41探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化(教学案例)

课题探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化（一）背景授课时间：2006年11月14日第四节授课地点：生物实验室（1）室授课班级：肇庆市第一中学高二（1）班授课内容：新人教版(高中实验教材)生物必修模块③第4章第2节“种群数量的变化”中的探究实验“探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化”教学目标的确定：课程标准关于本节的具体内容标准为“尝试建立数学模型解释种群的数量变动”，并提出了相应的活动建议“探究培养液中酵母种群数量的动态变化”。该条内容标准有两层涵义：其一、“尝试建立数学模型”属模仿性技能目标，旨在通过原形示范（细菌的数量增长）和具体指导，学生能完成建立数学模型；其二、“解释种群的数量变动”属理解水平的知识目标，旨在把握数学模型（抽象）与种群的数量变动（具体）之间的内在逻辑联系。重点和难点：指导学生通过对培养液中酵母菌种群数量连续7天的观察后所收集的数据的分析总结，探究变化规律，建构数学模型，绘制变化曲线，并尝试解释种群数量变化的原因。高中学生对数学模型的概念并不陌生，学生已对运用数学解决生物学中的问题有了一定的认识，例如对遗传规律、DNA的复制等的认识。本节是在学生已有知识的基础上，重新建构新的知识──建构揭示生物学规律的数学模型。（二）主题紧密联系现代社会的生产生活实际，让学生“自主、合作、探究”学习是高中生物新课改的主旋律。教师要尽量联系现代社会的生产生活实际创设条件和氛围，让学生通过自主努力，积极参与类似于科学研究的学习活动，逐步形成善于质疑、乐于探究、勤于动手、努力求知的积极态度和情感，发展乐于与人合作的团队精神，形成严谨求实的科学态度，培养学生发现问题、收集分析信息和解决问题的能力，最终实现知识、技能和情感的学习目标。教师是教学活动的设计者，要改变旧的课堂教学方式，变“授之以鱼”为“授之以渔”，放手和激励学生主动学习，团结协作，积极参与研讨分析和评价，充分体现学生作为探究学习的参与者，在发现和解决问题的过程中提升自己。（三）板书设计：主要时期成因特点特征应用Ⅰ.调整期适应新环境不立即繁殖代谢活跃，体积增长较快创设条件，缩短或延长调整期时间II.指数期(对数期)条件适宜繁殖速度最快。呈指数增长代谢旺盛，形态、生理比较稳定生产用菌种、科研材料III.稳定期代谢产物大量积累，生存环境恶劣活菌数量达到最高值(K值)增殖速度下降，死亡加剧改善和控制条件延长稳定期Ⅳ.衰亡期营养物质消耗殆尽，有害代谢废物积累加剧，生长环境进一步恶化。新增细胞数小于死亡细胞数细胞出现多种形态，甚至畸形。（四）细节1.课前准备影响酵母菌数量的环境因素是多方面的，因此开放性较大，数据收集繁杂而耗时，许多问题的预测、分析和解决等学生难以把握，因此，我把本实验的设计、开展放在课前，具体包括：（1）教师做好实验目的和意义的动员，鼓励学生积极参与，团结协助，把它作为一项课题来完成。布置学生课前认真阅读教材实验内容，理解实验的方法和探究思路，努力发掘其中隐含的问题，积极查找资1肇庆蓝带啤酒厂生产场景料，为进行探究实验做好充分准备；各小组利用下午的活动课组织至少一次集体研讨会。（2）分组与分工：我将学生按学科能力的好中弱均分为8组，各组尽量平衡，各组自行分工，并由实验员统一安排实验过程。（3）让学生课前通过上网查找和小组集中研讨，重点解决本实验的两项较复杂的技术——①无菌马铃薯培养液的配制：下载并理解含图片的培养液制作操作过程（配制、灭菌、接种、培养），课前由各小组在实验员指导下制作完成。②酵母菌的取样和计数：要求找出血球计数板的图片及使用说明，理解如何使用和换算为10mL培养液中的酵母菌数量。（4）利用本校优势，11月4日组织学生参观访问肇庆蓝带啤酒厂(肇庆)有限公司（图片1），了解微生物啤酒生产的有关知识和技能（图片2）。（5）各小组在老师的启发下，自行确定本实验的自变量（温度、pH、营养），共同设计出较科学可行的实验草案，11月6日交老师审阅、指导修正。（6）完成实验操作过程。在实验员和教师的指导下分小组在学校实验室完成，包括培养液的配制、灭菌、接种、培养、数据收集等。（7）数据汇总、印发：各小组把收集的实验数据整理成表格汇总到老师处进行排版、油印，上课前发给每个同学进行初步的分析。2.创设情景，引领分析投影图片：国酒茅台（图片3）和肇庆市酒类名牌——蓝带系列（图片4）。展示：让学生利用教师的电脑投影出他在参观访问肇庆蓝带啤酒厂时拍摄到的生产车间情景（图片5）。师：创名酒靠品质，首先就要清楚酵母菌的生理特性。讨论：回忆酒的发酵原理，讲出酵母菌两种呼吸的化学反应式，讨论影响酵母菌生活的因素。师：在参观访问和为期一个星期的《探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化》活动中，各同学都能积极2次数12345678时间/d012341567酵母菌数（106.mL-1）A.28℃马铃薯培养液0.85.25.64.820.80.40.08B.5℃马铃薯培养液0.81.222.83.23.63.23C.68℃马铃薯培养液0.80.40.100000探究、互相研讨学习、克服种种困难，终于获得了有关酵母菌生活的一些珍贵实验数据，请大家拿出油印的全班各小组的汇总数据资料，一起来分析、总结。讨论分析：让学生对以温度为自变量的第3小组的数据（下表）进行初步分析，看能否揭示出其中的变化规律。小组讨论、分析后回答教师的个别提问。生：酵母菌生活的适宜温度是30℃左右，在试管中培养的过程中，依次发生先增加后减少的变化。我就伺机启发：“我们费了大量精力才获得这些数据，但在分析酵母菌种群数量的变化规律时，你觉得表格数据有什么优点，还存在哪些不足之处？”生：准确，但不够直观！师：那么，用什么方式表达这种变化更好？生：“坐标曲线图”，学生一致认为。3.绘制变化曲线，初步建构数学模型数型转换训练：让学生以第3组的数据绘制坐标曲线图。教师另外指定一个学生在黑板绘制，其他同学用练习本做，教师巡视学生练习情况。当学生绘制完成后，老师以学生绘制在黑板的曲线图为例，引导学生对该图进行评价和修正。讨论：该曲线图可靠性如何，理由是什么？生：不够可靠。因为数据只有一组，存在偶然性。师：如何才更有说服力？生：进行重复实验或多组实验数据进行比较。学生活动：把全班也是以温度为自变量的第1组和第7组的数据也转换成曲线图。学生通过对三个小组的曲线图的比较，很轻易就看出酵母菌数量的相同变化规律。师：“可以得出哪些结论？”生：在试管中培养的过程中，都依次发生缓慢增加、快速增加、稳定、减少四个阶段的变化。学生补充：酵母菌生活的适宜温度是28℃左右。学生再补充：都有一个最大的数量。4.尝试解释种群数量变化的原因，建构数学模型I.调整期讨论：曲线图表明在培养初期，酵母菌的数量变化特点是什么，原因是什么？3教师引导学生想象接种初期，酵母菌对新的环境有一个调整和适应的过程，包括营养、pH、渗透压、温度等的变化，呈现出不立即繁殖的特点。这个时期的长短与菌种、培养条件等因素有关，称为调整期。分析：调整期的内因是什么？请用细胞代谢的知识来解释。启发：第二阶段酵母菌发生怎样的变化，这需要调整期做好哪些准备？生：细胞代谢活跃，体积增长较快，大量合成细胞增殖所需的物质和能量。实践应用：结合生产生活，明确微生物的调整期有哪些应用？生：在啤酒生产中，设法创设有利条件缩短酵母菌的调整期以加快发酵。学生补充：从营养、pH、渗透压、温度等方面抑制有害微生物的繁殖。II.指数期(对数期)分析讨论：教师让学生分析讨论曲线图的第二阶段。师：酵母菌经过调整期后，其数量有什么变化特点？生：迅速增加，由1个、2个、4个……师:怎样表达其第t代的数量（Nt）？生：Nt＝2t学生更正：不对，应该是N02t师：对。这个时期称为指数期(对数期)。讨论：酵母菌数量呈指数递增，需要哪些条件？教师启发下，与学生一起概括为：理想环境（空间、营养充裕，温度、pH适宜等）。师：把调整期和指数期(对数期)合起来的曲线像什么形状？生：“J”型。实践应用：结合生产生活，明确微生物的指数期有哪些应用？生：在啤酒生产中，设法创设有利条件缩短酵母菌的指数期以加快发酵。III.稳定期分析讨论：教师让学生分析讨论曲线图的第三阶段。师：酵母菌数量经过一段时间的指数期(对数期)变化后，发生什么变化？生：增加速度减慢，达到最大值后稳定一段时间。师：对。这个最大值称为环境容纳量（K值）。师：增加速度减慢的原因是什么？教师启发下，与学生一起概括为：环境变得恶劣（空间和营养不足，种内斗争加剧；CO2等代谢产物增加、pH改变等），导致增殖速度下降，死亡加剧。师：把调整期、指数期和稳定期合起来的曲线像什么形状？生：“S”型。实践应用：结合生产生活，明确微生物的稳定期有哪些应用？生：在啤酒生产中，设法创设有利条件维持酵母菌数量的最大值以加快发酵。讨论：有哪些措施？生：适时补充营养、调节pH、调节发酵温度、排出代谢废物等。IV.衰亡期分析讨论：教师让学生分析讨论曲线图的第四阶段。师：酵母菌数量经过一段时间的稳定期后，发生什么变化，原因是什么？教师启发下，与学生一起概括为：酵母菌数量不断减少，显微镜下看见细胞出现多种形态，甚至畸形。4原因是营养物质消耗殆尽，生长环境进一步恶化，有害代谢废物积累加剧，导致增殖速度下降，死亡加剧，新增细胞数小于死亡细胞数。4.不同pH下，酵母菌种群数量的变化及解释学生活动：教师让学生把全班以pH为自变量的第2、第5和第8小组的表格数据用曲线图绘出来，再通过对三个小组的曲线图的比较概括出结论。师：“可以得出哪些结论？”生：随时间的变化同样依次经过稳定期、指数期、稳定期和衰亡期四个阶段。学生补充：酵母菌的适宜pH为4.0～5.0左右。5.营养对酵母菌种群数量的影响学生活动：教师让学生把全班以营养为自变量的第4和第6小组的表格数据用曲线图绘出来，再通过对两个小组的曲线图的比较概括出结论。师：“可以得出哪些结论？”生：蒸馏水培养下，酵母菌的数量不断减少。说明酵母菌的生活需要从培养液中获取营养。6.得出结论（1）本节课的数学模型有表格数据、公式、曲线图。（2）①酵母菌在适宜条件下培养，种群数量依次经过稳定期、指数期、稳定期和衰亡期四个阶段，曲线先呈“J”型后呈“S”型。②酵母菌生活的适宜温度是28℃左右。③酵母菌的适宜pH为4.0～5.0左右。④酵母菌的生活需要从培养液中获取营养。7.知识归纳与应用（1）比较微生物培养过程中种群各阶段增长率的变化：0→0→0→0，最大在K/2点，实践应用：在养鱼、养鸡时维持在K/2。（2）让学生列表比较微生物培养过程中种群各阶段的变化特点、原因及其实践应用。8.深化（任选一题）1.假如你是肇庆蓝带啤酒厂的技术厂长，结合本节课谈谈你的发酵技术做法。2.鼓励有兴趣的同学利用课余结合生产生活实际确定探究课题，开展有关种群数量变化的类似探究实验。如在自然界中，既有需要减少其数量的对人类有害的生物，如鼠、蝗虫、入侵的水葫芦等以及某地的人口变化，也有需要增加其数量的生物如大熊猫、鲸等保护动物和羊、牛等种养的生物，为更好的改变他们的数量，就要弄清楚找出其种群数量变化规律和影响他们的种群数量变化的因素。3.收集当前啤酒生产销售的有关资料，为肇庆蓝带啤酒厂的发展尽一份力。（四）结果新课程改革提倡学生自主学习、合作学习和实验探究，要求教师充分发掘和利用本地的教学条件，努力为学生提供这样的机会和氛围，在探究过程中，从确定课题、制定计划、搜集资料、总结整理、交流评价五个连续的阶段中，使学生获得亲身参与研究探索的体验，促进学生形成善于质疑、乐于探究、努力求知的积极态度和情感，努力培养学生学会自主发现和提出问题，收集、分析和利用信息以及解决问题等多方面的探究能力，逐渐学会交流和分享探究的信息、创意及成果，发展乐于合作的团队精神和合作技能，形成严谨、求实的科学态度。引导学生了解科学对于自然、社会与人类的意义与价值，学会关心国家和社会的进步，形成对社会的责任心和使命感。本节课的教学设计就是在这种教学理念的指导下进行的。本节课的教学，课前能很好地利用本地的教学条件，课堂上能突出引导学生自主解