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視頻標簽：全國高中生物,實驗教學,微課視頻錄像
所屬欄目：模擬課、微型課及試講
視頻課題：第五屆全國高中生物實驗教學微課視頻錄像《探究培養液中酵母菌種群數量變化》改進實驗-深圳
教學設計、課堂實錄及教案：第五屆全國高中生物實驗教學微課視頻錄像《探究培養液中酵母菌種群數量變化》改進實驗-深圳大學師范學院附屬中學高中生物
《探究培養液中酵母菌種群數量變化》改進實驗教學設計
深大附中 楊丹燕
一、使用教材
人教版高中《生物必修3》第四章第二節。
二、實驗器材
1.實驗器具：顯微鏡，血球計數板，恒溫培養箱，冰箱，電子天平，錐形瓶，滴管，蓋玻片，電腦等。
2.實驗試劑及藥品：馬鈴薯培養液，安琪干酵母（超市售），無菌水，亞甲基藍溶液
三、實驗創新要求/改進要點
1.科學探究的能力培養
通過對學生設想的層層引導，提升了學生的實驗設計能力；同時因為科學探究是一種綜合的能力，其本質是提出問題和解決問題，其核心內涵包括探究的問題、方法、過程、結果和交流。以往的探究往往更多是一種在教師引導下的進行的論證式探究，但在本實驗中學生發現和提出了自己的問題，進行開放式的探究，體驗真實的探究過程，鍛煉了他們的探究、創新和設計能力，并讓學生充分體驗合作的重要性。通過整個探究過程、學生合作完成了對實驗方案的改進，從而突破教學難點。
2.實驗方法的創新
同一焦距下不同視野快速調焦法操作簡單、效果明顯，可以實現幾乎所有學生在顯微鏡下快速找到計數室的網格線和酵母菌菌體。同時該方法發現過程也讓學生對生物重要儀器——顯微鏡結構和原理有了深入的認識。
3.信息技術的合理運用
利用學生本身的計算機編程能力，通過組織學生編輯cell_count軟件，用該軟件進行計數，使學生不再需要非常費眼神地在顯微鏡下數細胞，操作簡便快速，且細胞計數結果較精確、學生不會因為重復的計數而失去耐心放棄實驗。
當采用顯微數碼互動系統時，學生可以更好地分工，一些組員進行取樣拍照、同時照片立馬同步到電腦上，另一些組員可以進行照片中細胞的快速計數，節約了實驗操作時間。
同時編輯軟件過程也讓學生充分體驗到學科交叉、技術運用對科學問題解決的起到的重要作用。
四、實驗原理/實驗設計思路
實驗原理為血球計數板的使用原理和數學模型的建構。實驗設計思路按探究實驗的步驟——提出問題、設計實驗、進行實驗、結果與討論進行，從課本實驗方案問題引入，引導學生對實驗的方案設計進行改進。在實驗過程中針對學生遇到的調焦、計數方法問題，讓學生大膽設想、進行實驗方法的創新。
五、實驗教學目標
1.知識與技能目標
（1）解釋種群數量增長的一般規律。
（2）說明建構種群數量增長數學模型的方法。
2.過程與方法目標
（1）掌握在顯微鏡下對酵母菌進行抽樣檢測的方法。
（2）嘗試建立酵母菌種群數量增長的數學模型。
（3）探究實驗方案的改進。
3.情感、態度與價值觀目標
激發科學探究的興趣，培養嚴謹、創新的科研精神。
六、實驗教學內容
包括血球計數板的使用、計數方法和注意事項以及以下3個探究過程：
1.探究一：實驗方案優化——統計數量變化更節約時間。
2.探究二：改進調焦方法——在顯微鏡下快速找到計數室和菌體。
3.探究三：改進計數方法——簡單快速地統計菌體數量。
七、實驗教學過程
（一）提出問題
1.基礎知識講授
教師首先教授血球計數板的使用方法，如何在顯微鏡下進行計數，包括選取幾個中方格，取樣時應注意“取上不取下、取左不取右”和公式換算等基本知識點。
設計意圖：幫助學生建立知識基礎。
2.提出問題
教師：“課本第69頁提到的實驗方案是首先通過顯微鏡觀察，估算出10ml培養液中酵母菌的初始濃度，在此之后連續觀察7天，分別記錄下這7天的數值（展示下圖1）。如果這么計數，實驗很費時間，大家能否優化課本的實驗方案？”讓學生充分討論問題，討論過程教師進行適當引導，并鼓勵學生提出自己的創新設想。
圖1 課本實驗方案流程圖
設計意圖：通過問題驅動學生思考，激發學生進行科學探究的興趣。
（二）設計實驗
1.探究一：實驗方案優化——統計數量變化更節約時間。
（1）提出猜想
討論過程中，有學生提出猜想。
學生：“能否像低溫誘導洋蔥根尖細胞染色體數目加倍實驗一樣，采用加固定液的方法？也就是將同一批酵母菌培養液分為7組后，每天在固定時間將酵母菌固定，活的酵母菌都死了，數量就不再增長了，然后最后一天同時取出所有組的酵母菌培養液進行計數，這樣就可以實現在短期內同時計算多組酵母菌培養液的數量，方便實驗操作。”（如下圖2）
圖2 學生初步猜想
（2）質疑猜想
教師：“酵母培養液中本來就有一些細菌，一些活菌，如果用固定液把它們都殺死了，固定結果統計的是總菌數還是活菌數？”
學生：“總菌數。”
教師：“計算種群數量變化應該用總菌數還是活菌數？”學生不易想出，教師用生活實例進行類比：“人口增長率用活著的人口還是算上死去人口？”
學生：“用活著的人口。所以計算種群數量變化應該用活菌數。”
教師：“如果用固定液把酵母菌全部殺死了，如何準確判斷每個時間點的活的酵母菌數？”于是他們又陷入了思考。
（3）修訂猜想
教師想到并補充提示：“不過倒是有一個辦法讓酵母菌不繁殖，那就是把酵母菌放在4℃冰箱中，所以剛剛xx同學提出的這個方案也可以改一下然后采用呢！應該怎么改？”
學生：“老師，把原來的固定液固定殺死改為4℃環境下培養。這樣就可以不用每天都計數，又可以只統計活菌數。”
教師：“那如何鑒定死細胞和活細胞？大家回憶必修一中我們是如何鑒定活細胞和死細胞？”
學生：“可以用臺盼藍染色，死細胞膜的通透性會改變，染色劑可以進入被染成藍色，但是活細胞染色劑進不去因此呈現無色。”
教師：“很好！不過我們染酵母菌通常用亞甲基藍[2]，效果好點，它跟臺盼藍染色原理是一樣的。”
圖3 酵母菌亞甲基藍染色結果
設計意圖：通過對學生提出的設想層層引導，不斷啟發學生思考、利用學生已有知識和部分學生的特長，從而幫助學生設計、改進實驗方案，運用已有概念知識解決實際問題。
（4）初次實驗受阻，再次修訂
課后學生首先用活性干酵母（超市售）進行了酵母菌的培養，但發現經過三天后，酵母菌的數量大大增加，兩天后其數量就可以達到穩定。教師提示學生查閱資料發現原因。學生通過查閱資料，在李勤的“三種酵母菌生長曲線的對比研究”論文中發現，活性干酵母菌的生長周期確實并沒有一天那么長，大約是2h就分裂一次，其生長曲線為0-4h為遲緩期，4-20h為對數期，20-32h為穩定期[3]，于是學生再次修訂了實驗方案。
最后學生確定實驗方案如下：
圖4 優化實驗方案流程圖
①配置菌液：配置馬鈴薯培養液，高壓蒸汽滅菌；取安琪干酵母（超市售），用培養液配置酵母菌液（酵母濃度為0.3%）并于培養箱（35℃）中培養12h，活化酵母。
②獲得不同培養時間的酵母菌液：將酵母菌液分為8組，在35℃條件下分別培養0h，4h，8h，12h，16h，20h，24h，28h后，再取出放在4℃冰箱中。
③計數：分別從8組培養液中取出少量菌液，課上學生共同計數（視情況進行稀釋）。計數時注意取部分樣品進行亞甲基藍染色、置于普通載玻片上統計死菌所占比例。同時取樣品于血球計數板上進行總菌計數。
④收集數據填表，公式換算，建立曲線。
設計意圖：學生實驗過程總會遇到各種各樣的問題，教師引導學生通過查閱資料的方法解決問題，從而不斷優化實驗方案，提升學生解決問題的能力。激發科學探究的興趣的同時，培養嚴謹、創新的科研精神，實現情感目標。
2.探究二：改進調焦方法——在顯微鏡下快速找到計數室和菌體。
（1）提出問題2
學生在課上初次嘗試血球計數板的使用時，發現實驗存在的第二個問題：即使用較小光圈和較暗視野，在顯微鏡視野中找到血球計數板的網格線和酵母菌菌體依然比較困難，大概只有不到1/4的同學在顯微鏡下找到血球計數板的網格線和酵母菌菌體。對于學生提出的問題，教師鼓勵其積極思考。
（2）知識補充
教師：“有沒有什么辦法可以對實驗方法進行改進，從而解決問題？”
有學生問：“老師顯微鏡是怎么成像的啊？”
教師進一步向學生講授了顯微鏡的原理和構造。
教師：“因為顯微鏡的成像是根據凸透鏡的成像原理，要經過凸透鏡的兩次成像（如圖5）。第一次先經過物鏡（凸透鏡1）成像，這時候的物體應該在物鏡的一倍焦距和兩倍焦距之間。然后以第一次成的物像作為“物體”，經過目鏡（凸透鏡2）的第二次成像。”并引導學生從顯微鏡的成像原理著手，思考問題。學生通過教師講授后發現，尋找血球計數板的
（3）討論及操作
網格線和酵母菌菌體困難主要是因為調焦存在困難，通過與教師多番討論后，有學生提出了一個很棒的解決辦法。
學生：“可以選取跟酵母菌處在幾乎同一焦距點的血球計數板的其它位置，并且是容易在顯微鏡下識別的有印刷文字的位置（如圖6）。然后再將有印刷文字的位置在低倍鏡下先對準通光孔進行調焦（如圖7），在目鏡中看清楚印刷文字（如圖8）。然后移動血球計數板，使通光孔正對計數室（如圖9），輕輕旋轉細準焦螺旋，就可以很快在視野中找到網格線和酵母菌接近透明的菌體（如圖10）！”并且學生自豪地命名這個方法叫“同一焦距下不同視野快速調焦法”。
圖6 選取對焦視野（圓圈內文字）
圖7 印刷文字對準通光孔 圖8 目鏡中清楚的印刷文字
圖9 計數室對準通光孔
圖10 同一焦距下不同視野快速調焦法實驗結果
（4）改進及展示
教師拍照并讓學生在課上進行展示，然后全班在課上嘗試新的調焦方法，發現原來只能有不到1/4學生能夠快速找到血球計數板的計數室和酵母菌菌體（如圖11），改進方法后可以實現幾乎所有學生都能快速找到血球計數板的計數室和酵母菌菌體（如圖12）。
圖11 原采用一般調焦方法
（32名學生中僅7名舉手示意找到計數室和酵母菌菌體）
圖12 改進后采用同一焦距下不同視野快速調焦法
（32名學生幾乎全部舉手示意找到計數室和酵母菌菌體）
設計意圖：對于學生在實驗中遇到的問題，教師先給學生提供知識的腳手架，幫助他們建立知識基礎，并鼓勵他們用知識解決問題。從而培養學生的知識運用能力、創新能力等。
3.探究三：改進計數方法——簡單快速地統計菌體數量。
（1）提出問題
課上在顯微鏡下對酵母菌菌體進行初次觀察時，學生發現了實驗存在的第3個問題：在顯微鏡下進行酵母菌的種群數量統計更困難，感覺非常費眼神，且易出錯、容易失去耐心放棄實驗。
（2）提出設想
于是班里面熱愛計算機編程的幾個學生討論后開始大膽設想：“能否用計算機軟件對圖片上的酵母菌數量進行統計呢？”
（3）專業幫助
學生想法一提出，教師就予以肯定和大力支持。教師讓他們組成了一個探究小組，課后為其請到了一名生物細胞計數軟件開發的專業人員，由班里編程基礎較好的學生與軟件開發專業人員學習，設計了一款可以快速計算圖片上酵母菌細胞的軟件“cell_count”（圖13）。該軟件可以在任何一部64位的電腦安裝，沒有特殊的硬件條件要求。
圖13 學生進行軟件編程
（4）編程及改進
該軟件是用MATLAB軟件把其他的細胞計數軟件改編而成。一開始開發的軟件操作麻煩，需要先選定細胞檢測其RGB值，再輸入RGB值進行計數，因為不同細胞RGB值不太一樣，所以計數不精準、只能識別整張圖片但無法選擇特定區域進行計數等（如圖14）。
圖14初始cell_count軟件操作界面、操作結果
專業技術人員提出的建議是可以設計軟件自動調整圖片顏色后識別細胞進行計數。最后在小組成員的不斷改進中，該軟件可以精準識別圖片上的細胞，選定某個區域進行快速計數，且操作簡便。
那么我們應該選擇大方格進行計數還是中方格呢？教師組織同學們進行了激烈的討論和多次嘗試實驗，發現大方格計數要在低倍鏡下取圖片，圖片上細胞太小容易導致計數不精準，同時為了使同學們充分地體驗抽樣檢測法，學生最終決定不設計軟件用于計算整個大方格中的酵母菌細胞，而是選取大方格中的5個中方格，使用該軟件計數每個中方格中酵母菌的數目，再用公式算出培養液中酵母菌的數量。
使用該軟件進行計數的過程可以簡單概括為三步：①點擊“讀圖”→②點擊“截圖”，選取中方格→③得到細胞數。具體操作過程如下：
①點擊“讀圖”：直接在低倍鏡下觀察計數室中的酵母菌細胞，找到要取樣的五個中方格，轉到高倍鏡下，調整細準焦螺旋，用顯微數碼互動系統或手機拍照，一次性保存多個多個樣本圖片。然后導入電腦，打開軟件（如圖15），點擊“讀圖”，選擇一張圖片，系統首先自動進行圖片顏色調整，再自動識別和讀取整張圖片中的酵母菌細胞（如圖16）。
②點擊“截圖”：識別和讀取中方格中酵母菌的數量。截圖中方格時注意“取上不取下，取左不取右”（如圖17，取右下邊）。
③得到細胞數：由軟件左上角數值顯示直接讀出該中方格中的酵母菌數量。得到多個中方格的數據后，再通過統計、公式計算得出培養液中酵母菌的數量。
圖16 識別整張圖片中的酵母菌細胞
圖17 截圖識別中方格中酵母菌的數量（數量為33）
設計意圖：對于學生在實驗中遇到的問題，教師鼓勵他們大膽設想、創造性解決。特別是一些有特殊才能的學生，教師幫助他們請來專業人員指導，給他們提供豐富的學習資源，讓他們的技能在生物學習上得意運用。通過幫助全班同學解決實驗存在的問題，也可以提高特殊才能學生生物學習的興趣，讓他們體會學科交叉的優勢。同時軟件的設計過程也讓其掌握在顯微鏡下對酵母菌進行抽樣檢測的方法，實現方法目標。
（三）進行實驗
最后，學生用新的調焦方法、計數方法和新的方案實驗，得出了0-28h內酵母菌的數量，建構了酵母菌種群數量變化的數學模型（如圖18）。
（四）分析結果，得出結論
教師引導學生分析酵母菌的種群數量增長模型，可以分為三個時期：遲緩期、對數期、穩定期。并提問：哪些因素會影響酵母菌種群數量的變化？引導學生從溫度、pH值、營養和氧氣等角度進行具體分析：
遲緩期：營養和氧氣等充足，pH值等條件適宜，酵母菌代謝活躍；
對數期：營養和氧氣等充足，pH值等條件適宜，酵母菌代謝旺盛，繁殖速度快；
穩定期：營養和氧氣不足，有害代謝產物積累，pH值較低，新增酵母菌數目與死亡酵母菌數目達到動態平衡。
從而實現“解釋種群數量增長的一般規律”的知識目標，突出教學重點。
（五）表達和交流
讓學生對整個數學模型建構和實驗方法改進的過程進行了總結和反思，交流他們改進實現過程的成功與失敗原因，從而實現“說明建構種群數量增長數學模型的方法”的知識目標、“嘗試建立酵母菌種群數量增長的數學模型”和“探究實驗方案的改進”過程目標。
八、實驗效果評價
1.科學方法的訓練
學生用改良版方案完成了酵母菌種群數量變化的實驗過程，建構了酵母菌種群數量增長模型，充分訓練了模型建構、顯微觀察、微生物的實驗室培養和抽樣檢測等科學方法，對種群數量增長的一般規律也有了深入的理解。
2. 生物學概念和方法的鞏固
在這個過程中，學生充分體驗了科學探究需要嚴謹的設計，比如個別學生忘記酵母菌的代謝類型為兼性厭氧型，培養基瓶口密封以至于酵母菌進行酒精發酵，實驗失敗。還有學生沒有設計好酵母菌培養的初始濃度，以至于菌液太濃、計數困難等。通過實驗的失敗體驗，學生更好地理解生物實驗需要充分查閱資料、同時也更深入理解課本的生物學概念和方法。
參考文獻
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[2] 丁傅. 關于“使用血球計數板對酵母菌進行計數”的問題探討[J]. 中學生物學,2012,28(11):44-46.
[3] 李勤. 三種酵母菌生長曲線的對比研究[J]. 食品與發酵科技,2014,
50(04):39-41+55.
視頻來源：優質課網 www.jixiangsibao.com
