盧彥軍 譚慧慧

（1 岳陽市教育科學(xué)技術(shù)研究院 湖南岳陽 414000 2 臨湘市第一中學(xué) 湖南岳陽 414300）

高中生物學(xué)選修1 課題3 中“酵母細(xì)胞的固定化”實(shí)驗(yàn)在2019年新增為高考內(nèi)容［1］，這對(duì)于一線學(xué)生和教師是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。高考考試說明要求學(xué)生能獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，掌握相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作技能，理解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理和方法，并能將?shí)驗(yàn)涉及的方法和技能等進(jìn)行運(yùn)用。借助這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芨玫匕l(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，特別有助于提升科學(xué)思維和科學(xué)探究能力［2］。

酵母菌的固定化實(shí)驗(yàn)操作包括制備固定化酵母菌和用固定化酵母菌發(fā)酵2 個(gè)方面?？蓮? 個(gè)方面評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)的成敗，一是形成的凝膠珠顏色和形態(tài)；二是觀察利用固定化酵母細(xì)胞發(fā)酵的葡萄糖溶液是否有氣泡產(chǎn)生、產(chǎn)生氣泡的速度及是否有酒味。筆者在觀察學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)對(duì)學(xué)生而言該實(shí)驗(yàn)操作難度大，成功率低，明顯影響學(xué)生的實(shí)驗(yàn)熱情。鑒于此，筆者對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了再探究，從酵母細(xì)胞的活化條件、海藻酸鈉的溶化條件和海藻酸鈉的配制等實(shí)驗(yàn)疑難點(diǎn)入手，建立多組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，反復(fù)探究，逐步優(yōu)化，提高了實(shí)驗(yàn)的成功率，以下對(duì)再探究過程進(jìn)行梳理，以期為學(xué)生實(shí)驗(yàn)或演示實(shí)驗(yàn)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)主要疑難點(diǎn)及原因分析

1.1 實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng) 按照本實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況需要安排2 課時(shí)，第1 課時(shí)完成本實(shí)驗(yàn)背景和基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)，第2 課時(shí)主要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作與評(píng)價(jià)。但往往第2 課時(shí)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程很緊，影響教學(xué)進(jìn)度，有些操作很耗時(shí)，例如干酵母活化時(shí)間需1 h。

1.2 配制海藻酸鈉溶液難達(dá)標(biāo) 配制海藻酸鈉溶液難達(dá)標(biāo)，原因是：1）海藻酸鈉為固體粉末，需加熱促進(jìn)其溶解，而在加熱過程中稍不注意就會(huì)發(fā)生焦糊現(xiàn)象；2）海藻酸鈉粉末在水中不易溶解、易結(jié)塊，加熱溶解后易粘到玻璃棒和燒杯壁上，使溶液不易定容至10 mL，而結(jié)塊的海藻酸鈉固定的酵母細(xì)胞數(shù)量少，結(jié)塊部位凝膠顏色偏淺，且在制作凝膠珠時(shí)會(huì)形成不規(guī)則的尾巴。

1.3 凝膠珠容易含有氣泡 海藻酸鈉溶化后，溶液中存在許多小氣泡；用海藻酸鈉和酵母菌的混合液滴凝膠珠時(shí)，混合液中也很容易因攪拌產(chǎn)生氣泡；這些氣泡會(huì)隨著混合液進(jìn)入凝膠珠內(nèi)，會(huì)使凝膠珠浮在液體表面，影響固定化細(xì)胞質(zhì)量，影響后續(xù)發(fā)酵過程。

這些主要疑難點(diǎn)讓學(xué)生在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中很難跨越，造成實(shí)驗(yàn)成功率低，影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

2 疑難問題解決思路及處理方法

2.1 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間 設(shè)置活化時(shí)間梯度為15 min、30 min、45 min 和60 min；溫度梯度為常溫（室溫20℃左右）、30℃和40℃；經(jīng)過預(yù)實(shí)驗(yàn)多次探究，獲得比較理想的方案是將高活性干酵母在35～40℃溫水中活化，活化時(shí)間為15～20 min，極大降低活化時(shí)間。該過程原方案需要教師課前準(zhǔn)備，在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件縮短活化時(shí)間后，可將該環(huán)節(jié)移入課堂，學(xué)生可直觀認(rèn)識(shí)酵母細(xì)胞活化中體積變化等過程。

2.2 探究海藻酸鈉溶液配制的最佳實(shí)驗(yàn)方案 本實(shí)驗(yàn)的最關(guān)鍵步驟在于海藻酸鈉溶液的配制，海藻酸鈉的加熱溶化、濃度控制等是實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)，影響實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵所在。為了獲得最佳實(shí)驗(yàn)方案，筆者對(duì)該過程的2 個(gè)方面進(jìn)行了反復(fù)探究［3］。

1）探究減少海藻酸鈉加熱溶化時(shí)結(jié)塊和焦糊現(xiàn)象的條件。按照表1探究海藻酸鈉溶液不同的配制方法，并進(jìn)行比較。綜合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，先加海藻酸鈉易焦糊，原因是先加入的海藻酸鈉會(huì)粘連在燒杯底部，不及時(shí)攪拌或攪拌不充分，直接加熱時(shí)會(huì)使底部海藻酸鈉燒焦，學(xué)生在實(shí)際操作中極易發(fā)生此現(xiàn)象。常溫水較沸水更易結(jié)塊。方案4為最優(yōu)方案，即采取先將沸水倒入燒杯中，再加海藻酸鈉，邊攪拌邊加熱，無焦糊現(xiàn)象且結(jié)塊現(xiàn)象也明顯減少。

表1 海藻酸鈉溶液的配制方法比較

2）探究適宜的海藻酸鈉溶液濃度配制方案。海藻酸鈉溶液的配制方案的再探究實(shí)驗(yàn)過程如下［4］：首先進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，海藻酸鈉采用相同質(zhì)量0.7 g,水的體積分別設(shè)置為10 mL、15 mL 和20 mL，結(jié)果確定凝膠珠成型的大概范圍為10～15 mL；盡管15～20 mL 也得到圓球形凝膠珠，但因水量增加形成的凝膠珠顏色變淺，說明凝膠珠固定的酵母細(xì)胞數(shù)量少，所以將水的選取量范圍確定為10～15 mL。然后，以1 mL 為梯度，將水的體積范圍進(jìn)一步細(xì)化為9～15 mL，設(shè)置7 個(gè)實(shí)驗(yàn)組，進(jìn)行比較分析。實(shí)驗(yàn)探究過程及結(jié)果見表2和圖1。結(jié)果表明，如果海藻酸鈉濃度過高，很難形成凝膠珠；如果海藻酸鈉濃度過低，形成的凝膠珠偏白色，凝膠珠所包埋的酵母細(xì)胞數(shù)目少，影響實(shí)驗(yàn)效果（該結(jié)論是由預(yù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果得出的）；由此得出結(jié)論，15 mL 水＋0.7 g 海藻酸鈉與10 mL 的酵母細(xì)胞溶液配制成的混合溶液制成的凝膠珠效果最佳。

表2 海藻酸鈉溶液濃度梯度與實(shí)驗(yàn)效果比較

圖1 不同實(shí)驗(yàn)組凝膠珠照片

在多次實(shí)驗(yàn)和探究中，原方案0.7 g 海藻酸鈉加入10 mL 水配制海藻酸鈉溶液，與10 mL 的酵母細(xì)胞溶液配制成的混合溶液制作凝膠珠，其形狀很難符合要求。而0.7 g 海藻酸鈉加入15 mL水配制的海藻酸鈉溶液，再與10 mL 的酵母細(xì)胞溶液配制成的混合溶液制成的凝膠珠為規(guī)則圓球狀，成型效果最佳。

2.3 結(jié)合發(fā)酵效果再探究 經(jīng)反復(fù)探究，對(duì)比能形成規(guī)則圓球形的幾種新方案，其中最佳方案是0.7 g 海藻酸鈉加入15 mL 水配制的海藻酸鈉溶液，這與教材原方案有區(qū)別。為探究其在實(shí)際發(fā)酵中效果如何，筆者開展進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在對(duì)照實(shí)驗(yàn)中發(fā)酵效果優(yōu)勢(shì)不明顯。教材中海藻酸鈉溶液與酵母細(xì)胞溶液的體積比為1∶1，若用15 mL 加水量的海藻酸鈉與10 mL 的酵母細(xì)胞混合，會(huì)使單位體積的凝膠中固定的酵母細(xì)胞少，所以在考慮加熱過程中水分散失的情況下，將海藻酸鈉溶液的加水量定為12 mL；但由于前面實(shí)驗(yàn)已確定12 mL 水加0.7 g 海藻酸鈉無法得到凝膠珠，所以減少海藻酸鈉的量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。以0.1 g 為梯度遞減，發(fā)現(xiàn)0.6 g 海藻酸鈉加12 mL 水，最終制得的凝膠珠帶小尾巴，故排除；而0.5 g 海藻酸鈉加12 mL 水配制的海藻酸鈉溶液，再與10 mL 的酵母細(xì)胞混合制得的凝膠珠是規(guī)則的圓球狀、顏色淡黃且彈性好，所以選擇0.5 g 海藻酸鈉加12 mL水配制海藻酸鈉溶液。

確定獲得凝膠珠的最佳配置方案后，對(duì)其發(fā)酵效果做再探究實(shí)驗(yàn)。表3為3 種情況的實(shí)驗(yàn)探究情況，發(fā)酵時(shí)間分別為20 min 和40 min。固定化酵母細(xì)胞在酒精發(fā)酵時(shí)會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，二氧化碳在凝膠珠中達(dá)到一定量后，凝膠珠會(huì)浮起，故以凝膠珠在發(fā)酵中上浮情況為指標(biāo)，即單位時(shí)間內(nèi)凝膠珠的浮起數(shù)量。圖2所示錐形瓶從左至右分別為表3中甲、乙、丙3 組在發(fā)酵40 min 時(shí)的效果，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象顯示丙組的發(fā)酵效果最佳。

表3 凝膠珠的發(fā)酵效果比較

圖2 凝膠珠發(fā)酵40 min 效果

若以單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生氣體的體積作為發(fā)酵效果衡量指標(biāo)，理想設(shè)置應(yīng)使用有刻度的水平玻璃管，通過有色液滴移動(dòng)的情況精準(zhǔn)定量。筆者在實(shí)際操作中使用同一規(guī)格的氣球作為檢測(cè)手段，進(jìn)行粗略定量。圖3、圖4和圖5分別為發(fā)酵0 min、120 min 和10 h 的實(shí)驗(yàn)效果，室溫約為20℃。各圖中從左至右的3 個(gè)錐形瓶分別與表3中的甲、乙、丙3 組對(duì)應(yīng)。對(duì)比甲、乙、丙3 個(gè)組在相同時(shí)間段發(fā)酵產(chǎn)生氣體的體積發(fā)現(xiàn)，丙組發(fā)酵效果最好，甲組發(fā)酵效果次之，乙組發(fā)酵效果最差，說明乙組凝膠珠固定的酵母細(xì)胞最少，丙組凝膠珠固定的酵母細(xì)胞最多，即0.5 g 海藻酸鈉加12 mL 水，再與10 mL 酵母細(xì)胞溶液配置的凝膠珠形狀顏色俱佳，且發(fā)酵效果最好。

圖3 凝膠珠發(fā)酵0 min 效果

圖4 凝膠珠發(fā)酵120 min 效果

圖5 凝膠珠發(fā)酵10 h 效果

2.4 凝膠珠中易含氣泡的處理 利用真空原理排出氣體。除去混合液中的氣泡也很關(guān)鍵，將海藻酸鈉溶液和酵母細(xì)胞混合，進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，使其混合均勻，轉(zhuǎn)移至注射器中；將注射器活塞緩緩?fù)七M(jìn)，待混合物剛溢出針孔為止，用清洗過的食指按住針孔，并將活塞緩緩后退，待混合物中空氣溢出后松開食指，推進(jìn)活塞排出空氣，如此反復(fù)數(shù)次，直至無空氣再溢出為佳。這樣獲得的凝膠珠都會(huì)沉底，韌性好、有彈力。

3 小結(jié)

新的高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)要求教學(xué)高度關(guān)注生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的達(dá)成［2］，積極引導(dǎo)和組織學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)，通過組織以探究為特點(diǎn)的主動(dòng)學(xué)習(xí)落實(shí)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。酵母細(xì)胞的固定化實(shí)驗(yàn)是高中生物學(xué)選修1 中一個(gè)極富有挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)，2019年新增加為高考內(nèi)容，說明其適合學(xué)生完成。以該實(shí)驗(yàn)為素材又不拘泥于教材，根據(jù)學(xué)生操作的實(shí)際情況，帶領(lǐng)學(xué)生一起再探究是一種體驗(yàn)式學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的嘗試，探究過程可能會(huì)出現(xiàn)一系列的新問題，卻不會(huì)有相關(guān)提示，這就需要學(xué)生和教師不斷進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，再探究，反復(fù)分析摸索，此過程可讓學(xué)生和教師都能有更多的收獲。最終獲得最佳實(shí)驗(yàn)方案，也有助于指導(dǎo)后續(xù)實(shí)驗(yàn)操作，順利完成實(shí)驗(yàn)。