郭少純 （廣東省茂名市第一中學(xué) 廣東茂名 525027）

1 教材分析

本實驗是人教版高中生物學(xué)必修3 第4 章第2 節(jié)中的一個探究課題， 目的是通過實驗探討酵母菌在不同條件下的數(shù)量變化，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型［1］。此課題是種群的特征和種群數(shù)量變化模型之間的重要銜接。 課程標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于本節(jié)的具體內(nèi)容要求為“嘗試建立數(shù)學(xué)模型解釋種群的數(shù)量變動”。

我省“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的動態(tài)變化”實驗的開設(shè)率僅為8.3%。其實本實驗值得開展， 因為在探究過程中涉及多項實驗技能和方法，例如數(shù)學(xué)模型法、抽樣檢測法、顯微觀察法、微生物培養(yǎng)法。 學(xué)生可通過取樣、估算、記錄與處理數(shù)據(jù)、建立數(shù)學(xué)模型并解釋數(shù)據(jù)等過程，提高科學(xué)探究的能力， 且本實驗中所涉及的酵母菌的培養(yǎng)與計數(shù)方法也為選修1“果酒的制作”“微生物的培養(yǎng)與計數(shù)” 奠定了基礎(chǔ)， 具有承上啟下的重要作用。

2 教學(xué)目標(biāo)

1）知識目標(biāo)：使用血球計數(shù)板；設(shè)計實驗步驟；構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。

2）能力目標(biāo)：實驗操作能力；實驗分析能力；模型構(gòu)建能力。

3）情感態(tài)度與價值觀目標(biāo)：實事求是的科學(xué)態(tài)度；協(xié)作精神和合作意識；大膽質(zhì)疑和勇于創(chuàng)新。

3 教學(xué)重、難點

1）重點：解釋種群數(shù)量的波動類型及其原因，指出影響種群數(shù)量變動的因素。

2）難點：種群增長數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建。

4 教法與學(xué)法

1）教法：問題探究法、合作探究法、假說－演繹法。

2）學(xué)法：自主學(xué)習(xí)法、體驗探究法、總結(jié)反思法。

5 教學(xué)過程

本課題共2 個課時，按照圖1 流程實施教學(xué)：

圖1 教學(xué)流程圖

5.1 血球計數(shù)板的結(jié)構(gòu)和使用方法 第1 節(jié)課學(xué)習(xí)血球計數(shù)板的結(jié)構(gòu)和使用方法， 觀察酵母菌的形態(tài)，學(xué)會計數(shù)并掌握計數(shù)公式。

5.2 問題探討 學(xué)生進(jìn)行實際操作，教師巡視并引導(dǎo)解決學(xué)生提出的以下問題：

問題1：如何找中方格?

教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會尋找“雙線”范圍，確定是25×16 還是16×25， 從而確定是五點取樣還是四點取樣。

問題2：加酵母菌溶液后只能看清格線或酵母菌的原因是什么？

兩者垂直距離太大， 可以靜待酵母菌溶液沉降（1～2 min）。

問題3：低倍鏡轉(zhuǎn)高倍鏡時容易碰到蓋玻片怎么辦？

解決方法1：不換物鏡，改換高倍目鏡。

解決方法2：使用雙目顯微鏡，視野清晰，分辨率高。

問題4：酵母菌顏色很淺怎么辦？

可將視野調(diào)暗，或加入碘液，可對酵母菌的淀粉粒進(jìn)行染色。

問題5：除了酵母菌，還有其他適合的材料嗎？

聯(lián)想到茂名市以海洋漁業(yè)、濱海旅游、港口物流為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。其中為防止赤潮，監(jiān)測小球藻在內(nèi)的藻類種群數(shù)量變化很有必要。 小球藻是一種單細(xì)胞球形藻類，因葉綠素豐富而呈綠色，便于觀察。 作為低等植物，小球藻無需在無菌條件下培養(yǎng)。 細(xì)胞約每10 h 分裂一次，增殖速度較酵母菌慢，無芽體，方便計數(shù)。 小球藻衰亡過程中葉綠素a 含量逐漸降低，葉綠體收縮變成白色，因此無需染色即可分辨死活， 故小球藻可作為本實驗的材料［2］。

問題6：哪些因素會影響酵母菌或小球藻種群數(shù)量的變化？

學(xué)生思考后回答：可以是外界的環(huán)境因素，如溫度、pH 值、溶氧量等，也可以是自身內(nèi)在因素，如菌種的差異、 有害物質(zhì)積累量、 接種量的多少等。教材只將時間作為自變量進(jìn)行探究，在不增加實驗難度的前提下， 可增加不同營養(yǎng)條件作為自變量，為后續(xù)學(xué)習(xí)J 型曲線和S 型曲線作鋪墊。

5.3 作出假設(shè) 酵母菌或小球藻的種群數(shù)量在不同營養(yǎng)條件下， 隨培養(yǎng)時間延長的變化趨勢是什么？ 假設(shè)如圖2 所示。

圖2 酵母菌或小球藻在營養(yǎng)充足（a 圖）和營養(yǎng)有限條件下（b 圖）的種群數(shù)量

5.4 實驗探究 計數(shù)方法包括：①血球計數(shù)板直接抽樣檢測；②色度傳感器測透光度；③濁度傳感器測渾濁度。 后2 種方法需要培養(yǎng)液進(jìn)行空白對照。

學(xué)生自主設(shè)計表格記錄數(shù)據(jù)（表1）。 建立數(shù)學(xué)模型：不同營養(yǎng)條件下，酵母菌或小球藻數(shù)量隨時間變化的曲線； 酵母菌或小球藻數(shù)量與渾濁度的關(guān)系曲線； 酵母菌或小球藻數(shù)量與色度的關(guān)系曲線（圖3～圖5）。

表1 酵母菌或小球藻種群數(shù)量記錄表

圖3 酵母菌或小球藻數(shù)量隨時間變化的曲線

圖4 酵母菌或小球藻數(shù)量與渾濁度的關(guān)系曲線

圖5 酵母菌或小球藻數(shù)量與色度的關(guān)系曲線

按照以下步驟在課后實施實驗：

1）配置酵母菌或小球藻培養(yǎng)液（酵母菌培養(yǎng)液：5%葡萄糖液；小球藻培養(yǎng)液：完全營養(yǎng)素培養(yǎng)液）、分裝、滅菌，分為A、B、C、D 4 組，每組100 mL 培養(yǎng)液（課前準(zhǔn)備）；

2）A、B 組接種1 g 酵母菌，C、D 組接種10 mL小球藻，A、C 組每天不改變培養(yǎng)液含量，B、D 組每天增加5 mL 培養(yǎng)液，恒溫25℃培養(yǎng)；

3）取樣，鏡檢，加樣，計數(shù)；

4）全班分成4 個大組，記錄7 天數(shù)據(jù)，每組重復(fù)3 次取平均值。

5.5 分析匯報 第2 課時進(jìn)行實驗結(jié)果分析匯報，包括：

1）學(xué)生展示表格數(shù)據(jù)，繪制變化趨勢曲線，說明酵母菌和小球藻種群數(shù)量變化和渾濁度及色度的關(guān)系并解釋原因。 學(xué)生利用Excel 構(gòu)建種群數(shù)量變化的數(shù)學(xué)表達(dá)式， 并利用公式預(yù)測第8 天的數(shù)量，課后進(jìn)行計數(shù)驗證。

2）師生總結(jié)造成曲線變化（包括上升、穩(wěn)定、下降）的原因，并分析不同小組結(jié)果差異的原因，引導(dǎo)學(xué)生考慮營養(yǎng)條件、空間、有害物質(zhì)積累、雜菌競爭等。

圖6 酵母菌生長曲線

圖7 酵母菌數(shù)量增長速率

圖8 酵母菌數(shù)量增長率

圖9 小球藻生長曲線

圖10 小球藻數(shù)量增長速率

圖11 小球藻數(shù)量增長率

3）學(xué)生利用Excel 繪制營養(yǎng)不足時酵母菌或小球藻生長曲線、數(shù)量增長速率和增長率曲線，從而突破難點（圖6～圖11）。

6 實驗創(chuàng)新點

6.1 優(yōu)化計數(shù)方法和數(shù)據(jù)處理

1）計數(shù)時由于酵母菌或小球藻體積小，計數(shù)難度增大，可用相機拍下需計數(shù)的中方格，再將照片放大后計數(shù)。

2）利用Excel 可準(zhǔn)確將實驗數(shù)據(jù)中的種群密度與時間擬合曲線，建立數(shù)學(xué)表達(dá)式模型。

6.2 教材順序的調(diào)整 理論—實驗—理論： 課上先進(jìn)行血球計數(shù)板結(jié)構(gòu)和使用的學(xué)習(xí)、觀察、討論、改進(jìn)，課后給予充足時間計數(shù)、探究。第2 節(jié)課進(jìn)行小組匯報，再學(xué)習(xí)種群數(shù)量變化的J 型曲線和S 型曲線?！凹僬f－演繹法”對學(xué)生逆向思維的培養(yǎng)、能力的提高都起到很好的作用，應(yīng)鼓勵學(xué)生在平時思考問題和設(shè)計實驗時多使用“假說－演繹法”。

6.3 完善模型構(gòu)建

1）通過預(yù)測種群數(shù)量增長實現(xiàn)模型構(gòu)建的意義，即可用于農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等生產(chǎn)實際。 利用構(gòu)建的數(shù)學(xué)公式y(tǒng)=-32.194x3+379.4x2-993.62x+681.43，預(yù)測第8 天酵母菌數(shù)量：5.3×107個。

2）利用實驗數(shù)據(jù)計算增長速率和增長率。 從曲線中不難看出，S 型曲線的增長速率先增后減，增長率是一直減少或者先增后減，從而突破難點。

6.4 材料的改進(jìn)

1）將馬鈴薯培養(yǎng)液（操作繁瑣、容易污染、液體渾濁、影響觀察）改為葡萄糖培養(yǎng)液（取材更簡便、溶液更澄清、效果更明顯）。

2）供學(xué)生選擇的材料多樣：酵母菌、小球藻（綠色、體積大、容易觀察）。

7 教學(xué)反思

在實驗計數(shù)操作時沒有使用無菌技術(shù)， 培養(yǎng)液可能逐漸被污染， 雜菌在不同情況下渾濁度和色度的變化均會影響本實驗結(jié)果， 導(dǎo)致部分小組在培養(yǎng)液營養(yǎng)不足情況下， 測定酵母菌或小球藻生長后期的渾濁度和色度有輕微偏高。 因此為排除干擾，本實驗應(yīng)在無菌條件下進(jìn)行。

8 實驗設(shè)想和展望

由于課時有限，本實驗的探究尚不夠全面，以下是可進(jìn)一步拓展的內(nèi)容，將在以后落實。

1）可探究各種因素對酵母菌種群數(shù)量的影響，如酒精含量（2013年廣東高考理綜第29 題有所涉及）。

2）活酵母菌種群數(shù)量變化曲線：利用0.01%亞甲基藍(lán)溶液染色，活酵母菌呈無色、死酵母菌呈藍(lán)色，從而區(qū)分活菌和死菌。但不能在血球計數(shù)板上直接染色，應(yīng)另外制作裝片。通過染色區(qū)分活菌和死菌并計算二者的比例， 再根據(jù)比例換算出活菌數(shù)目，從而構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，真實反映酵母菌種群數(shù)量的變化。

3）整合酵母菌實驗，形成完整的探究實驗：將必修1“探究酵母菌呼吸方式”、必修3 本實驗、選修1“果酒果醋制作”“微生物培養(yǎng)和計數(shù)”進(jìn)行整合。這樣處理的原因有2 點：①解決選修1 實驗過于集中而導(dǎo)致學(xué)校實驗室的緊張， 將選修1 和必修3 打通，有利于實驗室的安排。②整合選修1 中微生物的內(nèi)容， 可讓學(xué)生體驗?zāi)Ｐ蜆?gòu)建的完整過程。 這也是目前倡導(dǎo)的整體備課思想的體現(xiàn)。

4）使用“大生物”降低實驗難度，例如用果蠅直接計數(shù)、用大草履蟲［3］在解剖鏡下計數(shù)，更為簡便。

實驗教學(xué)是生物學(xué)教學(xué)的重要環(huán)節(jié)， 和課堂教學(xué)不可分割。實驗的過程和結(jié)果，有利于學(xué)生理解生物學(xué)現(xiàn)象和核心概念， 提高生物學(xué)核心素養(yǎng)中的科學(xué)探究能力。 教師應(yīng)將實驗思想貫穿于教學(xué)過程中， 通過合理設(shè)計實驗流程， 改進(jìn)實驗方法，創(chuàng)造條件引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步探究，促進(jìn)理論和實踐相統(tǒng)一。