［摘 要］ 針對(duì)高校本科“微生物學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中遇到的數(shù)據(jù)處理問(wèn)題，以細(xì)菌生長(zhǎng)曲線(xiàn)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)為例，使用Origin 2022軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)計(jì)算、圖形繪制及插入誤差棒等操作，完成細(xì)菌生長(zhǎng)曲線(xiàn)的繪制。結(jié)果表明，利用Origin軟件可以快速對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理，操作簡(jiǎn)捷并可避免人工計(jì)算的誤差，對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的非線(xiàn)性數(shù)據(jù)通過(guò)軟件可以擬合出美觀的圖形，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果可視化。在教學(xué)中通過(guò)引入Origin軟件，可以在講授具體微生物知識(shí)的同時(shí)，讓本科生掌握一款專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)分析處理軟件，有助于培養(yǎng)本科生的數(shù)據(jù)處理能力，提高綜合科研素養(yǎng)，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)課程和科研工作的數(shù)據(jù)處理工作打好基礎(chǔ)。

［關(guān)鍵詞］ 微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)；Origin；數(shù)據(jù)處理；生長(zhǎng)曲線(xiàn)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

［基金項(xiàng)目］ 2023年度暨南大學(xué)“四新”實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程改革項(xiàng)目“基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程優(yōu)化與設(shè)計(jì)”（SYJG202310）；2023年度暨南大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目“‘思政教育’融入大學(xué)生專(zhuān)業(yè)實(shí)習(xí)教學(xué)的體系構(gòu)建與路徑探索”（JG2023059）；2023年度暨南大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目“多維度創(chuàng)新教學(xué)模式在微觀生態(tài)實(shí)踐教學(xué)中的探索與實(shí)踐”（JG2023065）

［作者簡(jiǎn)介］ 郭 佳（1985—），女，安徽馬鞍山人，碩士，暨南大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，主要從事微生物實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室安全管理研究；唐雅麗（1983—），女，湖北荊州人，博士，暨南大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院副研究員，主要從事微生物生態(tài)學(xué)研究；雷臘梅（1973—），女，湖北赤壁人，博士，暨南大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院副研究員（通信作者），主要從事藻類(lèi)環(huán)境生物學(xué)研究。

［中圖分類(lèi)號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）11-0021-04 ［收稿日期］ 2023-01-08

“微生物學(xué)”是高等院校生命科學(xué)及相關(guān)交叉學(xué)科中一門(mén)重要的基礎(chǔ)課，是生物技術(shù)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)，具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性［1］。“微生物學(xué)”實(shí)驗(yàn)課與理論課緊密結(jié)合，通過(guò)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生觀察和動(dòng)手能力、分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力，讓學(xué)生在實(shí)踐操作中鞏固加深對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的理解，是微生物學(xué)教學(xué)不可或缺的重要組成部分［2］。

作為專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，“微生物學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程通常在大學(xué)低年級(jí)開(kāi)設(shè)，在以往的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，低年級(jí)本科生的數(shù)據(jù)處理能力薄弱，缺乏使用專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的能力，而傳統(tǒng)的“微生物學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)以實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察為主，對(duì)數(shù)據(jù)處理內(nèi)容涉及很少。在大數(shù)據(jù)的時(shí)代背景下，數(shù)據(jù)處理能力是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要內(nèi)容。因此，在“微生物學(xué)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)增加數(shù)據(jù)處理知識(shí)的內(nèi)容，以培養(yǎng)本科生應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件分析處理數(shù)據(jù)的能力。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)目標(biāo)

細(xì)菌生長(zhǎng)曲線(xiàn)的測(cè)定是本科微生物實(shí)驗(yàn)中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。其原理是細(xì)菌能夠在適宜的環(huán)境中生長(zhǎng)繁殖，將一定量的細(xì)菌轉(zhuǎn)入新鮮培養(yǎng)液中，在適宜的培養(yǎng)條件下，細(xì)菌會(huì)經(jīng)歷延遲期、對(duì)數(shù)期、穩(wěn)定期和衰亡期四個(gè)階段。以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以細(xì)菌數(shù)目的對(duì)數(shù)或生長(zhǎng)速率為縱坐標(biāo)可繪制出該細(xì)菌的生長(zhǎng)曲線(xiàn)［3］。不同的細(xì)菌在相同的培養(yǎng)條件下生長(zhǎng)曲線(xiàn)不同，通過(guò)繪制生長(zhǎng)曲線(xiàn)可以了解不同細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖規(guī)律，從而有效地利用和控制細(xì)菌的生長(zhǎng)。

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容包括菌懸液的配制、取樣間隔的設(shè)計(jì)及規(guī)范取樣、菌懸液吸光度值的測(cè)定、用坐標(biāo)紙或Excel軟件繪制生長(zhǎng)曲線(xiàn)、對(duì)不同細(xì)菌的生長(zhǎng)曲線(xiàn)進(jìn)行比較與分析。本文結(jié)合新形勢(shì)下創(chuàng)新人才培養(yǎng)的要求，從“微生物學(xué)”實(shí)驗(yàn)課程多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“細(xì)菌生長(zhǎng)曲線(xiàn)測(cè)定”中增加Origin軟件教學(xué)環(huán)節(jié)：細(xì)菌生長(zhǎng)曲線(xiàn)測(cè)定中須多次取樣，且每?jī)纱稳訒r(shí)間間隔1小時(shí)，利用等待取樣的碎片時(shí)間開(kāi)展Origin軟件教學(xué)，介紹數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)處理、曲線(xiàn)繪制及插入誤差棒等操作過(guò)程并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果可視化。

教學(xué)目標(biāo)：（1）繪制兩種不同細(xì)菌的生長(zhǎng)曲線(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生觀察不同細(xì)菌生長(zhǎng)曲線(xiàn)的區(qū)別；（2）引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)使用一款專(zhuān)業(yè)的數(shù)據(jù)分析處理軟件，培養(yǎng)本科生的數(shù)據(jù)處理能力和綜合科研素養(yǎng)，培養(yǎng)獨(dú)立開(kāi)展研究的能力。

二、實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)軟件

本實(shí)驗(yàn)使用的菌種為大腸桿菌和枯草芽孢桿菌。在盛有200毫升LB液體培養(yǎng)基的錐形瓶里轉(zhuǎn)入8毫升細(xì)菌過(guò)夜培養(yǎng)液，混合均勻后按5毫升/支分裝到39支試管中。將已接種的試管設(shè)置為搖床37℃，250 r/min振蕩培養(yǎng)12小時(shí)。從開(kāi)始培養(yǎng)起，每小時(shí)取3支平行樣品做好標(biāo)記放進(jìn)冰箱中儲(chǔ)存，最后一起以未接種的LB液體培養(yǎng)基為空白對(duì)照，用分光光度計(jì)測(cè)量600 nm處的吸光度值，用Origin 2022軟件處理所測(cè)得的吸光度值，并繪制細(xì)菌的生長(zhǎng)曲線(xiàn)。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所用的數(shù)據(jù)處理軟件Origin 2022，是由OriginLab公司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)科研軟件，本科生可通過(guò)官網(wǎng)免費(fèi)申請(qǐng)Origin學(xué)習(xí)版。課前，教師提前提供軟件的下載注冊(cè)指南并要求學(xué)生在上課前完成軟件的安裝與注冊(cè)。Origin軟件支持多種格式的數(shù)據(jù)導(dǎo)入（如Excel、ASCII、NI TDM等），可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、信號(hào)處理、圖像處理、峰值分析和曲線(xiàn)擬合等各種數(shù)據(jù)處理分析功能，利用內(nèi)置模板可方便地繪制各種2D/3D圖片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化［4-5］。目前Origin軟件作為國(guó)際主流的專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)分析與繪圖軟件，因其簡(jiǎn)單易學(xué)、操作靈活、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高校理、工、農(nóng)、醫(yī)等學(xué)科的教學(xué)科研活動(dòng)。針對(duì)生命科學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)本科生在科研實(shí)踐中對(duì)數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)可視化方面的實(shí)際需求，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，初步掌握Origin軟件從數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)處理到圖形繪制及優(yōu)化全過(guò)程，為其在后續(xù)實(shí)驗(yàn)課程和大學(xué)生科研創(chuàng)新訓(xùn)練工作的數(shù)據(jù)處理工作奠定基礎(chǔ)。

三、使用Origin軟件繪制細(xì)菌生長(zhǎng)曲線(xiàn)的教學(xué)過(guò)程

（一）數(shù)據(jù)輸入

啟動(dòng)Origin 2022軟件，依次單擊菜單“File”

“New”“Workbook”“Construct”，新建表單Book 1，將，.xlsx格式的大腸桿菌培養(yǎng)液吸光度數(shù)據(jù)文件拖入Origin軟件首行導(dǎo)入數(shù)據(jù)，以相同的方式新建表單Book 2并導(dǎo)入枯草芽孢桿菌培養(yǎng)液的吸光度數(shù)據(jù)，如圖1所示。其中A（X）列為時(shí)間，B（Y）、C（Y）、D（Y）列為該時(shí)間三個(gè)平行樣品的吸光度值。從課堂教學(xué)效果來(lái)看，Origin軟件的數(shù)據(jù)導(dǎo)入過(guò)程簡(jiǎn)單易上手，本科生均能快速完成此步驟，為后續(xù)環(huán)節(jié)做好準(zhǔn)備。

（二）數(shù)據(jù)處理

在不同培養(yǎng)時(shí)間的大腸桿菌培養(yǎng)液和枯草芽孢桿菌培養(yǎng)液均取三支試管作為平行，分別測(cè)定其吸光度值。因此，須對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以獲得平行樣品間的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。具體過(guò)程為：在Book 1中選中B（Y）、C（Y）、D（Y）列后點(diǎn)擊右鍵并點(diǎn)擊“Statistics on Rows”，新得到的E（Y）、F（yEr±）兩列數(shù)據(jù)分別為同一取樣時(shí)間三支大腸桿菌培養(yǎng)液吸光度的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)，以相同方式計(jì)算Book 2中枯草芽孢桿菌培養(yǎng)液數(shù)據(jù)。新建表單Book 3，將計(jì)算得到的不同培養(yǎng)時(shí)間下兩種細(xì)菌培養(yǎng)液的吸光度平均值與標(biāo)準(zhǔn)差復(fù)制到Book 3，并選擇標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)，依次點(diǎn)擊“Set As”“Y Error”將數(shù)據(jù)屬性改為標(biāo)準(zhǔn)差，如圖2所示。

在教學(xué)過(guò)程中，可以讓本科生感受到Origin軟件提供了更高效、更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，計(jì)算過(guò)程更加簡(jiǎn)單快捷——僅須調(diào)用Statistics on Rows即可一次性得到均值與標(biāo)準(zhǔn)差兩個(gè)結(jié)果，對(duì)于批量化處理數(shù)據(jù)效率更高，從而激發(fā)本科生探索高效處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的興趣。

（三）生長(zhǎng)曲線(xiàn)的繪制及優(yōu)化

在Book 3中選中所有列，依次單擊菜單“Plot”“Basic 2D”“Line”“Symbol”，得到細(xì)菌的生長(zhǎng)曲線(xiàn)。對(duì)所得的圖形進(jìn)一步優(yōu)化：雙擊圖中任意一條曲線(xiàn)，在彈出的Plot Properties中設(shè)置圖形參數(shù)。點(diǎn)擊“Group”，將編輯模式選擇為“Independent”，此時(shí)各曲線(xiàn)的參數(shù)可以獨(dú)立設(shè)定。點(diǎn)擊“Line”將兩種細(xì)菌的生長(zhǎng)曲線(xiàn)樣式均設(shè)置為黑色實(shí)線(xiàn)，點(diǎn)擊“Symbol”分別將大腸桿菌和枯草芽孢桿菌生長(zhǎng)曲線(xiàn)中各時(shí)間點(diǎn)培養(yǎng)液吸光值的符號(hào)設(shè)為正方形和圓形，以區(qū)分兩條不同的曲線(xiàn)。雙擊任意坐標(biāo)軸，在彈出的對(duì)話(huà)窗口選擇“Scale”，根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的取樣時(shí)間和所測(cè)的吸光度值調(diào)整坐標(biāo)軸范圍。完成優(yōu)化后的圖形如圖3所示。

通過(guò)課堂環(huán)節(jié)，本科生可以體會(huì)到Origin軟件對(duì)比Excel軟件在作圖上的顯著優(yōu)勢(shì)：它提供的圖形參數(shù)更多，可以更加個(gè)性化選擇圖中坐標(biāo)軸、圖例、線(xiàn)條、點(diǎn)及文字的參數(shù)，另外用Origin軟件得到的非線(xiàn)性數(shù)據(jù)擬合圖形更加精美。

（四）導(dǎo)出圖片

依次單擊菜單“File”“Export graph”，Origin軟件可以提供PNG、JPEG、BMP、TIFF等多種圖像存儲(chǔ)格式，本實(shí)驗(yàn)選擇JPEG格式。分辨率DPI選擇300，輸入文件名選擇存儲(chǔ)位置后點(diǎn)擊“OK”完成圖片的導(dǎo)出。

通過(guò)教學(xué)，本科生可以比較通過(guò)不同軟件作圖后應(yīng)用于其他軟件的方便程度：用Origin軟件制作的圖可以導(dǎo)出為多種格式圖形文件（如JPEG、GIF、TIFF等），以便在其他軟件中插入使用，如本次實(shí)驗(yàn)得到的細(xì)菌生長(zhǎng)曲線(xiàn)圖可以直接導(dǎo)出并插入到實(shí)驗(yàn)報(bào)告Word文檔中，而Excel制作的圖不能直接導(dǎo)出用于其他軟件，從圖片輸出的角度看，Origin軟件更方便。

四、教學(xué)效果評(píng)估

在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，利用等待取樣的碎片時(shí)間通過(guò)教學(xué)所有本科生均可掌握以上Origin操作過(guò)程，一般在5～10分鐘內(nèi)可以完成不同培養(yǎng)時(shí)間吸光度原始數(shù)據(jù)的處理及兩種細(xì)菌生長(zhǎng)曲線(xiàn)的繪制與導(dǎo)出。本科生根據(jù)導(dǎo)出的圖片進(jìn)一步探索細(xì)菌的延遲期、對(duì)數(shù)期、穩(wěn)定期和衰亡期，并通過(guò)生長(zhǎng)曲線(xiàn)比較兩種細(xì)菌生長(zhǎng)繁殖狀態(tài)的異同。

通過(guò)軟件教學(xué)與實(shí)操，本科生可以切身體會(huì)Origin軟件作為專(zhuān)業(yè)科研軟件，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和圖形處理能力，能極大地提高科研工作效率。通過(guò)Origin軟件處理數(shù)據(jù)和作圖的過(guò)程，也激發(fā)了本科生在課堂中的參與度，增強(qiáng)了對(duì)本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解和掌握。本次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，大部分學(xué)生表示有意愿在課后進(jìn)一步學(xué)習(xí)使用Origin軟件，并進(jìn)一步開(kāi)闊視野接觸和學(xué)習(xí)使用更多的專(zhuān)業(yè)科研工具。

結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)生命科學(xué)類(lèi)低年級(jí)本科生在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中遇到的問(wèn)題，在“微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程“細(xì)菌生長(zhǎng)曲線(xiàn)的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中設(shè)計(jì)Origin軟件教學(xué)環(huán)節(jié)，利用實(shí)驗(yàn)過(guò)程中等待取樣的碎片時(shí)間，演示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及圖形繪制過(guò)程。實(shí)踐結(jié)果表明，Origin軟件簡(jiǎn)單易學(xué)，處理數(shù)據(jù)方便快捷且可以避免人工計(jì)算的誤差。Origin軟件制作的圖片精美且能以多種格式導(dǎo)出方便使用，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可視化直觀地呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，方便觀察及分析兩種細(xì)菌的生長(zhǎng)趨勢(shì)，有利于激發(fā)本科生的求知欲和學(xué)習(xí)興趣，提高微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量和本科生的學(xué)習(xí)效果。

對(duì)于高校生命科學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的本科生而言，數(shù)據(jù)處理能力非常重要，將具體微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與計(jì)算機(jī)軟件的教學(xué)相結(jié)合，這一教學(xué)方式符合新形勢(shì)下教育改革的要求，有助于培養(yǎng)本科生的數(shù)據(jù)處理能力、樹(shù)立其認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)態(tài)度，從而提高本科生的綜合科研素養(yǎng)，為其后續(xù)綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)課程和科研工作奠定基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)于微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和教學(xué)質(zhì)量提升提供了有益的探索。

參考文獻(xiàn)

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［3］沈萍，陳向東.微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)［M］.5版.北京：高等教育出版社，2018：108-111.

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［5］楊立云，李宙洋，賈舒麗，等.數(shù)據(jù)處理軟件Excel和Origin在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用：以等摩爾系列法測(cè)定絡(luò)合物不穩(wěn)定常數(shù)為例［J］.廣東化工，2022，49（13）：218-221.

The Application of Origin Software in the Teaching of Practical Microbiology： A Case Study with the

Experiment of Bacterial Growth Curve Measurement

GUO Jia， TANG Ya-li， LEI La-mei， XU De-lin

（College of Life Science and Technology， Jinan University， Guangzhou， Guangdong 510632， China）

Abstract： Aiming at the data processing problems encountered in the teaching of practical microbiology in colleges and universities， this paper takes the experiment of bacterial growth curve measurement as an example， and applys Origin 2022 software to perform data input， data calculation， graphic drawing and insertion of error bars. A quick data processing with simple operations， the avoidance of manual calculation errors and the outcome as visualized graphics by using Origin software have been realized. The introduction of Origin software in teaching allows students to master a professional data analysis and processing software while learning specific microbiology knowledge. The additional skill will help undergraduate students to develop their data processing ability， improve their comprehensive scientific research literacy， and lay the foundation for the data processing work in subsequent experimental courses and research work.

Key words： practical microbiology; Origin; data processing; growth curve; experimental teaching reform