探究影响酵母菌种群数量变化的因素实验创新教学设计-高二上学期生物人教版选择性必修2.docx

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1、探究影响酵母菌种群数量变化的因素实验创新教学设计一、选题背景：课程标准：要求学生能够运用数学模型，分析和解释影响种群数量变化的规律的因素，并应用与相关实践活动中。教材分析：人教版必修三第四章第二节中要求学生初步探究酵母菌种群数量随时间变化的规律，熟悉抽样检测法，尝试建构数学模型。学情分析：学生能够理解实验原理，尝试建构数学模型，但血球计数板的使用不够熟练，对影响种群数量变化因素的综合性理解不全面。二、实验器材实验材料与试剂：安琪干酵母，5%葡萄糖注射液，马铃薯，0.2%亚甲基蓝染液。实验仪器与设备：数码显微镜，数显恒温水浴锅，多轨道摇床，溶解氧传感器，二氧化碳传感器，酒精检测仪，电子天平，酒精

2、灯，锥形瓶，血细胞计数板，滴管，移液管，烧杯，封口膜，皮筋。三、实验创新要点（一）创新一：综合利用实验设备，搭建新的探究平台运用数码显微镜成像，学生观察更直观。数显恒温水浴锅、多轨道摇床、溶解氧传感器、酒精检测仪、二氧化碳传感器等仪器使结果数字化呈现，搭建了微观生物学与教学的平台。（二）创新二：缩短实验周期，提高探究效率由课本中连续7天的实验观察、数据整理，缩短到10小时实验观察、数据整理，使实验更便捷，有利于学生更好地进行科学探究。（三）创新三：多角度，深入科学探究改造课本传统实验的单一因素，进一步探究温度、溶解氧、营养条件、代谢产物等因素对种群数量变化的影响，建构数学模型，形成整体性思维。

3、四、实验设计思路基于科学思维、引导学生建构模型、培养学科核心素养的理念指导下，围绕探究酵母菌种群数量变化的因素进行实验创新。五、实验教学目标科学探究：在初步科学探究的基础上、进一步设计探究方案并动手实践完成实验。科学思维：学生分析实验数据，建构数学模型，阐释数量变化规律，形成整体性思维。生命观念：运用数学模型，解释种群数量变化规律，形成生物与环境相适应的生态观。社会责任：通过科学实践，解决日常生活中食品发酵问题，认同工业发酵的重要性。六、实验教学内容本实验通过综合性利用多种数字化实验设备，搭建了探究温度、溶解氧、营养条件、代谢产物等的实验平台，为学生综合性理解影响种群数量变化的因素提供了事实和

4、证据，形成严谨的科学思维，建构了生物与环境相适应的生命观念。七、实验教学过程（一）教材实验开放实验室，各小组进行教材实验，用5%的葡萄糖溶液作为底物培养酵母菌，每天同一时间观察，连续7天，记录数据，绘制曲线。在实验中学生利用两个酒精灯火焰间形成的无菌区域进行无菌接种；彻底清洁血球计数板，吹风机烘干；用0.2%亚甲基蓝染色，区分活细胞和死细胞；数码显微镜观察，五点取样求平均值，使结果更准确。通过实验改进、关注细节、规范操作、重复实验，尽可能减小误差。（二）发现问题问题1：从曲线（图1）中看到，酵母菌1天时达到峰值，后面6天保持相对稳定，没有出现典型“S”型增长。问题2：各组之间的数据（图2）有明

5、显差异。图1酵母菌7天种群数量变化曲线图/图2实验记录单学生在实践中发现问题，不囿于定论，提出质疑，敢于批判，形成严谨的科学思维。（三）深入探究问题1：从曲线中看到，酵母菌1天时达到峰值，后面6天保持相对稳定，没有出现典型“S”型增长。针对问题1，学生网上查阅资料：适宜条件下，不同种类的酵母菌大约2小时增殖一代，10小时左右达到稳定期。新教材选择性必修三中也有相关实验。基于此学生设计实验，以5%的葡萄糖作为底物培养酵母菌，每两小时观察计数一次，观察12小时，实验10小时可以观察到酵母菌种群数量的增长趋势和峰值。问题1的解决为问题2的突破奠定了基础。问题2：各组之间的数据有差异。针对问题2学生做

6、出假设：营养条件、温度、氧气、代谢产物等因素影响酵母菌种群数量变化。每组选择一个变量设计实验，如何控制变量是关键。营养条件组：增加底物种类，增设无菌水组、马铃薯培养液组及5%葡萄糖和马铃薯培养液混合组。温度组：学生首先想到的是恒温培养箱，一台恒温培养箱只能设置一个温度，实验周期长。学校有多台数显恒温水浴锅（图4）可以设置多组实验，但只能设置高于室温的温度，对于低于室温的温度，加入瓶装冰水（图5）调节，上、下温度误差不超过0.5摄氏度。图4数显恒温水浴锅/图5加入瓶装冰水的数显恒温水浴锅氧气：用过氧化氢分解制造氧气，用注射器向培养瓶中注入不同体积的氧气，得到高氧组、低氧组和无氧组。但这一装置，不

7、能持续供氧，且对酵母菌种群计数时，不易控制氧气量。予以否定。溶解氧：通过改变摇床的转速，改变溶液中溶解氧的浓度。为了避免计数时对装置中溶解氧产生影响，同时设置6个组进行实验（图6），每2小时取1个进行测量计数。图6多轨道摇床如何测定溶解氧呢？利用溶解氧传感器。学生首先进行调零校正（图7），再进行数据测量（图8）。对未接种的5%葡萄糖溶液在不同转速下进行溶解氧测定（图9），发现在一定范围内，溶解氧随转速的增加而增加。 图7溶解氧传感器的调零校正/图8溶解氧传感器的数据测量图9不同转速下溶解氧的测量数据代谢产物：利用二氧化碳传感器和酒精传感器测量二氧化碳（图10）和酒精（图11），由于实验条件限制

8、，只是将其作为因变量进行检测没有作为自变量。通过检测发现，在一定时间内，随着酵母菌种群数量的增加，二氧化碳和酒精逐渐积累。图10二氧化碳传感器测量图11酒精传感器测量其他各组按照实验方案完成实验，并展示交流。（图12）、（图13）、（图14）图12营养条件组的展示交流/图13温度组的展示交流图14溶解氧组的展示交流学生通过践行实验，进行数据处理，分析与综合，建构数学模型，提升了实验动手和科学探究能力。（四）实践建模学生对不同营养条件(图15)、温度(图16)、溶解氧条件(图17)下的数学模型进行汇总，发现在一定空间内，酵母菌种群数量增长不是单一环境因素作用的结果，而是综合性的，受多种环境因素的

9、的共同作用。深刻理解了环境容纳量的概念，形成概念模型。图15不同营养下酵母菌种群数量变化曲线图/图16不同温度下酵母菌种群数量变化曲线图图17不同溶解氧下酵母菌种群数量变化曲线图学生对数学模型进行归纳与综合，建构概念模型，实现模型的转化，发展认知水平，确立正确的生态观，形成整体性思维。本实验中，学生综合利用实验设备，搭建新的探究平台，改造课本上传统实验的单一因素，多视角进行科学探究，结合科学事实与证据，运用科学思维的方法，理解影响酵母菌种群数量变化的因素。（五）关注生活将知识迁移到日常生活的食品发酵。学生进行面粉发酵，通过队医未发酵面团和发酵一小时面团的大小，发现，29摄氏度比26摄氏十度更适

10、宜，加白糖组比加牛奶组面团发酵的更大。我们还走访了制药新药研发中心（图18），了解了他们的研究方向（图20），参观了子龙醉酒厂（图19），看到了拌粮与装甑（图21）的过程，拓展了学生的视野，在他们心中埋下了科研的种子。 图20研发方向/图21拌粮、装甑八、实验效果评价（一）学生反思（1）生1：严谨的生物实验，需要无菌操作，多次重复实验，取平均值。利用图像分析数据，直观判断数据变化。（2）生2：小小细节也有可能导致实验失败，寻找原因的发散性思维，探究时的专注，实验时的严谨，使我感受到了生物实验的科学性。（3）生3：生物实验不是简单的动手操作，需要极大的细心和耐心。实验也不是一个人的实验，需要团结协作、分工配合。 学生通过践行实验深刻的感受到了严谨、建模、重复、发散、专注、团结、耐心在科学探究中的重要性。（二）教师感悟（1）溶解氧传感器使结果数字化呈现，数码显微镜便于微观世界的生物准确计数，多种数字化设备综合运用，使定性实验转化为定量实验。（2）由课本中连续7天的实验观察缩短到10小时实验, 优化实验进程，缩短了实验周期，有效提高学生的探究效率。（3）在课本实验的基础上，增加了对温度、溶解氧、营养条件、代谢产物等多因素的探究，学生对影响种群数量变化的因素有了综合性的认识，把数字化的数学模型及时转化为生物学概念模型，形成生物与环境相适应的整体性思维。学科网（北京）股份有限公司