“探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化”的六点建议

“探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化”的六点建议摘要：“探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化”是新课标中一个开设周期长，难度大的实验。笔者结合自身经验，从降低开设难度，提高实验成功率，增强实验教学的有效性的角度提出六点建议，其中包括实验流程调整、部分操作细节改进的具体措施。关键词：酵母菌种群数量探究“探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化”是生物新课标模块三活动建议中的一个实验。实验要求学生有较强的显微镜的操作技能，进行一周乃至数周的耐心观察，了解酵母菌种群数量变化的规律及其产生原因。实验的实施对于不少中学实验室来说，硬件条件的限制是开设本实验最大的难点。其次，实验的开放性，虽然为师生提供了广阔的探究空间，但在实践中也导致了实验目标的把握偏差，致使大量时间精力投入后，实验效益很低。基于此笔者结合自身体会提出建议如下：1、明确实验目的结合实验标题，本实验类型为探究性实验，因变量为酵母菌的种群数量（密度），实验的关键要素——变量在标题中未提及。因此，实验设计的第一步需要实验者明确实验变量。实验变量可以是外界的环境因素，如温度、pH值、溶氧量等，也可以是酵母菌自身内在因素，如菌种的差异、接种时间、接种量的多少等。从另一个角度看，实验过程中“时间”是一个隐藏的变量，即不管哪种因素对酵母菌种群数量的影响，都是通过不同时间种群数量的变化体现出来的。血球计数板的使用对于高中生来说是难点，但并不是本实验的重点。血球计数板是一种实验者量化酵母菌种群密度的显微计数工具，了解基本原理，能进行计数操作即可。况且在实际科研工作中，血球计数板的替代品——应用电阻法和比色法原理设计的全自动细胞计数器已经出现。少数学校在开设本实验时，只用一节课在实验室讲解血球计数板的原理并由学生操作计数，就草草结束。这种安排说明实验者目的不清，本末倒置。笔者认为实验目的是，认识在有限条件下，酵母菌的种群数量变化模式；通过记录分析数据，建立并运用数学模型解释酵母菌的种群数量变化；体验科学探究的一般过程等等。2、不可缺少的预实验实验所用材料是酵母菌。凡是单细胞世代时间较长，以出芽方式进行无性繁殖的低等真菌，都可以称为酵母菌。这就决定酵母菌之间存在差异，充满个性。以最适培养温度为例一直存在诸多说法，有的认为最适温度在28~30℃(沈萍等，1999)，有的认为20℃是繁殖的最适温度（余红卫，2003），还有认为最适温度在25℃左右（陈维，2008）等［1］，这很可能是因为菌种不同造成的差异。这也告诉我们，如果没有菌种提供商提供的详细数据，实验者就必需在实验前进行预实验，了解所用酵母菌的个性。本文以哈尔滨生产的发发干酵母为例，就温度、营养、pH值等三个变量，进行预实验，记录每1mL培养液中酵母菌种群数量结果如下：（单位：百万/mL）排除学生不熟悉操作出现的明显偏差外，我们仍可以看出，从A、B、C、D四组可知，营养物质对酵母菌的影响不明显，后来了解到厂家为保持酵母菌的活性在产品中加入蜂蜜、蔗糖等营养物质。如需探究营养对酵母菌种群数量的影响，应在蒸馏水中扩大培养后进行二次接种；A组与E组比较可知pH3.9并不是这种酵母的最适pH；在25℃条件下酵母菌生长情况良好；3、合理设计降低实验门槛泰州地区的五月中下旬和九月下旬平均气温为25℃左右，昼夜温差较小，在没有恒温培养设备的条件下，此时为开设本实验的最佳时期；实验中所用玻璃器皿若是新购置的，须用2%盐酸浸泡数小时处理，避免玻璃中的游离碱影响酵母菌的生长；实验中可采用脱脂纱布代替普通棉花制作棉塞，增加透气性，促进酵母菌的有氧呼吸。培养过程中要定期打开培养箱的门，震荡试管，也是出于供氧的需要；配制马铃薯培养液时，应用双层纱布充分过滤，避免淀粉颗粒形成沉淀影响计数；为了避免学生多次取样造成培养液污染，可采取多支试管分别培养，每管只取样一次；接种时，在无菌条件下，向试管10mL培养液中接入0.1mL酵母菌母液，没有微量移液器的实验室完成操作难度很大。接种量不等会造成各试管中的初始酵母菌数量差异，预实验初期计数结果的差异就是这个原因造成的。可将分装后接种，调整为先接种，再分装。即向500mL锥形瓶中接入5mL酵母菌母液，充分摇匀后分装，即使分装到各试管中的培养液体积不完全相同，也不会对酵母菌种群密度造成误差，也降低了操作难度；接种、分装操作均是在无菌条件下，对液体进行定量操作。移液管操作难度较大，笔者推荐使用医用注射器定量转移溶液，一次性注射器不需灭菌，也减少了污染机会，便于对液体进行定量操作，能有效避免对容器口部的污染，且推注过程还可以起到震荡混匀的作用；为避免清洗时残留水迹影响计量结果，清洗后的计数板要自然干燥或用滤纸吸干水迹后，才能再使用，间隔时间较长，建议加样时应对两个计数区加样，充分利用。4、把握关键，准确预期探究实验是开放的，但也要求实验者对所做实验的关键操作和可能出现的实验现象大致有数。决定本实验成功与否的关键之一是接种量。如果接种量较大已经接近K值，就观察不到酵母菌种群的明显增长过程，实验失去意义。如果接种量过小，培养液易被霉菌污染，而且培养周期延长。对接种量的控制主要在活化、接种这两个操作中实现。预实验活化酵母菌时采取5g活性干酵母粉加入到35℃的100mL温水中搅匀，制成酵母菌母液。向10mL培养液中接种0.1mL母液。从实验结果来看，初始酵母菌数量与K值为同一数量级，种群增长特征不明显，需减少接种量。实验采用5g活性干酵母粉加到200mL温水的比例制备酵母菌母液，采取更大的培养液与母液体积比，实验效果较好；决定计数准确度的关键是对计数时稀释标准的把握。一般来说“每小格中的酵母菌的个数5~10为宜，多于10个则应稀释一次”。当视野中酵母菌数量过多时，可能会有重叠，计数量大造成误差。但如果随意稀释也会人为制造误差。以一个分布了177个酵母菌的中方格为例，对其进行10倍稀释后，中方格中理论值是17或18个酵母菌，产生误差的可能增大。虽然在低倍镜视野中已经可以看清酵母菌的数目和形态，但仍建议在高倍镜下进行计数，以减少不必要的稀释。稀释也应结合初测结果，选择选择5倍或10倍。第三、要对酵母菌在培养过程中理化性质变化大致有数。一般来说判断酵母菌生长情况常用的直观指标是培养液的混浊度。从培养过程中观察到的现象与酵母菌记数结果来看，前四天培养液的混浊度逐渐增加，酵母菌种群密度增加，两者正相关，混浊度变化略滞后于种群数量的变化。在这段时间内，直观地比较混浊度变化就可以大致推断种群密度变化。第四天开始培养液中出现白色沉淀，混浊度略有增加，但菌体数量不变甚至下降。培养液的混浊度已经不能反映酵母菌的数量。5、根据需要建立适合的数学模型数学模型有表达式和坐标图两大类基本形式。数据表适合于精确记录，分析记算。坐标图适合直观反映变化过程及趋势，及各组之间的比较。坐标图也有不少类型，各有特点，较为常用的是曲线图和柱状图。，笔者选择了柱状图反映在三种条件下酵母菌生长情况：从图中可以较明显地看出a组适宜温度、营养，b组蒸馏水培养，c组低温条件三种条件下每次取样计数得到的大致结果，反映酵母菌种群数量的增长、波动、下降等一系列变化过程，直观清晰。但如果要反映三种不同条件下种群数量变化况的差异，或是酵母菌增长与时间的关联，那么曲线图就更加的严谨，直观。没有十全十美的坐标图，关键在于合理选择。坐标图的选择和绘制过程本身是学生分析和处理数据的过程，也培养了学生选择合适的形式表述相关现象，展现实验结果的能力。6、不可错过的进一步探究很多伟大的发现源于实验过程中的“意外”，实验者在实验中也时常灵光闪现。学生在了解基本原理和操作以后，经过实际实验操作以后，能提出很多新问题。对此进一步探究既是实验的延续，又是激发学生科学探究热情的机会。在对学生提出的进一步探究课题进行筛选后，笔者参与了学生“探究培养过程中酵母菌对培养液pH值的影响”、“探究培养液中酵母菌的空间分布”“探究酵母菌混浊度与酵母菌种群数量变化的关系”等多个课题的研究。学生参与到进一步探究中，学习知识，锻炼了技能，再一次体验了科学探究的过程。相比于对实验中既定的变量进行探究，学生有更高的积极性和主动性。进一步探究的实验结果未知性更强，对于实验者来说都是一个通过查阅资料，精心设计实验，相互协作操作解开心中疑团的过程。（作者单位：江苏省泰州中学）