郭少純 （廣東省茂名市第一中學 廣東茂名 525027）

1 教材分析

本實驗是人教版高中生物學必修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，構建數(shù)學模型［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。 課程標準關于本節(jié)的具體內容要求為“嘗試建立數(shù)學模型解釋種群的數(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)學模型法、抽樣檢測法、顯微觀察法、微生物培養(yǎng)法。 學生可通過取樣、估算、記錄與處理數(shù)據(jù)、建立數(shù)學模型并解釋數(shù)據(jù)等過程，提高科學探究的能力， 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， 具有承上啟下的重要作用。

2 教學目標

1）知識目標：使用血球計數(shù)板；設計實驗步驟；構建數(shù)學模型。

2）能力目標：實驗操作能力；實驗分析能力；模型構建能力。

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

3 教學重、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)學模型的構建。

4 教法與學法

1）教法：問題探究法、合作探究法、假說－演繹法。

2）學法：自主學習法、體驗探究法、總結反思法。

5 教學過程

本課題共2 個課時，按照圖1 流程實施教學：

圖1 教學流程圖

5.1 血球計數(shù)板的結構和使用方法 第1 節(jié)課學習血球計數(shù)板的結構和使用方法， 觀察酵母菌的形態(tài)，學會計數(shù)并掌握計數(shù)公式。

5.2 問題探討 學生進行實際操作，教師巡視并引導解決學生提出的以下問題：

問題1：如何找中方格?

教師引導學生學會尋找“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？

可將視野調暗，或加入碘液，可對酵母菌的淀粉粒進行染色。

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、港口物流為主導產(chǎn)業(yè)。其中為防止赤潮，監(jiān)測小球藻在內的藻類種群數(shù)量變化很有必要。 小球藻是一種單細胞球形藻類，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，也可以是自身內在因素，如菌種的差異、 有害物質積累量、 接種量的多少等。教材只將時間作為自變量進行探究，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)學習J 型曲線和S 型曲線作鋪墊。

5.3 作出假設 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)液進行空白對照。

學生自主設計表格記錄數(shù)據(jù)（表1）。 建立數(shù)學模型：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)量與渾濁度的關系曲線； 酵母菌或小球藻數(shù)量與色度的關系曲線（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)量與渾濁度的關系曲線

圖5 酵母菌或小球藻數(shù)量與色度的關系曲線

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3 次取平均值。

5.5 分析匯報 第2 課時進行實驗結果分析匯報，包括：

1）學生展示表格數(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系并解釋原因。 學生利用Excel 構建種群數(shù)量變化的數(shù)學表達式， 并利用公式預測第8 天的數(shù)量，課后進行計數(shù)驗證。

2）師生總結造成曲線變化（包括上升、穩(wěn)定、下降）的原因，并分析不同小組結果差異的原因，引導學生考慮營養(yǎng)條件、空間、有害物質積累、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)學表達式模型。

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

6.3 完善模型構建

1）通過預測種群數(shù)量增長實現(xiàn)模型構建的意義，即可用于農業(yè)、漁業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等生產(chǎn)實際。 利用構建的數(shù)學公式y(tǒng)=-32.194x3+379.4x2-993.62x+681.43，預測第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

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 教學反思

在實驗計數(shù)操作時沒有使用無菌技術， 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果， 導致部分小組在培養(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，本實驗應在無菌條件下進行。

8 實驗設想和展望

由于課時有限，本實驗的探究尚不夠全面，以下是可進一步拓展的內容，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%亞甲基藍溶液染色，活酵母菌呈無色、死酵母菌呈藍色，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，從而構建數(shù)學模型，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 實驗過于集中而導致學校實驗室的緊張， 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 中微生物的內容， 可讓學生體驗模型構建的完整過程。 這也是目前倡導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。

實驗教學是生物學教學的重要環(huán)節(jié)， 和課堂教學不可分割。實驗的過程和結果，有利于學生理解生物學現(xiàn)象和核心概念， 提高生物學核心素養(yǎng)中的科學探究能力。 教師應將實驗思想貫穿于教學過程中， 通過合理設計實驗流程， 改進實驗方法，創(chuàng)造條件引導學生進一步探究，促進理論和實踐相統(tǒng)一。