中；③第七天再取样计数，记录数据，统计分析绘成曲线。
请纠正该同学实验操作中的错误：
2．为探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化，某研究性学习小组按表一完成了有关实验，并定期对培养液中的酵母菌进行计数，绘制出酵母菌细胞数目变化曲线图。
请回答：
表一：
为了探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化，某同学按下表完成了有关实验。
试管编号
培养液/mL
无菌水/mL
酵母菌母液/mL
温度/℃
A
10
—
0.1
28
B
10
—
0.1
5
C
—
10
0.1
28
（1）请写出该同学研究的课题名称：
。
（2）此实验组设计的变量是：
（3）为什么在接种、培养和计数的整个实验过程中，要遵守无菌操作规范？
（4）A组培养液中酵母菌第______天的增长率最大；第3天后A组培养液中酵母菌数目减缓甚至不增长的原因是___________________________。
（5）A组与B组酵母菌中数量达到的最大值在生态学上称为______________，A组中该数值比B组大的原因是___________________________________。
（6）图中缺少C组酵母菌的数目变化曲线，请你根据自己的推测在答题纸相应的图中补充画出该曲线。
（7）在该实验的基础上，根据你对影响酵母菌种群生长的因素的推测，进一步确定一个探究实验的课题：
。
十四、探究能力表现评价表
探究过程
评价内容
自我评价
成员互评
提出问题
1、能否根据观察或生活经验提出问题，根据问题提出假设
进行假设
2、能否利用身边的材料设计探究假设的实验方案，包括设计对照实验
实验与
验证
3、能否按照实验计划准备实验材料，在步骤地进行实验
4、能否按照实验操作的规范要求完成实验
5、能否安全地使用各种实验数据
6、能否实事求是地记录和收集实验数据
7、能否分析实验数据的相关性并得出结论
结果交流
8、能否在探究活动中与他人合作交流
轶事记录
等级评价
教师综合
评价与
建议
十五、教学反思
“探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化”是生物新课标模块三活动建议中的一个实验。
实验要求学生有较强的显微镜的操作技能，进行一周乃至数周的耐心观察，了解酵母菌种群数量变化的规律及其产生原因。
实验的实施对于不少中学实验室来说，硬件条件的限制是开设本实验最大的难点。
其次，实验的开放性，虽然为师生提供了广阔的探究空间，但在实践中也导致了实验目标的把握偏差，致使大量时间精力投入后，实验效益很低。
基于此笔者结合自身体会提出建议如下：
1、明确实验目的
结合实验标题，本实验类型为探究性实验，因变量为酵母菌的种群数量（密度），实验的关键要素——变量在标题中未提及。
因此，实验设计的第一步需要实验者明确实验变量。
实验变量可以是外界的环境因素，如温度、pH值、溶氧量等，也可以是酵母菌自身内在因素，如菌种的差异、接种时间、接种量的多少等。
从另一个角度看，实验过程中“时间”是一个隐藏的变量，即不管哪种因素对酵母菌种群数量的影响，都是通过不同时间种群数量的变化体现出来的。
血球计数板的使用对于高中生来说是难点，但并不是本实验的重点。
血球计数板是一种实验者量化酵母菌种群密度的显微计数工具，了解基本原理，能进行计数操作即可。
况且在实际科研工作中，血球计数板的替代品——应用电阻法和比色法原理设计的全自动细胞计数器已经出现。
少数学校在开设本实验时，只用一节课在实验室讲解血球计数板的原理并由学生操作计数，就草草结束。
这种安排说明实验者目的不清，本末倒置。
笔者认为实验目的是，认识在有限条件下，酵母菌的种群数量变化模式；通过记录分析数据，建立并运用数学模型解释酵母菌的种群数量变化；体验科学探究的一般过程等等。
2、不可缺少的预实验
实验所用材料是酵母菌。
凡是单细胞世代时间较长，以出芽方式进行无性繁殖的低等真菌，都可以称为酵母菌。
这就决定酵母菌之间存在差异，充满个性。
以最适培养温度为例一直存在诸多说法，有的认为最适温度在28~30℃（沈萍等，1999），有的认为20℃是繁殖的最适温度（余红卫，2003），还有认为最适温度在25℃左右（陈维，2008）等［1］，这很可能是因为菌种不同造成的差异。
这也告诉我们，如果没有菌种提供商提供的详细数据，实验者就必需在实验前进行预实验，了解所用酵母菌的个性。
本文以哈尔滨生产的发发干酵母为例，就温度、营养、pH值等三个变量，进行预实验，记录每1mL培养液中酵母菌种群数量结果如下：
（单位：
百万/mL）
排除学生不熟悉操作出现的明显偏差外，我们仍可以看出，从A、B、C、D四组可知，营养物质对酵母菌的影响不明显，后来了解到厂家为保持酵母菌的活性在产品中加入蜂蜜、蔗糖等营养物质。
如需探究营养对酵母菌种群数量的影响，应在蒸馏水中扩大培养后进行二次接种；A组与E组比较可知pH3.9并不是这种酵母的最适pH；在25℃条件下酵母菌生长情况良好；
3、合理设计降低实验门槛
实验中可采用脱脂纱布代替普通棉花制作棉塞，增加透气性，促进酵母菌的有氧呼吸。
培养过程中要定期打开培养箱的门，震荡试管，也是出于供氧的需要；配制马铃薯培养液时，应用双层纱布充分过滤，避免淀粉颗粒形成沉淀影响计数；为了避免学生多次取样造成培养液污染，可采取多支试管分别培养，每管只取样一次；接种时，在无菌条件下，向试管10mL培养液中接入0.1mL酵母菌母液，没有微量移液器的实验室完成操作难度很大。
接种量不等会造成各试管中的初始酵母菌数量差异，预实验初期计数结果的差异就是这个原因造成的。
可将分装后接种，调整为先接种，再分装。
即向500mL锥形瓶中接入5mL酵母菌母液，充分摇匀后分装，即使分装到各试管中的培养液体积不完全相同，也不会对酵母菌种群密度造成误差，也降低了操作难度；接种、分装操作均是在无菌条件下，对液体进行定量操作。
移液管操作难度较大，笔者推荐使用医用注射器定量转移溶液，一次性注射器不需灭菌，也减少了污染机会，便于对液体进行定量操作，能有效避免对容器口部的污染，且推注过程还可以起到震荡混匀的作用；为避免清洗时残留水迹影响计量结果，清洗后的计数板要自然干燥或用滤纸吸干水迹后，才能再使用，间隔时间较长，建议加样时应对两个计数区加样，充分利用。
4、把握关键，准确预期
探究实验是开放的，但也要求实验者对所做实验的关键操作和可能出现的实验现象大致有数。
决定本实验成功与否的关键之一是接种量。
如果接种量较大已经接近K值，就观察不到酵母菌种群的明显增长过程，实验失去意义。
如果接种量过小，培养液易被霉菌污染，而且培养周期延长。
对接种量的控制主要在活化、接种这两个操作中实现。
预实验活化酵母菌时采取5g活性干酵母粉加入到35℃的100mL温水中搅匀，制成酵母菌母液。
向10mL培养液中接种0.1mL母液。
从实验结果来看，初始酵母菌数量与K值为同一数量级，种群增长特征不明显，需减少接种量。
实验采用5g活性干酵母粉加到200mL温水的比例制备酵母菌母液，采取更大的培养液与母液体积比，实验效果较好；
决定计数准确度的关键是对计数时稀释标准的把握。
一般来说“每小格中的酵母菌的个数5~10为宜，多于10个则应稀释一次”。
当视野中酵母菌数量过多时，可能会有重叠，计数量大造成误差。
但如果随意稀释也会人为制造误差。
以一个分布了177个酵母菌的中方格为例，对其进行10倍稀释后，中方格中理论值是17或18个酵母菌，产生误差的可能增大。
虽然在低倍镜视野中已经可以看清酵母菌的数目和形态，但仍建议在高倍镜下进行计数，以减少不必要的稀释。
稀释也应结合初测结果，选择选择5倍或10倍。
5、不可错过的进一步探究
很多伟大的发现源于实验过程中的“意外”，实验者在实验中也时常灵光闪现。
学生在了解基本原理和操作以后，经过实际实验操作以后，能提出很多新问题。
对此进一步探究既是实验的延续，又是激发学生科学探究热情的机会。
在对学生提出的进一步探究课题进行筛选后，笔者参与了学生“探究培养过程中酵母菌对培养液pH值的影响”、“探究培养液中酵母菌的空间分布”等多个课题的研究。
鉴于宁大附中与宁夏大学特有的历史渊源和地理优势，实验过程中获得了宁夏大学微生物实验室岳维军副教授的大力帮助。
学生参与到进一步探究中，学习知识，锻炼了技能，再一次体验了科学探究的过程，也感受到了中学知识与大学知识以及生物科学前沿的联系。
相比于对实验中既定的变量进行探究，学生有更高的积极性和主动性。
进一步探究的实验结果未知性更强，对于实验者来说都是一个通过查阅资料，精心设计实验，相互协作操作解开心中疑团的过程。
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