酵母細(xì)胞固定化實驗改進(jìn)教學(xué)設(shè)計范文

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摘要：教材中酵母細(xì)胞的固定化實驗步驟耗時長，不能在一節(jié)常規(guī)實驗課中完成。對教材中的實驗步驟進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，大大縮短實驗時間，而且通過改進(jìn)發(fā)酵裝置，讓實驗結(jié)果更加直觀。

關(guān)鍵詞：酵母細(xì)胞；海藻酸鈉；實驗改進(jìn)

酵母細(xì)胞的固定化是人教版《生物(選修1)》生物技術(shù)實踐中專題4中的一個實驗，包括制備固定化酵母細(xì)胞和用固定化酵母細(xì)胞發(fā)酵兩個實驗過程。然而，按照教材中的實驗流程，酵母細(xì)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(xì)胞(凝膠珠)轉(zhuǎn)移到葡萄糖溶液中發(fā)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(jié)常規(guī)實驗課中完成，一個教學(xué)班至少需要三個不同日期的連續(xù)實驗課才能完成一次完整的實驗。對該實驗的操作步驟進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提高實驗效率，大大縮短實驗時間，讓整個實驗?zāi)茉谝还?jié)實驗課(40分鐘)內(nèi)完成，而且讓發(fā)酵的觀察效果更加直觀。

一、實驗方法的改進(jìn)

1.酵母細(xì)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(xì)胞混合均勻成糊狀，放置1h左右，使其活化[1]。實驗改進(jìn)：通過反復(fù)實驗，得出酵母細(xì)胞活化不需要1h，1g干酵母加入10mL蒸餾水進(jìn)行活化，用玻璃棒攪拌，15min便可以使得酵母細(xì)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(diào)成糊狀，直至完全溶化，用蒸餾水定容至10mL。實驗改進(jìn)：0.7g海藻酸鈉用10mL蒸餾水進(jìn)行溶化的配比，在教材實驗操作

(一)“制備固定化酵母細(xì)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(fā)酵效率，而且也會影響學(xué)生對固定化酶技術(shù)中酶顆粒形狀的直觀感受。通過反復(fù)實驗，得出以下實驗改進(jìn)。(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(jié)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(wěn)定的溫度環(huán)境，節(jié)省實驗時間。將水浴鍋的溫度調(diào)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(xué)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(zhǔn)備好盛冷水的大燒杯，將盛有剛?cè)芑煤Ｔ逅徕c的小燒杯放在冷水中快速冷卻，節(jié)約實驗時間。3.酵母細(xì)胞的發(fā)酵教材中的實驗操作

(二)第2步，將150mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的葡萄糖溶液轉(zhuǎn)移到200mL的錐形瓶中，再加入固定好的酵母細(xì)胞，置于25℃下發(fā)酵24h。實驗改進(jìn)：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(xì)的塑料瓶。瓶子可以讓學(xué)生自己在實驗前準(zhǔn)備，盡量要求學(xué)生攜帶同一規(guī)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(xì)胞(凝膠珠)，在瓶口處套上氣球。學(xué)生將此裝置帶回課室或家里繼續(xù)觀察，約4～6h后可見氣球鼓起，氣體為酵母細(xì)胞發(fā)酵產(chǎn)生的大量二氧化碳(如圖3所示)。

二、實驗教學(xué)設(shè)計

1.教學(xué)目標(biāo)研究固定化酶和固定化細(xì)胞的作用和原理。嘗試制備固定化酵母細(xì)胞，并利用固定化酵母細(xì)胞進(jìn)行酒精發(fā)酵[2]。2.實驗前的藥品和儀器準(zhǔn)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(xué)過程

1.導(dǎo)入實驗向?qū)W生介紹“固定化酶的應(yīng)用實例——高果糖漿的生產(chǎn)”，讓學(xué)生對酶催化反應(yīng)有初步認(rèn)識；講解固定化酶和固定化細(xì)胞技術(shù)、固定化的方法、常用載體等基礎(chǔ)知識。在學(xué)生對固定化細(xì)胞技術(shù)有一定的了解后，過渡到酵母細(xì)胞的固定化實驗。2.明確要求及實驗改進(jìn)的步驟首先引導(dǎo)學(xué)生熟悉教材實驗中的原理、步驟，其次講解優(yōu)化后實驗步驟的改進(jìn)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(xì)胞混合液的滴定高度。

四、STEAM教育對學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)的積極作用根據(jù)

STEAM教育理念，教師利用社團(tuán)課引導(dǎo)學(xué)生初步探索以具體的項目或者問題為學(xué)習(xí)的中心，實現(xiàn)有效的跨學(xué)科整合的教學(xué)過程。在這一學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生通過自己上網(wǎng)找資料，學(xué)習(xí)學(xué)科的知識，設(shè)計方案，改進(jìn)方案，學(xué)習(xí)并使用軟件處理大量的實驗數(shù)據(jù)。通過這種實驗探究活動，學(xué)生可以將科學(xué)、技術(shù)、工程、人文、藝術(shù)和數(shù)學(xué)等多個學(xué)科進(jìn)行交叉融合，由實踐解決現(xiàn)實問題、進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，不斷培養(yǎng)和提升創(chuàng)新素養(yǎng)[7]。現(xiàn)在學(xué)生提出的探究活動，不再局限于化學(xué)本學(xué)科的現(xiàn)實問題，而是更加大膽地跨越學(xué)科壁壘進(jìn)行實驗猜想，例如學(xué)生提出探究防水涂層材料和活性炭進(jìn)行一定比例的混合能否設(shè)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(xué)科、多領(lǐng)域，對于學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)的形成有天然的優(yōu)勢，同時也創(chuàng)造出許多傳統(tǒng)學(xué)科所不具備的主題，如環(huán)境保護(hù)等，這都有助于學(xué)生形成系統(tǒng)全面的創(chuàng)新品格和創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)

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作者：彭韶沖 單位：廣東廣雅中學(xué)