基于科学探究的“酵母细胞的固定化”实验教学

张培娥 王建华

江苏省邳州市第二中学(221300) 江苏省溧阳市南渡高级中学(213300)

2017年普通高中生物学课程标准提出，生物课程的基本理念之一是以学科素养为核心。而“科学探究”就是高中生物学科核心素养的重要内容。“科学探究”是指能够发现现实世界中的生物学问题，针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施以及结果的交流与讨论的能力。实验教学是进行科学探究的重要手段，也一直是中学生物学教学的难点和重点。在实际教学中，实验教学往往受教学条件、实验器材等的限制，准备一节实验课难度大，费时费力，有时一节实验课结束，实验不成功，或者实验效果不明显，打击了学生实验学习的积极性，严重影响课堂教学效果。所以，许多教师干脆不做实验，而是讲实验。但讲实验不利于学生知识的获取和能力的提升，不利于他们科学思维的养成。所以，我们在教学过程中要克服种种困难，想办法创造条件、改进实验，努力开出实验，做好实验。“酵母细胞的固定化实验”是苏教版选修1第3章“酶的应用技术实践”中“边做边学——酵母菌细胞的固定化技术”的内容，在组织学生实验的过程中，教师和学生一起进行实验探究，对实验器材、实验步骤等内容做了些许改进，以期更好地达到科学探究的目的。

1 实验器材及药剂的改进

苏教版教材中用酒精灯小火间断加热，在实验中发现使用酒精灯加热，学生一不留神，就会使海藻酸钠焦糊。为此我们换成水浴锅加热，既不会使海藻酸钠焦糊，同时也可以控制温度。为了简化实验，用质量分数为10%的葡萄糖溶液代替麦芽汁。用适宜浓度的海藻酸钠代替聚乙烯醇和海藻酸钠的混合物。

1.1 实验仪器

水浴锅，量筒，洗瓶，玻璃棒，50 mL、250 mL、500 mL的烧杯各1个，镊子，20 mL的注射器(无针头)等。

1.2 实验材料

安琪干酵母、氯化钙粉末、海藻酸钠粉末、10%的葡萄糖溶液、蒸馏水。

2 实验方案的改进

为了在有限的时间内让学生进行更深入的实验探究，在实验方案上，将全班学生进行分组，探究以下4个方面的问题。

2.1 不同浓度的海藻酸钠对凝胶珠的影响

教材中同质量的海藻酸钠加10 mL的水，能形成凝胶珠吗？不同浓度的海藻酸钠对形成凝胶珠有何不一样？实验中要配制不同浓度相同体积的海藻酸钠溶液用水浴加热至完全溶解，冷却至室温待用，定容。用0.7 g海藻酸钠和20 mL蒸馏水，通过预实验找到合适的海藻酸钠浓度。建议配制浓度：0.1 g海藻酸钠和20 mL蒸馏水、0.7 g海藻酸钠和20 mL蒸馏水、1.0 g海藻酸钠和20 mL蒸馏水。

2.2 不同浓度的氯化钙溶液对凝胶珠的影响

教材中为什么要0.05 mol/L CaCl2溶液？其他浓度可以吗？对凝胶珠的形成有什么影响？氯化钙溶液的浓度建议为：0 mol/L、 0.05 mol/L、0.15 mol/L。

2.3 探究距离氯化钙液面的高度凝胶珠的影响

探究距离CaCl2液面不同高度，所得凝胶珠情况。观察制备形成凝胶颗粒的形态、颜色及弹性并记录结果。

2.4 探究推注射器的速度对凝胶珠的影响

教材中要求以恒定的速度缓慢地将注射器中的混合液滴加至氯化钙溶液中，在氯化钙溶液里浸泡30 min。为什么要以恒定的速度缓慢地滴加？我们设计小组合作探究推注射器的速度，仔细观察不同速度对凝胶珠形成的影响。

3 实验操作过程的改进

对实验操作过程进行适当的改进，小组内合理分工，仔细观察，要求学生认真设计好本小组的实验方案，并进行交流。

3.1 酵母细胞活化过程的改进

课堂时间短，没有充分的时间让学生进行酵母细胞的活化。所以，教师应提前做好准备，让每个小组安排学生代表活化酵母细胞，活化好后每组取适量待用。探究过程中，学生发现，按教材上用蒸馏水活化1 h，无论活化多长时间都没有大量气泡出现，也没有体积变大的现象。通过师生共同探究，发现酵母细胞活化的最佳途径:温度30 ℃，在5%～10%的葡萄糖溶液中活化30 min。在实际教学中，这种方案活化酵母细胞时体积会变大，应选体积足够大的容器，防止酵母细胞活化液溢出。但在取已活化好的酵母细胞时，要静置一段时间，否则有大量气泡，影响凝胶珠的形成。

3.2 海藻酸钠溶液配制的改进

海藻酸钠的溶解是实验的重要一步，为了使海藻酸钠又快又好的溶解，在具体实验过程中可以改变加热方式：将用酒精灯加热改为水浴加热，由于受热均匀就不会出现焦糊的现象。水浴锅的温度设置为多少合适呢？一些参考资料建议水浴90 ℃以上，溶解较理想。事实上经过多次实验，温度高于65 ℃，学生感觉烫手，不容易操作；温度过低，溶解耗时较长。经过反复探究发现：温度设置为60 ℃左右较好，既不烫手，而且3～5 min内海藻酸钠就可以完全溶解。溶解的快慢还与学生用玻璃棒搅拌的速度和技巧有关。(偶然一次不认真听课的学生在做实验时，把海藻酸钠放入盛有20 mL蒸馏水的小烧杯里，就开始搅拌。当学生询问：“老师，这样搅拌好了吗？”笔者发现没有安全性问题，索性不让他进行水浴加热，让其继续搅拌，居然完全溶解了，但时间较长。)实验时应指导学生认真、仔细观察海藻酸钠溶解前后的现象，培养学生认真观察实验的良好习惯。

3.3 酵母菌细胞与海藻酸钠混合的改进

酵母菌细胞与海藻酸钠混合，搅拌使其混合均匀，然后转移至注射器中。活化好的酵母细胞不能立即加到刚溶化好的海藻酸钠溶液中，以免高温杀死酵母细胞，一定要等海藻酸钠溶液冷却至室温后再加入。但是室温25 ℃，不容易把握。实验过程中建议同学们用手臂接触小烧杯底部，感觉不热(与手臂温度差不多)就可以了，这样进行实验简单、安全、易操作。受水浴加热的启发，也可以用冷水浴加速冷却，节省实验时间。加入酵母菌细胞后，还要进行充分搅拌，使其混合均匀，这时的搅拌要轻缓，减少气泡的产生，避免因气泡而影响凝胶珠的质量。

4 探究实验结果的交流展示

4.1 不同浓度的海藻酸钠制备的凝胶颗粒的差异

高浓度的海藻酸钠形成蝌蚪状、面条状的凝珠；低浓度海藻酸钠形成的圆形凝胶珠，颜色浅、弹性差、易挤破；适宜浓度的海藻酸钠形成圆形、有弹性、浅黄色的合格的凝胶珠。

4.2 用不同浓度的CaCl2溶液制备的凝胶颗粒

用0 mol/L的CaCl2溶液即蒸馏水，制备凝胶，固定化酵母细胞先呈圆球形，再变成蝌蚪状沉入烧杯底部，并很快溶解在水里，也进一步说明CaCl2溶液是凝固剂；用0.05 mol/L的CaCl2溶液制备凝胶形成圆球形凝胶珠；用0.15 mol/L的CaCl2溶液制备凝胶形成圆形凝胶珠，但弹性更强，不容易挤破。由于课堂时间有限，可以课后继续探究更多组CaCl2溶液的浓度变化对凝胶珠形成的影响。

4.3 距离CaCl2溶液液面不同高度制备的凝胶颗粒

距离过小，会有拖尾现象；距离过高，形成圆形或椭圆形颗粒，但CaCl2溶液容易溅出。10～15 cm为最佳高度，超过20 cm形成椭圆形凝胶珠。

4.4 用不同速度推注射器制备的凝胶颗粒

推注射器的速度过快容易形成凝胶面条或凝胶蝌蚪状，因此需要以恒定的速度缓慢地将注射器中的溶液滴加到配制好的CaCl2溶液中。但实际操作中不容易把握速度、高度和力度。针对这个问题，学生提出，可不可以像病人输液一样，设计出一套装置以“输液”的方式，固定高度，以恒定的速度滴加混合液。此时教师可鼓励学生课后设计并制作相关“输液”装置，以达到预设的目的。

5 凝胶珠品质的检测

实验结束时，让学生动手挤压、摔打制好的凝胶珠，仔细观察不同条件下形成的凝胶珠有何不一样？容易弹起来的、不易挤破的、圆形的凝胶球为制作合格的产品。但最终检测凝胶珠品质的方式，还是通过酒精发酵来达成的。

滤出凝胶颗粒，用蒸馏水冲洗2～3次。用固定化酵母细胞发酵质量分数10%的葡萄糖溶液，在25 ℃条件下发酵24 h。学生对于动手酿酒非常感兴趣，为了便于观察，每一小组用自制的凝胶珠发酵无菌葡萄糖溶液，用干净的250 mL的矿泉水瓶作发酵容器，随时可以观察发酵过程中是否有气泡产生、哪组气泡产生得较多、哪组酒味更浓？具体过程如下。

在锥形瓶中各加入等量等浓度的葡萄糖溶液，加入等量不同浓度的海藻酸钠制得不同形状或不同颜色的凝胶珠，并在适宜环境中发酵24 h。也可用一次性杯子或用250 mL的矿泉水瓶代替锥形瓶，带回教室继续观察。但是注意，矿泉水瓶盖太松、瓶倒了液体容易流出；如果拧紧瓶盖，由于有氧呼吸和无氧呼吸，产生很多二氧化碳气体，瓶内压强大，打开瓶盖时一定注意安全，最好每隔一段时间，放一下气。实验结果发现，低浓度的海藻酸钠制备的凝胶珠孔径大，包埋的酵母菌细胞少，发酵产生的气泡少，气球没有被吹大；高浓度的海藻酸钠制备的凝胶珠孔径小，也能发酵，但效果不理想；合格的凝胶珠发酵效果最好，产生的气体最多，气球被吹的最大。除了感知有气体产生，也闻到了酒味(注意实验的酒不能品尝)。学生就此还设计了实验检测产生的气体，以及用酸性重铬酸钾来检测是否有酒精产生。

6 实验反思

一个学生实验，需要教师和学生付出更多的精力，但通过实验所得的收获也是“讲实验”所远远不能企及的。在具体的实验过程中，要及时发现学生的闪光点并及时予以鼓励，甚至要让学生通过实验来验证自己的想法。要在教材实验的基础上积极进行拓展实验，引导学生勇敢尝试，让学生自主地进行实验探究。“酵母细胞的固定化”实验可以继续探究的问题还很多，如凝胶珠在CaCl2溶液中浸泡时间的长短对凝胶珠的影响；注射器的大小、有无针头对实验的影响；固定化酵母细胞可重复使用几次等。在探究中分析、总结、展示、交流，以加深对实验的体验和理解。实验课，就要放手让学生去做，在做中发现问题、分析并处理问题。学生的思维远比教师想象的要活跃。只要在实验过程中有所思、有所想、有所动，实验的失败与成功一样有意义。