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酵母细胞固定化实验改进教学设计

2019/08/06 阅读:

摘要:教材中酵母细胞的固定化实验步骤耗时长,不能在一节常规实验课中完成。对教材中的实验步骤进行改进和优化,大大缩短实验时间,而且通过改进发酵装置,让实验结果更加直观。

关键词:酵母细胞;海藻酸钠;实验改进

酵母细胞的固定化是人教版《生物(选修1)》生物技术实践中专题4中的一个实验,包括制备固定化酵母细胞和用固定化酵母细胞发酵两个实验过程。然而,按照教材中的实验流程,酵母细胞活化步骤需要1小时,凝胶珠在CaCl2溶液中浸泡需要30分钟,将固定好的酵母细胞(凝胶珠)转移到葡萄糖溶液中发酵需要24小时,整个实验需要超过一天的时间。可见这个实验不可能在一节常规实验课中完成,一个教学班至少需要三个不同日期的连续实验课才能完成一次完整的实验。对该实验的操作步骤进行优化改进,提高实验效率,大大缩短实验时间,让整个实验能在一节实验课(40分钟)内完成,而且让发酵的观察效果更加直观。

一、实验方法的改进

1.酵母细胞的活化教材原文:称取1g干酵母,放入50mL的小烧杯中,加入蒸馏水10mL,用玻璃棒搅拌,使酵母细胞混合均匀成糊状,放置1h左右,使其活化[1]。实验改进:通过反复实验,得出酵母细胞活化不需要1h,1g干酵母加入10mL蒸馏水进行活化,用玻璃棒搅拌,15min便可以使得酵母细胞充分活化,不会对最终的实验效果造成影响。2.海藻酸钠溶液的配置教材原文:称取0.7g海藻酸钠,放入50mL小烧杯中,加入10mL水,用酒精灯加热,边加热边搅拌,将海藻酸钠调成糊状,直至完全溶化,用蒸馏水定容至10mL。实验改进:0.7g海藻酸钠用10mL蒸馏水进行溶化的配比,在教材实验操作

(一)“制备固定化酵母细胞”步骤5中滴出来的凝胶珠由于海藻酸钠浓度过高,会成“蝌蚪”状(如图1所示)。这不仅会降低凝胶珠的发酵效率,而且也会影响学生对固定化酶技术中酶颗粒形状的直观感受。通过反复实验,得出以下实验改进。(1)称取0.25g海藻酸钠,放入50mL小烧杯中,加入10mL蒸馏水。这样的配比能使得滴出来的凝胶珠呈圆形或者椭圆形,而且能节省药品使用量和缩短溶化时间(如图2所示)。图1呈蝌蚪状的凝胶珠图2呈圆形的凝胶珠(2)改用水浴锅代替酒精灯加热。水浴锅能提供稳定的温度环境,节省实验时间。将水浴锅的温度调到90℃即可,实验证明90℃可以将海藻酸钠充分并快速溶化,而且能有效防止学生在操作过程中被水蒸气烫伤。(3)增加试管夹和1L大烧杯。用试管夹夹着小烧杯在水浴锅中加热搅拌,可以防烫手;准备好盛冷水的大烧杯,将盛有刚溶化好海藻酸钠的小烧杯放在冷水中快速冷却,节约实验时间。3.酵母细胞的发酵教材中的实验操作

(二)第2步,将150mL质量分数为10%的葡萄糖溶液转移到200mL的锥形瓶中,再加入固定好的酵母细胞,置于25℃下发酵24h。实验改进:可将200mL的锥形瓶替换成小容量的饮料瓶,例如,100mL等容量小且瓶口细的塑料瓶。瓶子可以让学生自己在实验前准备,尽量要求学生携带同一规格的瓶子,以方便估算葡萄糖溶液的需要量。将10%葡萄糖装入塑料瓶中,加入固定好的酵母细胞(凝胶珠),在瓶口处套上气球。学生将此装置带回课室或家里继续观察,约4~6h后可见气球鼓起,气体为酵母细胞发酵产生的大量二氧化碳(如图3所示)。

二、实验教学设计

1.教学目标研究固定化酶和固定化细胞的作用和原理。尝试制备固定化酵母细胞,并利用固定化酵母细胞进行酒精发酵[2]。2.实验前的药品和仪器准备(两人/组)(1)实验材料:干酵母、无水CaCl2、海藻酸钠、10%葡萄糖溶液、蒸馏水。(2)器材用具:电子天平1个、称量纸2张、50mL烧杯2个、200mL烧杯1个、玻璃棒2根、20mL塑料注射器1个、试管夹1个、1000mL烧杯1个(用于冷却和清洗凝胶),90℃水浴锅1个、小气球2个。3.实验步骤(见表1)

三、教学过程

1.导入实验向学生介绍“固定化酶的应用实例——高果糖浆的生产”,让学生对酶催化反应有初步认识;讲解固定化酶和固定化细胞技术、固定化的方法、常用载体等基础知识。在学生对固定化细胞技术有一定的了解后,过渡到酵母细胞的固定化实验。2.明确要求及实验改进的步骤首先引导学生熟悉教材实验中的原理、步骤,其次讲解优化后实验步骤的改进部分,以及各个步骤的时间安排和注意事项。特别指出:海藻酸钠的称取量和配制比例,溶化海藻酸钠的注意事项,海藻酸钠酵母细胞混合液的滴定高度。

四、STEAM教育对学生创新素养的积极作用根据

STEAM教育理念,教师利用社团课引导学生初步探索以具体的项目或者问题为学习的中心,实现有效的跨学科整合的教学过程。在这一学习过程中,学生通过自己上网找资料,学习学科的知识,设计方案,改进方案,学习并使用软件处理大量的实验数据。通过这种实验探究活动,学生可以将科学、技术、工程、人文、艺术和数学等多个学科进行交叉融合,由实践解决现实问题、进行创新设计,不断培养和提升创新素养[7]。现在学生提出的探究活动,不再局限于化学本学科的现实问题,而是更加大胆地跨越学科壁垒进行实验猜想,例如学生提出探究防水涂层材料和活性炭进行一定比例的混合能否设计出新型的具有吸附功能的纳米防水材料?STEAM教育由于涉及多学科、多领域,对于学生创新素养的形成有天然的优势,同时也创造出许多传统学科所不具备的主题,如环境保护等,这都有助于学生形成系统全面的创新品格和创新能力。

参考文献

[1]范文翔,张一春.STEAM教育:发展、内涵与可能路径[J].现代教育技术,2018,28(3):99-105.

[2]王娟,吴永和.“互联网+”时代STEAM教育应用的反思与创新路径[J].远程教育杂志,2016,35(2):90-97.

[3]李小涛,高海燕,邹佳人,等.“互联网+”背景下的STEAM教育到创客教育之变迁:从基于项目的学习到创新能力的培养[J].远程教育杂志,2016,34(1):28-36.

[4]杨玉佩.小学STEAM教育的实践与思考[J].创新人才教育,2016(3):71-75.

[5]李晋凯.以化学为主题的STEAM课例设计与实施:以《铝盐与氢氧化钠反应生成氢氧化铝沉淀的实验探究》为例[J].现代教育,2018(1):59-60.

[6]范文翔,张一春.STEAM教育:发展、内涵与可能路径[J].现代教育技术,2018,28(3):99-105.

[7]师保国,高云峰,马玉赫.STEAM教育对学生创新素养的影响及其实施策略[J].中国电化教育,2017(4):75-79.

作者:彭韶冲 单位:广东广雅中学

酵母细胞固定化实验改进教学设计

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