《培养液中酵母菌种群数量的变化》 教学设计

“探究·实践”培养液中酵母菌种群数量的变化铜陵市第一中学滕艳课标和教材分析“探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化”是人教版普通高中必修模块3《稳态与环境》第4章第二节“种群数量的变化”教学内容中安排的一个“探究性”实验活动。2017年版课程标准关于本实验的指导思想是“尝试建立数学模型解释种群数量的变动”；本实验相关的学业要求：运用数学模型表征种群数量变化的规律，分析和解释影响这一变化规律的因素，并应用于相关实践活动中。本活动旨在让学生通过对培养液中酵母菌种群数量进行连续的观察，统计数据，建立数学模型，绘制酵母菌种群数量变化曲线，达成探究种群数量变化规律的目的。本活动涉及微生物培养、抽样检测法、显微观察法、模型构建法等，综合性强难度大，主要表现在培养条件和实验方法的探索与完善、数据的获取和分析、概念的归纳概括等方面，这些都需要较高的科学思维和科学探究素养水平。二、学情分析高二学生已经能够胜任收集、整理、分析资料的工作。具有一定的数学理论基础，对运用数学方法解决生物学中的问题已有了一定经验，例如“温度或ph影响酶活力曲线”等且了解建立数学模型的一般步骤。本活动通过学生自己采集数据构建并分析模型，让学生亲历建立数学模型的过程。本活动综合性较强，在学生进行科学探究过程中，涉及微生物培养，抽样检测法，显微观察以及模型建构等方法，其中微生物的培养和抽样检测中血细胞计数板的使用学生之前没有接触，需要在活动中进行培训。三、学习目标通过完成“培养液中酵母菌种群数量的变化”的探究实践活动，来达到的学习目标：培养学生针对特定生物现象进行观察、提问、实验设计、方案实施和对结果交流和讨论的科学探究能力。掌握利用血细胞计数板计数酵母菌种群数量的方法。基于实验数据，运用统计学、模型与建模、批判性思维等方法阐释生命规律。提高团队合作能力，培养学生尊重事实和证据，严谨求实、坚持不懈的科学态度。四、重点和难点学习重点：1、血细胞计数板计数酵母菌2、尝试建立酵母菌种群数量变化的数学模型学习难点：1、血细胞球计数板的使用2、利用建立的数学模型分析种群种群数量变化五、开放性学习环境课前，借助翻转课堂完成预实验。课中在实验室进行血细胞计数板计数酵母菌操作，利用金山软件发布EXCEL数据采集表格，借助QQ软件即时录入数据，利用EXCEL软件拟合处理数据，转化曲线分析。教学过程本实验基于单元整体教学设计，聚焦重要概念，统领本章节种群相关知识的学习。教学流程如下：创设情境、分析核心问题、学生自主合作探究、构建数学模型、解释模型并运用模型。创设情境、引入问题：通过第一课时学会建构数学模型表征生物种群数量的变化，建构的数学模型需要经历实验或观察的检验，明确本探究·实践活动的必要性，从而引入本节课题：“探究培养液中酵母菌种群数量的变化”。分析核心问题：本节的核心问题是种群数量变化因素及影响规律，以酵母菌培养为例，分析活动涉及的重要环节题有培养酵母菌、计数酵母菌。学生自主合作探究：课前查阅资料并整理教师布置学生课前查阅相关的资料文献，了解酵母菌的繁殖和代谢特点，课上进行交流讨论，统一培养酵母菌的条件，包括培养温度、ph、培养液的营养条件等。教师进行微生物培养、无菌操作、血细胞计数板使用等相关培训。设计实施并完善实验方案以小组为单位，设计实验方案，小组间交流讨论初步制定方案。通过实施方案不断解决实验过程中的生成性问题，最终完善实验方案（见附件1）。主要问题如下：问题1：按照教材建议每天定时计数，实验全过程耗时长，不符合教学实际。解决方案：同时接种，每隔一天定时将一组酵母菌培养液放入4℃冰箱冷藏，七天后同时得到分别培养了不同天数的酵母菌培养液，再统一安排时间各组同时计数。这样也能避免因多次取样而造成培养液体积的改变。问题2：普通显微镜难以同时找到网格和酵母菌进行计数。解决方案：1、借助数码显微镜和显微软件投屏。但学校数码显微镜数量有限，学生只能轮流计数，耗时长。2、延长沉降时间（3~5分钟），更容易同时在光学显微镜下观察到计数网格和酵母菌。3、利用手机拍照，记录显微视野，方便计数。这样使得学生利用普通光学显微镜就可以完成对酵母菌的计数，大大提高计数效率，使实验更易展开。问题3：教材建议培养时间结果与预期相差较多。解决方案：学生预实验的结果是酵母菌种群数量在第一天已达到最峰值，与预期不符。学生分析原因可能与酵母菌自身繁殖速度、初始接种量以及培养液的体积等都有关。通过分析结果以及查阅文献，我们确定将酵母菌连续培养的时间缩短为12小时，每隔2小时取样计数。问题4：死亡的酵母菌影响实验结果的准确性。解决方案：计数前补充美蓝染色法区分活细胞与死细胞。构建数学模型通过对培养不同时间的酵母菌种群进行计数，收集分析数据，建构模型是本活动最重要、最核心的环节。通过解决问题1让同时计数培养不同时间的酵母菌成为可能。解决问题让所有学生都能同时计数，大大提高了计数的效率。为了能在一节课完成计数、收集分析数据，建构模型的活动，我们还需要解决如下问题：问题5数据收集慢，容易出现计算错误。解决方案：利用金山软件在线编辑功能发布EXCEL数据采集表格至QQ中，学生使用收集在QQ中即时录入数据，再利用EXCEL软件函数功能在表格中建立公式自动计算出100ml培养液中的酵母菌数量，避免因计算错误而引入误差。解释模型并运用模型学生根据建构的曲线分析并解释所呈现的生物种群数量变化规律，运用模型呈现的酵母菌种群变化规律进一步提出可继续研究的问题，继续探究。学生积极思考，思维发散，提出很多值得继续研究的问题。教学感悟本节课通过解决实验过程中各种生成性问题，不断调整和完善实验方案，培养学生坚持不懈的科学精神。通过低温保存样品实现对培养不同时间的酵母菌进行同时计数，大大缩短实验时长。补充美蓝染色的步骤，使实验结果更接近酵母菌的真实变化规律。通过多种方法记录图像方便计数，缩短计数时间，提高计数准确率。解决普通显微镜计数难的问题，使实验更易推广。利用社交软件发布任务、上传数据。利用EXCEL软件即时计算结果，生成图像，提高课堂效率。在实际教学中，我们也有些不足之处，比如无菌操作难度大，接种和培养时可能引入杂菌影响酵母菌种群的繁殖，由于时间和实际条件有限，无法满足每一位学生想要去继续拓展研究的问题。但是，通过此次活动，学生们参与度高，兴趣浓厚，解决困难之后的喜悦，学生和老师的收获都大有收获。附录1实验方案探究培养液中酵母菌种群数量的变化一、实验目的：1、通过探究培养液中酵母菌种群数量的变化，来研究一个种群的数量变化情况，尝试构建种群增长的数学模型。2、通过使用血细胞计数板掌握单细胞生物的计数方法。二、实验原理：1、酵母菌来源丰富，在适宜的培养条件下生长周期短，增殖速度快，我们可以根据培养液中的酵母菌数量和时间为坐标轴做曲线，从而掌握酵母菌种群数量的变化情况。2、利用血细胞计数板在显微镜下直接计数是一种常用的细胞计数法，该方法可以直接测定样品中全部的细胞数目，所以一般用于单细胞微生物数量的测定，由于血球计数板上的计数室盖上盖玻片后的容积是一定的，所以可根据在显微镜下观察到的细胞数目来计算单位体积的细胞的总数目。三、实验材料用具：1、材料：酵母菌菌种，2、用具：试管，棉塞，恒温培养箱，冰箱、显微镜，无菌滴管，小烧杯或小试管，血细胞计数板(2mm×2mm×0.1mm)、纱布、滤纸、镊子、盖玻片、移液器、锥形瓶、量筒。3、试剂：无菌水，YPD液体培养基。四、实验步骤：配制和分装培养液称取50gYPD培养液加入1000ml蒸馏水配成酵母菌培养液。取7个250mL锥形瓶，编号1-7，分别加入100mL刚配制的酵母菌培养液，塞好棉塞包好报纸，用棉线扎紧。高压蒸汽灭菌将分装好的酵母菌培养液、血细胞计数板，试管等放入高压蒸汽灭菌锅进行高压蒸汽灭菌（100kPa，121℃，15-30min）后取出。接种待培养液冷却后，在酒精灯火焰胖向每个锥形瓶中分别加入0.1g活性干酵母，待活化后吸取1mL酵母菌培养液观察计数。4、培养将7个锥形瓶在恒温培养箱中30℃条件下培养，分别培养0h、2h、4h、6h、8h、10h、12h，取出放在4℃冰箱中保存，等待统一计数。5、取样学生分组计数，每3人为一组分别对培养0h、2h、4h、6h、8h、10h、12h的酵母菌进行计数。染色0.1%的亚甲基蓝溶液1ml加入2ml酵母菌培养液样液，轻轻震荡摇匀。7、计数使用血细胞计数板进行计数并记录表格，利用公式计算100mL菌液中酵母菌数目，每小组统计数据，