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视频标签：全国高中生物,实验教学,微课视频录像
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视频课题：第五届全国高中生物实验教学微课视频录像《探究培养液中酵母菌种群数量变化》改进实验-深圳
教学设计、课堂实录及教案：第五届全国高中生物实验教学微课视频录像《探究培养液中酵母菌种群数量变化》改进实验-深圳大学师范学院附属中学高中生物
《探究培养液中酵母菌种群数量变化》改进实验教学设计
深大附中 杨丹燕
一、使用教材
人教版高中《生物必修3》第四章第二节。
二、实验器材
1.实验器具：显微镜，血球计数板，恒温培养箱，冰箱，电子天平，锥形瓶，滴管，盖玻片，电脑等。
2.实验试剂及药品：马铃薯培养液，安琪干酵母（超市售），无菌水，亚甲基蓝溶液
三、实验创新要求/改进要点
1.科学探究的能力培养
通过对学生设想的层层引导，提升了学生的实验设计能力；同时因为科学探究是一种综合的能力，其本质是提出问题和解决问题，其核心内涵包括探究的问题、方法、过程、结果和交流。以往的探究往往更多是一种在教师引导下的进行的论证式探究，但在本实验中学生发现和提出了自己的问题，进行开放式的探究，体验真实的探究过程，锻炼了他们的探究、创新和设计能力，并让学生充分体验合作的重要性。通过整个探究过程、学生合作完成了对实验方案的改进，从而突破教学难点。
2.实验方法的创新
同一焦距下不同视野快速调焦法操作简单、效果明显，可以实现几乎所有学生在显微镜下快速找到计数室的网格线和酵母菌菌体。同时该方法发现过程也让学生对生物重要仪器——显微镜结构和原理有了深入的认识。
3.信息技术的合理运用
利用学生本身的计算机编程能力，通过组织学生编辑cell_count软件，用该软件进行计数，使学生不再需要非常费眼神地在显微镜下数细胞，操作简便快速，且细胞计数结果较精确、学生不会因为重复的计数而失去耐心放弃实验。
当采用显微数码互动系统时，学生可以更好地分工，一些组员进行取样拍照、同时照片立马同步到电脑上，另一些组员可以进行照片中细胞的快速计数，节约了实验操作时间。
同时编辑软件过程也让学生充分体验到学科交叉、技术运用对科学问题解决的起到的重要作用。
四、实验原理/实验设计思路
实验原理为血球计数板的使用原理和数学模型的建构。实验设计思路按探究实验的步骤——提出问题、设计实验、进行实验、结果与讨论进行，从课本实验方案问题引入，引导学生对实验的方案设计进行改进。在实验过程中针对学生遇到的调焦、计数方法问题，让学生大胆设想、进行实验方法的创新。
五、实验教学目标
1.知识与技能目标
（1）解释种群数量增长的一般规律。
（2）说明建构种群数量增长数学模型的方法。
2.过程与方法目标
（1）掌握在显微镜下对酵母菌进行抽样检测的方法。
（2）尝试建立酵母菌种群数量增长的数学模型。
（3）探究实验方案的改进。
3.情感、态度与价值观目标
激发科学探究的兴趣，培养严谨、创新的科研精神。
六、实验教学内容
包括血球计数板的使用、计数方法和注意事项以及以下3个探究过程：
1.探究一：实验方案优化——统计数量变化更节约时间。
2.探究二：改进调焦方法——在显微镜下快速找到计数室和菌体。
3.探究三：改进计数方法——简单快速地统计菌体数量。
七、实验教学过程
（一）提出问题
1.基础知识讲授
教师首先教授血球计数板的使用方法，如何在显微镜下进行计数，包括选取几个中方格，取样时应注意“取上不取下、取左不取右”和公式换算等基本知识点。
设计意图：帮助学生建立知识基础。
2.提出问题
教师：“课本第69页提到的实验方案是首先通过显微镜观察，估算出10ml培养液中酵母菌的初始浓度，在此之后连续观察7天，分别记录下这7天的数值（展示下图1）。如果这么计数，实验很费时间，大家能否优化课本的实验方案？”让学生充分讨论问题，讨论过程教师进行适当引导，并鼓励学生提出自己的创新设想。
图1 课本实验方案流程图
设计意图：通过问题驱动学生思考，激发学生进行科学探究的兴趣。
（二）设计实验
1.探究一：实验方案优化——统计数量变化更节约时间。
（1）提出猜想
讨论过程中，有学生提出猜想。
学生：“能否像低温诱导洋葱根尖细胞染色体数目加倍实验一样，采用加固定液的方法？也就是将同一批酵母菌培养液分为7组后，每天在固定时间将酵母菌固定，活的酵母菌都死了，数量就不再增长了，然后最后一天同时取出所有组的酵母菌培养液进行计数，这样就可以实现在短期内同时计算多组酵母菌培养液的数量，方便实验操作。”（如下图2）
图2 学生初步猜想
（2）质疑猜想
教师：“酵母培养液中本来就有一些细菌，一些活菌，如果用固定液把它们都杀死了，固定结果统计的是总菌数还是活菌数？”
学生：“总菌数。”
教师：“计算种群数量变化应该用总菌数还是活菌数？”学生不易想出，教师用生活实例进行类比：“人口增长率用活着的人口还是算上死去人口？”
学生：“用活着的人口。所以计算种群数量变化应该用活菌数。”
教师：“如果用固定液把酵母菌全部杀死了，如何准确判断每个时间点的活的酵母菌数？”于是他们又陷入了思考。
（3）修订猜想
教师想到并补充提示：“不过倒是有一个办法让酵母菌不繁殖，那就是把酵母菌放在4℃冰箱中，所以刚刚xx同学提出的这个方案也可以改一下然后采用呢！应该怎么改？”
学生：“老师，把原来的固定液固定杀死改为4℃环境下培养。这样就可以不用每天都计数，又可以只统计活菌数。”
教师：“那如何鉴定死细胞和活细胞？大家回忆必修一中我们是如何鉴定活细胞和死细胞？”
学生：“可以用台盼蓝染色，死细胞膜的通透性会改变，染色剂可以进入被染成蓝色，但是活细胞染色剂进不去因此呈现无色。”
教师：“很好！不过我们染酵母菌通常用亚甲基蓝[2]，效果好点，它跟台盼蓝染色原理是一样的。”
图3 酵母菌亚甲基蓝染色结果
设计意图：通过对学生提出的设想层层引导，不断启发学生思考、利用学生已有知识和部分学生的特长，从而帮助学生设计、改进实验方案，运用已有概念知识解决实际问题。
（4）初次实验受阻，再次修订
课后学生首先用活性干酵母（超市售）进行了酵母菌的培养，但发现经过三天后，酵母菌的数量大大增加，两天后其数量就可以达到稳定。教师提示学生查阅资料发现原因。学生通过查阅资料，在李勤的“三种酵母菌生长曲线的对比研究”论文中发现，活性干酵母菌的生长周期确实并没有一天那么长，大约是2h就分裂一次，其生长曲线为0-4h为迟缓期，4-20h为对数期，20-32h为稳定期[3]，于是学生再次修订了实验方案。
最后学生确定实验方案如下：
图4 优化实验方案流程图
①配置菌液：配置马铃薯培养液，高压蒸汽灭菌；取安琪干酵母（超市售），用培养液配置酵母菌液（酵母浓度为0.3%）并于培养箱（35℃）中培养12h，活化酵母。
②获得不同培养时间的酵母菌液：将酵母菌液分为8组，在35℃条件下分别培养0h，4h，8h，12h，16h，20h，24h，28h后，再取出放在4℃冰箱中。
③计数：分别从8组培养液中取出少量菌液，课上学生共同计数（视情况进行稀释）。计数时注意取部分样品进行亚甲基蓝染色、置于普通载玻片上统计死菌所占比例。同时取样品于血球计数板上进行总菌计数。
④收集数据填表，公式换算，建立曲线。
设计意图：学生实验过程总会遇到各种各样的问题，教师引导学生通过查阅资料的方法解决问题，从而不断优化实验方案，提升学生解决问题的能力。激发科学探究的兴趣的同时，培养严谨、创新的科研精神，实现情感目标。
2.探究二：改进调焦方法——在显微镜下快速找到计数室和菌体。
（1）提出问题2
学生在课上初次尝试血球计数板的使用时，发现实验存在的第二个问题：即使用较小光圈和较暗视野，在显微镜视野中找到血球计数板的网格线和酵母菌菌体依然比较困难，大概只有不到1/4的同学在显微镜下找到血球计数板的网格线和酵母菌菌体。对于学生提出的问题，教师鼓励其积极思考。
（2）知识补充
教师：“有没有什么办法可以对实验方法进行改进，从而解决问题？”
有学生问：“老师显微镜是怎么成像的啊？”
教师进一步向学生讲授了显微镜的原理和构造。
教师：“因为显微镜的成像是根据凸透镜的成像原理，要经过凸透镜的两次成像（如图5）。第一次先经过物镜（凸透镜1）成像，这时候的物体应该在物镜的一倍焦距和两倍焦距之间。然后以第一次成的物像作为“物体”，经过目镜（凸透镜2）的第二次成像。”并引导学生从显微镜的成像原理着手，思考问题。学生通过教师讲授后发现，寻找血球计数板的
（3）讨论及操作
网格线和酵母菌菌体困难主要是因为调焦存在困难，通过与教师多番讨论后，有学生提出了一个很棒的解决办法。
学生：“可以选取跟酵母菌处在几乎同一焦距点的血球计数板的其它位置，并且是容易在显微镜下识别的有印刷文字的位置（如图6）。然后再将有印刷文字的位置在低倍镜下先对准通光孔进行调焦（如图7），在目镜中看清楚印刷文字（如图8）。然后移动血球计数板，使通光孔正对计数室（如图9），轻轻旋转细准焦螺旋，就可以很快在视野中找到网格线和酵母菌接近透明的菌体（如图10）！”并且学生自豪地命名这个方法叫“同一焦距下不同视野快速调焦法”。
图6 选取对焦视野（圆圈内文字）
图7 印刷文字对准通光孔 图8 目镜中清楚的印刷文字
图9 计数室对准通光孔
图10 同一焦距下不同视野快速调焦法实验结果
（4）改进及展示
教师拍照并让学生在课上进行展示，然后全班在课上尝试新的调焦方法，发现原来只能有不到1/4学生能够快速找到血球计数板的计数室和酵母菌菌体（如图11），改进方法后可以实现几乎所有学生都能快速找到血球计数板的计数室和酵母菌菌体（如图12）。
图11 原采用一般调焦方法
（32名学生中仅7名举手示意找到计数室和酵母菌菌体）
图12 改进后采用同一焦距下不同视野快速调焦法
（32名学生几乎全部举手示意找到计数室和酵母菌菌体）
设计意图：对于学生在实验中遇到的问题，教师先给学生提供知识的脚手架，帮助他们建立知识基础，并鼓励他们用知识解决问题。从而培养学生的知识运用能力、创新能力等。
3.探究三：改进计数方法——简单快速地统计菌体数量。
（1）提出问题
课上在显微镜下对酵母菌菌体进行初次观察时，学生发现了实验存在的第3个问题：在显微镜下进行酵母菌的种群数量统计更困难，感觉非常费眼神，且易出错、容易失去耐心放弃实验。
（2）提出设想
于是班里面热爱计算机编程的几个学生讨论后开始大胆设想：“能否用计算机软件对图片上的酵母菌数量进行统计呢？”
（3）专业帮助
学生想法一提出，教师就予以肯定和大力支持。教师让他们组成了一个探究小组，课后为其请到了一名生物细胞计数软件开发的专业人员，由班里编程基础较好的学生与软件开发专业人员学习，设计了一款可以快速计算图片上酵母菌细胞的软件“cell_count”（图13）。该软件可以在任何一部64位的电脑安装，没有特殊的硬件条件要求。
图13 学生进行软件编程
（4）编程及改进
该软件是用MATLAB软件把其他的细胞计数软件改编而成。一开始开发的软件操作麻烦，需要先选定细胞检测其RGB值，再输入RGB值进行计数，因为不同细胞RGB值不太一样，所以计数不精准、只能识别整张图片但无法选择特定区域进行计数等（如图14）。
图14初始cell_count软件操作界面、操作结果
专业技术人员提出的建议是可以设计软件自动调整图片颜色后识别细胞进行计数。最后在小组成员的不断改进中，该软件可以精准识别图片上的细胞，选定某个区域进行快速计数，且操作简便。
那么我们应该选择大方格进行计数还是中方格呢？教师组织同学们进行了激烈的讨论和多次尝试实验，发现大方格计数要在低倍镜下取图片，图片上细胞太小容易导致计数不精准，同时为了使同学们充分地体验抽样检测法，学生最终决定不设计软件用于计算整个大方格中的酵母菌细胞，而是选取大方格中的5个中方格，使用该软件计数每个中方格中酵母菌的数目，再用公式算出培养液中酵母菌的数量。
使用该软件进行计数的过程可以简单概括为三步：①点击“读图”→②点击“截图”，选取中方格→③得到细胞数。具体操作过程如下：
①点击“读图”：直接在低倍镜下观察计数室中的酵母菌细胞，找到要取样的五个中方格，转到高倍镜下，调整细准焦螺旋，用显微数码互动系统或手机拍照，一次性保存多个多个样本图片。然后导入电脑，打开软件（如图15），点击“读图”，选择一张图片，系统首先自动进行图片颜色调整，再自动识别和读取整张图片中的酵母菌细胞（如图16）。
②点击“截图”：识别和读取中方格中酵母菌的数量。截图中方格时注意“取上不取下，取左不取右”（如图17，取右下边）。
③得到细胞数：由软件左上角数值显示直接读出该中方格中的酵母菌数量。得到多个中方格的数据后，再通过统计、公式计算得出培养液中酵母菌的数量。
图16 识别整张图片中的酵母菌细胞
图17 截图识别中方格中酵母菌的数量（数量为33）
设计意图：对于学生在实验中遇到的问题，教师鼓励他们大胆设想、创造性解决。特别是一些有特殊才能的学生，教师帮助他们请来专业人员指导，给他们提供丰富的学习资源，让他们的技能在生物学习上得意运用。通过帮助全班同学解决实验存在的问题，也可以提高特殊才能学生生物学习的兴趣，让他们体会学科交叉的优势。同时软件的设计过程也让其掌握在显微镜下对酵母菌进行抽样检测的方法，实现方法目标。
（三）进行实验
最后，学生用新的调焦方法、计数方法和新的方案实验，得出了0-28h内酵母菌的数量，建构了酵母菌种群数量变化的数学模型（如图18）。
（四）分析结果，得出结论
教师引导学生分析酵母菌的种群数量增长模型，可以分为三个时期：迟缓期、对数期、稳定期。并提问：哪些因素会影响酵母菌种群数量的变化？引导学生从温度、pH值、营养和氧气等角度进行具体分析：
迟缓期：营养和氧气等充足，pH值等条件适宜，酵母菌代谢活跃；
对数期：营养和氧气等充足，pH值等条件适宜，酵母菌代谢旺盛，繁殖速度快；
稳定期：营养和氧气不足，有害代谢产物积累，pH值较低，新增酵母菌数目与死亡酵母菌数目达到动态平衡。
从而实现“解释种群数量增长的一般规律”的知识目标，突出教学重点。
（五）表达和交流
让学生对整个数学模型建构和实验方法改进的过程进行了总结和反思，交流他们改进实现过程的成功与失败原因，从而实现“说明建构种群数量增长数学模型的方法”的知识目标、“尝试建立酵母菌种群数量增长的数学模型”和“探究实验方案的改进”过程目标。
八、实验效果评价
1.科学方法的训练
学生用改良版方案完成了酵母菌种群数量变化的实验过程，建构了酵母菌种群数量增长模型，充分训练了模型建构、显微观察、微生物的实验室培养和抽样检测等科学方法，对种群数量增长的一般规律也有了深入的理解。
2. 生物学概念和方法的巩固
在这个过程中，学生充分体验了科学探究需要严谨的设计，比如个别学生忘记酵母菌的代谢类型为兼性厌氧型，培养基瓶口密封以至于酵母菌进行酒精发酵，实验失败。还有学生没有设计好酵母菌培养的初始浓度，以至于菌液太浓、计数困难等。通过实验的失败体验，学生更好地理解生物实验需要充分查阅资料、同时也更深入理解课本的生物学概念和方法。
参考文献
[1] 贺稚非,李洪军,任俊琦. 发酵蔬菜低温贮藏酵母菌动态变化研究[J]. 食品科学,2011,32(13):165-168.
[2] 丁傅. 关于“使用血球计数板对酵母菌进行计数”的问题探讨[J]. 中学生物学,2012,28(11):44-46.
[3] 李勤. 三种酵母菌生长曲线的对比研究[J]. 食品与发酵科技,2014,
50(04):39-41+55.
视频来源：优质课网 www.youzhik.com
