“酵母细胞的固定化”实验教学创新设计

摘 要：以“酵母细胞的固定化实验”教学为例，从教学方式、实验分组、实验步骤、器材改进、实验材料、实验操作等方面培养学生创造性理性思维，在学生自主探究过程中提升学生科学探究能力.

关键词：创新设计;实验教学;酵母细胞;高中生物

中图分类号：G632文献标识码：A文章编号：1008-0333（2021）06-0102-02

收稿日期：2020-11-25

作者简介：徐炜（1988.9-），女，本科，中学一级教师，从事高中生物教学研究.

一、教材分析

酵母细胞固定化实验，是人教版高中生物选修1“生物技术实践”重要实验之一，本实验重难点均为尝试固定化酵母细胞的制备及发酵.突破重难点的做法有：1.提前做多种预实验，预测实验中可能发生的情况，以便更好地指导学生.2.对实验进行一定的改进，提高实验成功率，增强学生信心.3.利用多媒体视频+实物投影+板书等多种教学手段，并且提前培养“学生专家”，协助教师完成实验.

二、教学目标

1.科学探究

动手对酵母细胞进行固定化，通过对凝胶珠的形态和颜色来理解操作要领.

2.科学思维

尝试进行细胞固定化，并利用固定化酵母细胞进行酒精发酵;

改进实验评价，提高批判性思维、创新思维和科学探究能力;通过设计并探究实验过程，进一步提高搜集、处理科学信息的能力以及分析和解决问题的能力.

3.生命观念与社会责任

通过改进和评价实验，养成严谨的科学态度，體会固定化酶的优越性.

三、教学过程设计

教学过程主要从“情景引入、激发兴趣，设置问题、引发探究，分组操作、合作学习，聚焦讨论、规范操作，归纳总结、拓展延伸”这五个方面展开，核心环节是学生的分组操作以及合作学习.为了让实验在45min内完成并培养学生创造性思维能力，笔者对该实验做了以下几点改进.

四、实验方法改进

1.实验分组的改进

本次实验原先是教材中的一项验证性实验，深入思考会发现有许多地方值得探究.例如，使用不同浓度的海藻酸钠固定酵母细胞最终形成的凝胶珠在颜色形状上会有什么不同？包埋酵母的材料有很多，用其他材料替代海藻酸钠是否可以？CaCl2溶液浓度的不同会对实验造成影响吗？未活化的酵母细胞和活化了的酵母细胞在这个实验中的实验效果有多大的差异呢？带着这些问题本人将这个实验分成了每个班进行四个大组的探究.如图1所示.

2.配制海藻酸钠溶液的改进

笔者查阅资料发现不同厂家生产的海藻酸钠试剂加水的量不一样，因此建议在实验前先做预实验，找出加水的适宜量.A组学生配制浓度为0.05、0.07、0.09、0.11、0.13、0.15g/mL海藻酸钠溶液进行实验，观察到海藻酸钠浓度偏低形成的凝胶珠颜色较浅，0.07～0.09g/mL浓度适宜，海藻酸钠浓度越高其黏稠性越大，当大到一定程度时，与酵母细胞的混合液不但不易从注射器口滴下，出现拖尾的蝌蚪状等现象，而且所制备的凝胶珠颜色也由白色逐渐加深至土黄色.

3.包埋材料的改进

B组学生用一定浓度的琼脂包埋酵母菌，发现无需在CaCl2溶液中聚沉30min，10min即可，当堂课可见结果，且发酵效果好.需要注意的是，琼脂易凝固，在冷却至50℃左右即可与酵母混合.另外，由于琼脂包埋的酵母菌无法在CaCl2溶液中浸泡形成凝胶珠，所以可以尝试将琼脂与酵母细胞混合后倒入培养皿，待其冷却后将其用解剖刀划成一个个小正方形便于后期发酵（图2所示）.48h后做酒精检测，图3为分别用琼脂、海藻酸钠包埋酵母菌发酵结果的鉴定，不难发现琼脂包埋酵母细胞取得了更好的发酵效果.图2

4.CaCl2溶液浓度的改进

如果改变CaCl2溶液的浓度会对凝胶珠的成形有何影响？为了解决这一疑问，C组学生配制浓度为0、0.03、0.06、0.11、2.0、3.0mol/L的CaCl2溶液进行实验，发现CaCl2溶液浓度为0时，固定化酵母细胞由圆形变成蝌蚪形沉入烧杯底部，并很快溶解在一起;当CaCl2溶液浓度为0.03 mol/L时，固定化的酵母细胞呈扁圆饼形，一碰即碎;当CaCl2溶液浓度≥0.06 mol/L时，固定化酵母细胞能呈圆球形沉淀，并且随着CaCl2溶液浓度增大，凝胶珠的弹性增强.进一步查阅资料发现，张菡、杜双奎等人通过对固定化酵母细胞的强度、后期发酵过程中的残糖量和酒精度进行检测，认为Ca2+浓度为2.0mol/L时，固定效果最为理想.

5.酵母细胞活化的改进

实验前实验员要做大量的准备工作，活化酵母细胞至少需要1h，笔者查阅资料发现如果想要达到教材上图形显示的即气泡充满整个烧杯的现象，在活化酵母时，应将温度调至30℃，同时加入一定浓度的葡萄糖溶液，那么用未活化的酵母细胞与活化了的酵母细胞在这个实验中会产生的很大的差别吗？D组学生就想要探究这个问题.结果表明：未活化的酵母细胞固定后也能形成圆形凝胶珠，后期发酵也能产生酒精，与活化了的酵母细胞产生的实验结果差别不是很大.

6.实验器材的改进

“将混合均匀的海藻酸钠溶液与酵母细胞转移至注射器中”是教材中提供的方案，但是手头有很多实验器材都可以代替注射器.例如，一次性塑料滴管、玻璃棒以及较细的果汁滴管等，滴出的凝胶一样可以成形，优点是没有拖尾现象且能有效减少气泡产生，缺点是耗时长.改进器材的时候还发现如果用教材中提到的镊子来捏取凝胶珠除非是训练过的实验员否则很容易把它压碎，于是有人想到冲洗凝胶珠时，可改用消过毒的纱布或捞金鱼的网兜，既能冲洗干净，又不至于被水冲走，比教材中用镊子更方便、快捷.

第三个器材的改进就是在发酵过程中，课本实验要求用的是锥形瓶，但是锥形瓶放在实验室里观察不易带回，故而有学生提出发酵所用的容器可以是自带饮料瓶，既达到实验目的，又方便学生观察，减少危险，更增强了环保意识.

7.实验操作的改进

在实验过程中为缩短实验时间、取得更好的实验结果笔者在预实验中获得了一些实验操作经验值，例如①溶解海藻酸钠时，若用90℃水浴加热，不会发生焦糊现象，加10mL蒸馏水后不需要再加水定容（蒸发量很少）;若用小火间断加热的方法，在溶解开始前直接加入12mL蒸馏水不需要再水定容，每次加热至刚有大气泡时就从石棉网上拿开，重复7～9次，就能完全溶解.②胶体冷却至室温时加入已活化的酵母细胞的这一操作，每个人皮肤对温度的敏感程度不同，仅以“不烫手”为标准，会有部分学生至胶体结块才加入酵母菌，不容易混合均匀.可改为用温度计测量，或用恒温水浴（35～40℃）直至胶体与酵母混合均匀.③固定化酵母细胞时，滴凝胶的距离为液面上15～20cm左右.

五、教学反思

实验课的教学中，讲清基本理论和原理仍是课堂教学中最基本方式.通过改进包埋材料发现琼脂包埋酵母细胞效果很好，当堂课可完成，增强了学生的探究兴趣和成就感，建议推广.此外引导探究要讲究科学，课前唤醒学生探究欲望，要重视实验记录及反思，会达到事半功倍的效果.最后实验前的预实验非常重要，比如本次实验中许多利于实验成功的改进很多都是在预实验中发现.

参考文献：

[1]张菡，杜双奎.酿酒酵母细胞固定化研究[J].中国酿造，2006（2）：12-15.

[2]季忠云.“酵母细胞的固定化”实验方法的优化[J].生物学教学，2015，40（3）：56.

[责任编辑：季春阳]