基于问题驱动和实践操作的“微生物的基本培养技术”教学设计

申晓蕾

［摘 要］针对“微生物的基本培养技术”这一节课，教师主要采用了问题驱动和实践操作两种教学方法，按照教材编排和学生理解的逻辑顺序引导学生自主学习和小组合作学习，让学生掌握微生物培养中的无菌技术，能够进行简单的微生物的纯培养操作，并剖析、解决其中涉及的相关问题。问题驱动和实践操作这两种教学方法，不仅能让学生厘清知识脉络，还能提升学生的学习兴趣，发展学生的核心素养。

［关键词］问题驱动；实践操作；微生物；培养技术

［中图分类号］    G633.91        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）35-0084-04

问题驱动（Problem-Based Learning，即PBL）是一种以问题为导向、以学生为主体、以教师为主导，旨在培养学生解决问题的能力、提升学生的核心素养的教学方法。实践操作是在“做中学”“学中做”，不仅可以提高学生的动手能力，还可以培养学生的科学思维和团队协作能力。本文尝试采用问题驱动和实践操作这两种教学方法对“微生物的基本培养技术”进行教学设计，以期提高学生的综合能力和核心素养。

一、教学内容

“微生物的基本培养技术”是人教版高中生物学选择性必修3第1章第2节的内容。本节课主要学习培养基的配制、无菌技术和微生物的纯培养3个知识点。从章节知识体系来看，本章上一节课是传统发酵技术的应用，用的是混合菌种，下一节课为发酵工程，用的是单一菌种，本节课正好起到了“解释如何从混合菌种中获取并培养单一菌种”的作用。从整个高中生物学教材的知识编排来看，本节课是对酵母菌相关知识进行深化和拓展，将配制培养酵母菌的培养基并对酵母菌进行纯培养，在后面“基因工程”一章中也将会学到用酵母菌做受体细胞。

二、教学目标

（1）能够利用结构与功能相统一的观点，阐述碳源和氮源的重要作用，理解固体培养基和液体培养基的不同用途。

（2）能够归纳概括出常见的消毒和灭菌方式，并准确地说出具体的事物或环境所应用到的无菌技术，树立健康生活观。

（3）能够在教师的指导下进行灼烧灭菌、倒平板和平板划线操作，提高动手操作能力。

（4）能够概述出微生物（酵母菌）纯培养的原理、过程和结论，提升分析、质疑、归纳等科学思维。

三、教学过程

（一）创设情境，导入新课

创设情境：2022年年底，张大爷因感染新冠病毒被送入医院，在医生的治疗下，张大爷的病情得到控制并开始好转。但是有一天，张大爷的咳嗽突然加重，医生在对其痰液中的微生物进行培养、分离和鉴定后，发现张大爷的肺部感染了真菌。

病毒合并真菌感染在此次新冠疫情中并不少见，我们可以从一些专业的医学期刊中看到相关报道（提供《柳叶刀》的一些截图）。

提出问题：那么，该如何培养微生物？又该如何分离微生物呢？

教学说明：以学生熟悉的新冠疫情为素材创设情境，激发学生的好奇心，从而顺利地导入本节课的内容。

（二）引导学生开展基础知识学习：微生物培养所需的营养基质——培养基

1. 微生物

本节課的内容都是围绕微生物的，所以教师要先让学生了解微生物的相关知识。

提出问题：（1）什么是微生物？（2）什么是原生生物？（3）我们学过哪些单细胞真核生物？学生自主阅读课本第9页的相关信息，教师随机抽取学生回答。学生回忆后可以答出：学过的单细胞真核生物有草履虫、变形虫等。师生共同归纳总结：这些单细胞真核生物就是原生生物。

教学说明：微生物这个知识点虽然在教材中是以小字的形式出现的，但它对学生知识框架的构建却十分重要，因此将其作为本节课的第一个知识点加以简单介绍十分必要。原生生物这个名词对学生来讲比较陌生，但是其包含的生物种类却是学生都学过的，所以学生通过回忆已学的知识，自行归纳总结出该名词，不仅会有成就感，还能提升归纳总结的能力。

2.培养基

无论是传统发酵中用到的混合微生物，还是发酵工程中用到的单一微生物，都需要进行培养。教师提出问题：那么，该如何对微生物进行培养呢？需要提供哪些条件？通过这种过渡，顺利地导入培养基的学习。

教师继续提出问题：（1）什么是培养基？（2）培养基根据物理状态可以分为几类？（3）不同物理状态的培养基有何不同用途？学生阅读课本、归纳总结后进行小组讨论，教师随机抽取小组代表回答问题，师生共同分析、修正、总结。关于培养基的物理状态，教师可展示试剂瓶中的琼脂，并强调其并不是唯一的凝固剂，还有如明胶、海藻酸钠之类的物质。关于不同物理状态培养基的不同用途，教师可通过展示锥形瓶中的液体培养基和培养皿中的固体培养基，让学生理解液体培养基中的微生物可充分利用周围的营养物质进行增殖，而在固体培养基上的微生物则只能长在表面或者内部，无法充分繁殖。

教学说明：学生通过阅读课本归纳总结培养基的概念和类别，提升阅读和提取信息的能力。不同物理状态的培养基用途不同，这部分知识是延伸出来的，是自然界中大多数情况下生物体结构和功能相统一的典型例证。

那么，培养基有哪些营养成分呢？继续进行深入的学习。

提出问题：（1）培养基的成分一般有哪些？（2）分析教材中牛肉膏蛋白胨培养基的营养构成，尝试说明氮源和碳源的作用。学生阅读课本后进行小组讨论，教师随机抽取一位小组代表进行回答，师生共同分析、修正和总结。针对第二个问题，教师可展示试剂瓶中的牛肉膏和蛋白胨，然后引导学生回忆学过的有机物中哪些含有氮元素，哪些含有碳元素。以此方式进行教学的突破。最后，师生共同总结出结论：氮源是合成蛋白质、核酸、ATP等重要化合物的来源；碳源既可以合成重要有机物，又可以充当微生物的能源物质。

教学说明：透过现象看本质，通过上面的分析，学生不仅知道培养基中要有碳源和氮源，还清楚了为什么要添加碳源和氮源。

碳源和氮源是新知识点，学生需要对其进行拓展学习，以期深刻理解。

提出问题：（1）所有微生物的培养基都需要有这4种成分吗？（2）除了这4种成分，培养基中还需要添加其他成分吗？教师组织学生自主阅读、归纳总结、组内讨论，然后随机抽取学生回答，师生共同修正和总结。教师对碳源和氮源进行拓展讲解：凡是含有碳元素的物质都可以叫作碳源，如CO2、NaHCO3、蛋白质等；凡是含有氮元素的物质都可以叫作氮源，如N2、NH3、NaNO3、NH4NO3、尿素、蛋白质等；有些微生物需要的是气体碳源CO2，如硝化细菌等自养型微生物，培养这类微生物时就不需要在培养基中再添加有机碳源；同样，有些微生物需要的是气体氮源，如根瘤菌可以利用N2、硝化细菌可以利用NH3，培养它们时也不需要再在培养基中添加氮源。学生通过上面的拓展内容即可得出结论：不是所有微生物的培养基中都要有这4种成分。关于第二个问题，学生可通过阅读课本自行归纳总结。

教学说明：深度拓展可以加深学生对碳源和氮源的理解，其中的特殊生物需要单独提醒，如以CO2为碳源的自养型微生物，以N2为氮源的根瘤菌等，这是生物界统一性和多样性的典型例子。关于培养基中的特殊条件，如是否需要添加维生素、是否需要提供氧气等，学生可自行阅读课本并提取、归纳相关信息。

（三）引导学生开展基本技能学习：微生物培养成功的关键——无菌技术

用培养基培养微生物的成功关键是做到无菌，那么无菌技术有哪些呢？

提出问题：常见的消毒和灭菌技术有哪些？学生自行阅读课本及资料卡并进行归纳总结，教师随机抽取学生回答问题，师生共同修正、评价和总结。教师补充芽孢和孢子的含义——芽孢是帮助细菌度过恶劣环境的一种休眠体，孢子是微生物（主要是真菌）的一种生殖细胞。

教学说明：通过归纳总结常见的消毒和灭菌技术，提升学生提取信息的能力。很多无菌技术与日常健康生活密切相关，如用酒精擦拭双手消毒、牛奶的巴氏消毒法等，在教学过程中通过举例可让学生体会到科学和生活的紧密联系，并渗透健康生活的理念。

实践操作：教师边解说边示范灼烧灭菌的做法——用酒精灯火焰灼烧接种环、锥形瓶瓶口和涂布器。学生随后进行操作，教师进行指导和纠正。

教学说明：用酒精灯火焰灼烧接种环、锥形瓶瓶口等是无菌技术的一项基本操作，学生在实际操作中能暴露出很多问题，也能解决很多问题，从而加深学生对课本知识的理解。

（四）进行实践操作：酵母菌的纯培养

酵母菌是高中生物学教材中的“明星生物”，同时也是一种微生物，利用上述所学基础知识对其进行培养，并按照教材编排的实验步骤熟悉、理解和掌握一些基本实验流程。

1.制备培养基

首先，师生共同阅读课本，理解“培养物”“纯培养物”和“纯培养”的含义。其次，教师展示学生在上一节课“传统发酵技术的应用”中做好的米酒，告知学生本次实验的菌种“酵母菌”就是从中提取的。

教学说明：从自己制作的传统发酵产品中提取微生物，不仅能极大地激发学生的学习兴趣，还能将新旧知识联系在一起，从而顺利导入新知识。

（1）配制培养基

提出问题：（1）课本第12页用马铃薯制作的培养基中，碳源和氮源分别是哪种物质？（2）该培养基是固体培养基还是液体培养基？学生自主阅读、思考，然后集体回答，师生共同修正、总结。

教学说明：复习、巩固前面所学的关于培养基的基础知识。

实践操作：配制培养基。这一步是在课下以兴趣小组的形式提前操作完成的。在教师的指导下，学生按照课本中的文字描述对材料进行处理、称量和融化。

教学说明：课前进行的实验准备节约了大量的课堂时间，使教学内容更加紧凑，也对教材的深度进行了拓展。

（2）灭菌

实践操作：这一步也是兴趣小组在课前完成的。在教师的指导下，学生把配制好的培养基放置在高压蒸汽灭菌锅中进行湿热灭菌。

教学说明：复习前面所学的无菌技术，学生可通过亲自操作了解高压蒸汽灭菌锅及其参数设置和工作原理。

（3）倒平板

实践操作：课前，教师指导学生兴趣小组按照课本的提示将灭好菌的培养基倒入培养皿，待培养基冷却凝固后将培养皿倒置放置，且做成够全班一人一个使用的平板数量，课堂上备用；课上，教师边示范倒平板操作边进行解说，然后让学生以小组为单位在酒精灯火焰旁边练习倒平板操作，教师进行指导和纠正。课堂上用的是模拟液体：只加了少量琼脂、其他成分不变的装在锥形瓶中的半固体培养基。

教学说明：课前做好平板可以节约课堂上学生平板划线的时间，而课堂上准备了低配的、不凝固的模拟培养基进行练习，不仅能达到练习效果，还能起到深度学习的作用。

提出问题：（1）如何确定培养基冷却到了50 ℃？教师补充介绍人体温度为37 ℃左右，增加学生的感性认识。学生用手背触摸锥形瓶，感知烫一点的温度即为50 ℃左右。（2）倒平板后，为何要将冷却的平板倒置放置？学生根据实验操作可得出结论：培养皿盖上会有冷却凝固的水滴，如果不倒置放置，水滴会落入培养基，造成污染。

教学说明：先动手操作再提出问题，既锻炼了学生的动手能力，又使问题更容易理解。

2.接种和分离酵母菌

实践操作：准备好菌种（学生制作的米酒）和培养基（兴趣小组课前做好）后，教师在酒精灯火焰旁边示范平板划线操作，并講解操作要领。让学生以小组为单位进行操作，一个学生划一个平板，确保每个学生都有动手的机会。操作后，组内讨论，教师进行指导、纠正。

教学说明：平板划线法是微生物培养的基本技术，也是本节课的重点和难点。在实践操作中，学生暴露出来很多问题，如划破培养基、培养皿盖直接放桌上、在酒精灯火焰上面而不是旁边操作等，不过，这些可通过组内讨论和教师指导解决。

提出问题：（1）关于灼烧：第一次划线前灼烧接种环的目的是什么？第二次划线及以后每一次划线前均需灼烧接种环，目的是什么？划线结束后，最后一次灼烧接种环的目的是什么？如果划线操作进行了5次，则共需灼烧接种环几次？（2）关于划线：为何每一次划线都要从上次划线的末端开始？为什么每一次划线都要等接种环冷却后再开始？学生小组讨论后，教师随机抽取小组代表回答，师生共同修正和总结：（1）第一次划线前的灼烧是为了去除接种环上的杂菌；第二次划线及以后每一次划线前的灼烧是为了去除干净接种环上的残留菌种；最后一次灼烧也是为了杀死残留菌种，避免污染环境和感染操作者；如果划线操作进行了5次，那么接种环共灼烧了6次。（2）划线从末端开始是因为与起点相比，末端菌种少；等接种环冷却后再划线是为了避免伤害到菌种。

教学说明：上述问题涉及平板划线的原理，学生一边回答问题一边进行深度思考。教师用粉笔进行原理演示：用粉笔在黑板上用力点上一点（模拟用接种环挑起的菌落），然后用手从粉笔处向后画线（手指模拟接种环），白线颜色越来越浅（菌种越来越少）。只有让学生在“做中学”“学中做”，他们对知识的印象才会深刻。

3.培养、观察、分析酵母菌

提出问题：在恒温箱中培养酵母菌时，为什么要放一个未接种微生物的空白平板一起培养？学生通过推理可答：如果此空白平板上有菌落生成，则证明培养基灭菌不够彻底。教师提出建议：鉴于微生物的生长是一个需要等待的过程，所以可以把接种好的培养基留在实验室里培养，或者带到教室里进行随时观察，1～2天后观察培养基表面的菌落。2天后，学生把长出各种颜色、不同形状菌落的培养基集中到教室里，师生共同分析各种不同菌落可能表示的菌种以及在操作中出现的各种问题。教师最后总结：本节课开头提到的那位肺部感染真菌的新冠病毒患者张大爷，他痰液中的微生物就是通过这些基本过程被分离出来的。

教学说明：由于需要等待生物的生长和繁殖，周期较长，因此很多时候都是课上和课下共同操作。实验结果的分析，能让学生牢记所学知识，增强实验参与感，体会由此带来的成就感，激发对生物学习的兴趣。实验的总结，与本节课开头设置的情境遥相呼应，让学生更加清楚自己所学知识将来有可能用到何处。

四、教学反思

本节课通过问题驱动让学生在自主学习和小组合作学习中解决教材中的大部分问题，而对于“灼烧灭菌”“倒平板”“平板划线”等实践内容，则通过“教师示范—学生模仿—教师指导—师生共同总结”的方法予以突破。上述操作不仅训练了学生的科学思维、动手能力、团队合作能力，提升了学生的核心素养，还通过情境的设置，让学生知道生物学与社会生活的紧密联系，帮助他们树立健康生活的理念。由于本节课涉及的知识点很多，因此对教师来讲，能够根据学情进行问题数量、难度和梯度的设置及评价需要一定的能力。

［   参   考   文   献   ］

［1］  马晓昕，武国凡，郑晟.基于问题驱动教学的“DNA是主要的遗传物质”教学设计［J］.生物学通报，2023，58（1）：51-54.

［2］  中華人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准：2017年版2020年修订［M］.北京：人民教育出版社，2020.

（责任编辑 黄春香）