酵母細胞固定化實驗改進教學設計范文

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摘要：教材中酵母細胞的固定化實驗步驟耗時長，不能在一節常規實驗課中完成。對教材中的實驗步驟進行改進和優化，大大縮短實驗時間，而且通過改進發酵裝置，讓實驗結果更加直觀。

關鍵詞：酵母細胞；海藻酸鈉；實驗改進

酵母細胞的固定化是人教版《生物(選修1)》生物技術實踐中專題4中的一個實驗，包括制備固定化酵母細胞和用固定化酵母細胞發酵兩個實驗過程。然而，按照教材中的實驗流程，酵母細胞活化步驟需要1小時，凝膠珠在CaCl2溶液中浸泡需要30分鐘，將固定好的酵母細胞(凝膠珠)轉移到葡萄糖溶液中發酵需要24小時，整個實驗需要超過一天的時間。可見這個實驗不可能在一節常規實驗課中完成，一個教學班至少需要三個不同日期的連續實驗課才能完成一次完整的實驗。對該實驗的操作步驟進行優化改進，提高實驗效率，大大縮短實驗時間，讓整個實驗能在一節實驗課(40分鐘)內完成，而且讓發酵的觀察效果更加直觀。

一、實驗方法的改進

1.酵母細胞的活化教材原文：稱取1g干酵母，放入50mL的小燒杯中，加入蒸餾水10mL，用玻璃棒攪拌，使酵母細胞混合均勻成糊狀，放置1h左右，使其活化[1]。實驗改進：通過反復實驗，得出酵母細胞活化不需要1h，1g干酵母加入10mL蒸餾水進行活化，用玻璃棒攪拌，15min便可以使得酵母細胞充分活化，不會對最終的實驗效果造成影響。2.海藻酸鈉溶液的配置教材原文：稱取0.7g海藻酸鈉，放入50mL小燒杯中，加入10mL水，用酒精燈加熱，邊加熱邊攪拌，將海藻酸鈉調成糊狀，直至完全溶化，用蒸餾水定容至10mL。實驗改進：0.7g海藻酸鈉用10mL蒸餾水進行溶化的配比，在教材實驗操作

(一)“制備固定化酵母細胞”步驟5中滴出來的凝膠珠由于海藻酸鈉濃度過高，會成“蝌蚪”狀(如圖1所示)。這不僅會降低凝膠珠的發酵效率，而且也會影響學生對固定化酶技術中酶顆粒形狀的直觀感受。通過反復實驗，得出以下實驗改進。(1)稱取0.25g海藻酸鈉，放入50mL小燒杯中，加入10mL蒸餾水。這樣的配比能使得滴出來的凝膠珠呈圓形或者橢圓形，而且能節省藥品使用量和縮短溶化時間(如圖2所示)。圖1呈蝌蚪狀的凝膠珠圖2呈圓形的凝膠珠(2)改用水浴鍋代替酒精燈加熱。水浴鍋能提供穩定的溫度環境，節省實驗時間。將水浴鍋的溫度調到90℃即可，實驗證明90℃可以將海藻酸鈉充分并快速溶化，而且能有效防止學生在操作過程中被水蒸氣燙傷。(3)增加試管夾和1L大燒杯。用試管夾夾著小燒杯在水浴鍋中加熱攪拌，可以防燙手；準備好盛冷水的大燒杯，將盛有剛溶化好海藻酸鈉的小燒杯放在冷水中快速冷卻，節約實驗時間。3.酵母細胞的發酵教材中的實驗操作

(二)第2步，將150mL質量分數為10%的葡萄糖溶液轉移到200mL的錐形瓶中，再加入固定好的酵母細胞，置于25℃下發酵24h。實驗改進：可將200mL的錐形瓶替換成小容量的飲料瓶，例如，100mL等容量小且瓶口細的塑料瓶。瓶子可以讓學生自己在實驗前準備，盡量要求學生攜帶同一規格的瓶子，以方便估算葡萄糖溶液的需要量。將10%葡萄糖裝入塑料瓶中，加入固定好的酵母細胞(凝膠珠)，在瓶口處套上氣球。學生將此裝置帶回課室或家里繼續觀察，約4～6h后可見氣球鼓起，氣體為酵母細胞發酵產生的大量二氧化碳(如圖3所示)。

二、實驗教學設計

1.教學目標研究固定化酶和固定化細胞的作用和原理。嘗試制備固定化酵母細胞，并利用固定化酵母細胞進行酒精發酵[2]。2.實驗前的藥品和儀器準備(兩人/組)(1)實驗材料：干酵母、無水CaCl2、海藻酸鈉、10%葡萄糖溶液、蒸餾水。(2)器材用具：電子天平1個、稱量紙2張、50mL燒杯2個、200mL燒杯1個、玻璃棒2根、20mL塑料注射器1個、試管夾1個、1000mL燒杯1個(用于冷卻和清洗凝膠)，90℃水浴鍋1個、小氣球2個。3.實驗步驟(見表1)

三、教學過程

1.導入實驗向學生介紹“固定化酶的應用實例——高果糖漿的生產”，讓學生對酶催化反應有初步認識；講解固定化酶和固定化細胞技術、固定化的方法、常用載體等基礎知識。在學生對固定化細胞技術有一定的了解后，過渡到酵母細胞的固定化實驗。2.明確要求及實驗改進的步驟首先引導學生熟悉教材實驗中的原理、步驟，其次講解優化后實驗步驟的改進部分，以及各個步驟的時間安排和注意事項。特別指出：海藻酸鈉的稱取量和配制比例，溶化海藻酸鈉的注意事項，海藻酸鈉酵母細胞混合液的滴定高度。

四、STEAM教育對學生創新素養的積極作用根據

STEAM教育理念，教師利用社團課引導學生初步探索以具體的項目或者問題為學習的中心，實現有效的跨學科整合的教學過程。在這一學習過程中，學生通過自己上網找資料，學習學科的知識，設計方案，改進方案，學習并使用軟件處理大量的實驗數據。通過這種實驗探究活動，學生可以將科學、技術、工程、人文、藝術和數學等多個學科進行交叉融合，由實踐解決現實問題、進行創新設計，不斷培養和提升創新素養[7]。現在學生提出的探究活動，不再局限于化學本學科的現實問題，而是更加大膽地跨越學科壁壘進行實驗猜想，例如學生提出探究防水涂層材料和活性炭進行一定比例的混合能否設計出新型的具有吸附功能的納米防水材料？STEAM教育由于涉及多學科、多領域，對于學生創新素養的形成有天然的優勢，同時也創造出許多傳統學科所不具備的主題，如環境保護等，這都有助于學生形成系統全面的創新品格和創新能力。

參考文獻

[1]范文翔,張一春.STEAM教育:發展、內涵與可能路徑[J].現代教育技術,2018,28(3):99-105.

[2]王娟,吳永和.“互聯網+”時代STEAM教育應用的反思與創新路徑[J].遠程教育雜志,2016,35(2):90-97.

[3]李小濤,高海燕,鄒佳人,等.“互聯網+”背景下的STEAM教育到創客教育之變遷:從基于項目的學習到創新能力的培養[J].遠程教育雜志,2016,34(1):28-36.

[4]楊玉佩.小學STEAM教育的實踐與思考[J].創新人才教育,2016(3):71-75.

[5]李晉凱.以化學為主題的STEAM課例設計與實施:以《鋁鹽與氫氧化鈉反應生成氫氧化鋁沉淀的實驗探究》為例[J].現代教育,2018(1):59-60.

[6]范文翔,張一春.STEAM教育:發展、內涵與可能路徑[J].現代教育技術,2018,28(3):99-105.

[7]師保國,高云峰,馬玉赫.STEAM教育對學生創新素養的影響及其實施策略[J].中國電化教育,2017(4):75-79.

作者：彭韶沖 單位：廣東廣雅中學