實(shí)驗(yàn)案例

對(duì)人教版選修1中專題4“酶的研究與利用”課題3“酵母細(xì)胞的固定化”的實(shí)驗(yàn)制作教學(xué)思考和設(shè)計(jì)如下：

（1）提出實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡乃悸罚褐R(shí)要承上啟下，溫故而知新，所以筆者通過(guò)對(duì)直接使用酶存在哪些問(wèn)題引出實(shí)驗(yàn)的目的。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾釂?wèn)為什么要將酶和細(xì)胞進(jìn)行固化，讓學(xué)生說(shuō)出直接使用酶制劑存在的缺陷，明確動(dòng)手實(shí)驗(yàn)制作固定化酵母的原因所在，體會(huì)固定化細(xì)胞的制作和固定化酶的作用。

課件設(shè)計(jì)：研究目的：

在應(yīng)用酶的過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)了一些實(shí)際問(wèn)題：酶通常對(duì)強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、高溫和有機(jī)溶劑等條件非常敏感，容易失活；溶液中的酶很難回收，提高了生產(chǎn)成本，也可能影響產(chǎn)品質(zhì)量。在本課題中，我們將動(dòng)手制備固定化酵母細(xì)胞，體會(huì)固定化酶的作用。

（2）引出實(shí)驗(yàn)方法的思路：通過(guò)溫習(xí)回顧固定化酶和細(xì)胞的三種方法，突出固定化細(xì)胞適合哪種方法，從而讓學(xué)生明確用包埋法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

對(duì)實(shí)驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)：提問(wèn)固定化酶和固定化細(xì)胞有哪三種方法，學(xué)生答出后，進(jìn)一步問(wèn)固定化細(xì)胞常用哪種方法，引出包埋法。

課件展示：將酶和細(xì)胞固定化的方法有：

包埋法、化學(xué)結(jié)合法和物理吸附法（表1）。

（3）介紹實(shí)驗(yàn)材料和用具的思路：因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)使用的材料用具干酵母，海藻酸鈉，無(wú)水CaCl₂、蒸餾水、燒杯、玻璃棒、酒精燈、三角架、石棉網(wǎng)（或者水浴鍋）、注射器、10%的葡萄糖溶液等材料中，學(xué)生只對(duì)海藻酸鈉沒(méi)有感性認(rèn)識(shí)，而本實(shí)驗(yàn)中對(duì)海藻酸鈉的使用又決定實(shí)驗(yàn)的成敗和實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量，所以，筆者重點(diǎn)給學(xué)生介紹了海藻酸鈉，為后面正確使用海藻酸鈉進(jìn)行了鋪墊。

介紹實(shí)驗(yàn)材料和用具的設(shè)計(jì)：提問(wèn)固定細(xì)胞有哪些材料，從而導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)將要使用的海藻酸鈉，先讓學(xué)生感性認(rèn)識(shí)固體狀態(tài)的海藻酸鈉（展示和讓學(xué)生認(rèn)識(shí)下實(shí)驗(yàn)桌上的實(shí)驗(yàn)用品海藻酸鈉），進(jìn)而說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)中需要將其溶解，溶解的過(guò)程就決定實(shí)驗(yàn)的成敗！因?yàn)槿芙夂Ｔ逅徕c需要加熱（可提問(wèn)學(xué)生：為什么要熱溶解海藻酸鈉？學(xué)生答：因?yàn)槠潆y溶解于水中），且加熱過(guò)程要小火反復(fù)進(jìn)行幾次。教師提示學(xué)生聯(lián)想家里大火燒飯，飯會(huì)怎樣。學(xué)生很容易想到大火溶解海藻酸鈉會(huì)使其焦糊！不僅如此，海藻酸鈉的濃度還會(huì)影響固定化細(xì)胞的質(zhì)量，在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中將讓學(xué)生體會(huì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生從簡(jiǎn)單模仿轉(zhuǎn)型為主動(dòng)探究！

課件設(shè)計(jì)：固定細(xì)胞的材料：

選取固定細(xì)胞時(shí)應(yīng)當(dāng)選用不溶于水的多孔性載體材料，如明膠、瓊脂糖、海藻酸鈉、醋酸纖維素和聚丙烯酰胺等。

對(duì)海藻酸鈉加熱熔化，決定實(shí)驗(yàn)的成敗；海藻酸鈉的濃度決定固定化細(xì)胞的質(zhì)量。

（4）闡明實(shí)驗(yàn)原理的思路：海藻酸鈉要將酵母細(xì)胞包埋起來(lái)，必然要將兩者溶液進(jìn)行融合，如何將融合的溶液形成凝膠固體，筆者從學(xué)生很熟悉的化學(xué)知識(shí)鈉離子和鈣離子的置換可以形成沉淀說(shuō)起，這樣學(xué)生就非常容易想到鈣離子，也就很容易理解和接受凝膠形成的原理——即海藻酸鈉溶液遇到鈣離子會(huì)形成凝膠，從而將酵母細(xì)胞包埋在凝膠中，達(dá)到固定化作用。

如何說(shuō)明凝膠珠在生產(chǎn)運(yùn)用中最為理想，筆者利用學(xué)生熟悉的數(shù)學(xué)和物理知識(shí)設(shè)計(jì)了想一想，讓學(xué)生比較：在同體積情況下，凝膠呈什么形狀，面積可達(dá)到最大化和摩擦損耗則為最小化？這樣讓學(xué)生明白今天的實(shí)驗(yàn)就要把酵母細(xì)胞包埋成凝膠珠。為了讓學(xué)生有感性認(rèn)識(shí)，筆者事先制成凝膠珠成品，展示給學(xué)生，使學(xué)生心中有數(shù)。

實(shí)驗(yàn)原理的設(shè)計(jì)：設(shè)疑提問(wèn)海藻酸鈉要將酵母菌包埋起來(lái)，兩溶液必然要進(jìn)行混合，酵母菌和海藻酸鈉混合液要形成凝膠固體，鈉離子和什么離子置換就可以形成固體沉淀？得到答案鈣離子后，進(jìn)而問(wèn)學(xué)生常用的是什么鈣鹽，使學(xué)生知道實(shí)驗(yàn)用的就是常見(jiàn)的鈣鹽CaCl₂。從師生互動(dòng)問(wèn)題中，學(xué)生掌握了實(shí)驗(yàn)原理，再拋出想一想：在生產(chǎn)運(yùn)用中，相同體積情況下，凝膠呈什么形狀，可以達(dá)到面積最大化和摩擦損耗最小化？學(xué)生得出圓形或者橢圓形——即凝膠珠。自然而然，就可以呈現(xiàn)筆者事先做好的凝膠珠。

課件設(shè)計(jì)：實(shí)驗(yàn)原理：

海藻酸鈉溶液遇到鈣離子會(huì)形成凝膠，從而將酵母細(xì)胞包埋在凝膠中，達(dá)到固定化作用。

想一想：在生產(chǎn)運(yùn)用中，同體積情況下，凝膠呈什么形狀，可以達(dá)到面積最大化和摩擦損耗最小化？

圓形或者橢圓形——即凝膠珠。

（5）介紹實(shí)驗(yàn)步驟的思路：如果讓學(xué)生只是按書(shū)中實(shí)驗(yàn)步驟去完成實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有思考，那么學(xué)生即使完成了實(shí)驗(yàn)也是比較被動(dòng)的，甚至對(duì)試劑的用量也是稀里糊涂的，所以依葫蘆畫(huà)瓢做出來(lái)的實(shí)驗(yàn)只限于模仿，缺乏對(duì)實(shí)驗(yàn)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)和對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的探究。針對(duì)這樣情況，筆者在實(shí)驗(yàn)的每一步都設(shè)計(jì)了相關(guān)的問(wèn)題，讓學(xué)生知道做的所以然。而對(duì)學(xué)生可能想不出的一些問(wèn)題，給于一定的提示，如：為什么配制的CaCl₂溶液濃度為0.05mol/L？生理鹽水的濃度含義是什么？生理鹽水和人體細(xì)胞內(nèi)液等滲。這樣學(xué)生能夠很容易想到0.05mol/L CaCl₂溶液和酵母菌細(xì)胞內(nèi)液是等滲的。

筆者還設(shè)計(jì)了對(duì)照組實(shí)驗(yàn)。因?yàn)榍懊嫣岬胶Ｔ逅徕c的濃度影響固定化細(xì)胞的質(zhì)量，所以筆者讓一個(gè)小組配制濃度過(guò)低的海藻酸鈉溶液如取海藻酸鈉的量0.3g；設(shè)另外一組配制濃度過(guò)高的海藻酸鈉溶液如取海藻酸鈉的量1.0g；其他為標(biāo)準(zhǔn)組取海藻酸鈉0.7g，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這樣讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中去體會(huì)探究海藻酸鈉的濃度對(duì)固定化細(xì)胞質(zhì)量的影響，印象會(huì)更深刻。

另外，對(duì)實(shí)驗(yàn)中的技巧要給于學(xué)生一定的指導(dǎo)。熟能生巧，學(xué)生首次做這樣的實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)，所以教師要在細(xì)節(jié)上給于學(xué)生進(jìn)行一定的指導(dǎo)。有時(shí)實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)就會(huì)決定實(shí)驗(yàn)的成敗！本實(shí)驗(yàn)在將海藻酸鈉和酵母細(xì)胞溶液混合后，用注射器滴加到配制好的CaCl₂溶液就有一定的技巧，應(yīng)距離液面15cm～30cm為好，因?yàn)檫^(guò)低，凝膠珠易帶尾巴。筆者提示學(xué)生自己嘗試由低到高找到滴加的最合適距離，這是技巧之一。技巧之二，標(biāo)準(zhǔn)組的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如果將海藻酸鈉和酵母細(xì)胞的混合液用注射器滴加到配制好的CaCl₂溶液時(shí)，始終不能成凝膠珠，筆者建議他們可逐次加1mL水調(diào)和，直至形成凝膠珠。這是因?yàn)椋瑢W(xué)生在配制海藻酸鈉過(guò)程中可能稱量多了或者加熱溶解海藻酸鈉沒(méi)有進(jìn)行補(bǔ)水，導(dǎo)致海藻酸鈉海濃度過(guò)高，另外藻酸鈉的濃度還受到所買(mǎi)的批次相關(guān)，這是學(xué)生不知道的。當(dāng)然，這些技巧可讓學(xué)生先照著做，讓學(xué)生思考教師提出這樣的建議原因，等教師對(duì)實(shí)驗(yàn)評(píng)析時(shí)，學(xué)生會(huì)各抒己見(jiàn)，教師加以指導(dǎo)，總結(jié)結(jié)果。這樣可起到學(xué)生動(dòng)手又動(dòng)腦作用，提高學(xué)生參與性。

實(shí)驗(yàn)步驟的設(shè)計(jì)：筆者事先板書(shū)好實(shí)驗(yàn)5步驟，再用課件簡(jiǎn)要說(shuō)明每步的要領(lǐng)，用課件拋出每步相關(guān)問(wèn)題，讓學(xué)生思考：

①什么是活化？

②為什么用CaCl₂溶液并且濃度為0.05mol/L？

③為什么要用小火，或者間斷加熱海藻酸鈉，反復(fù)幾次？海藻酸鈉溶液過(guò)低或者過(guò)高會(huì)有什么實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？

④為什么海藻酸鈉溶液要冷卻到室溫？

⑤注射時(shí)注射器離液面過(guò)低有什么現(xiàn)象？凝膠珠浸泡30min左右的目的是什么？

學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間可控制在20min左右，基本可完成。因?yàn)榻湍讣?xì)胞的活化要提前1h，故筆者事先已經(jīng)配制好，學(xué)生分工合作制需做其他四步驟。剩下時(shí)間可結(jié)合學(xué)生的實(shí)驗(yàn)加以評(píng)析。

（6）實(shí)驗(yàn)評(píng)析的思路是：首先將給學(xué)生思考的問(wèn)題，通過(guò)師生的共同討論得出答案。其中讓對(duì)照組的學(xué)生和標(biāo)準(zhǔn)組學(xué)生做的凝膠珠進(jìn)行比較，學(xué)生很容易理解海藻酸鈉濃度是怎樣影響酵母細(xì)胞固定化的質(zhì)量，進(jìn)而影響固定化細(xì)胞的運(yùn)用效果。第二評(píng)析凝膠珠的質(zhì)量是否合格，因?yàn)閷W(xué)生做的凝膠珠還不到30min，離子的置換是需要一定時(shí)間的，還不太好檢驗(yàn)，所以筆者用事先做好的凝膠珠示范檢驗(yàn)的兩種方法，這樣學(xué)生一目了然。至于為什么進(jìn)行這樣檢驗(yàn)，可讓學(xué)生自己討論下，很容易得出結(jié)論。

如果將在實(shí)驗(yàn)室操作的實(shí)驗(yàn)延伸到實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)用中，還應(yīng)該讓學(xué)生清楚，是有一定差距的，實(shí)際運(yùn)用中一定要注意無(wú)菌操作。

而對(duì)實(shí)驗(yàn)做的凝膠珠有無(wú)功效，筆者是作為課后的實(shí)驗(yàn)作業(yè)布置，是這樣處理的：事先讓每組學(xué)生準(zhǔn)備兩個(gè)飲料瓶，一個(gè)裝還尚需在CaCl₂溶液中繼續(xù)穩(wěn)定的凝膠珠，一個(gè)裝150mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%葡萄糖溶液，讓學(xué)生課后繼續(xù)做驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，觀察驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)評(píng)析的設(shè)計(jì)：討論在實(shí)驗(yàn)操作中的實(shí)驗(yàn)思考問(wèn)題，并且給出5大問(wèn)題的答案，尤其第3問(wèn)題中海藻酸鈉溶液過(guò)低或者過(guò)高會(huì)有什么實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。讓學(xué)生通過(guò)對(duì)海藻酸鈉不同濃度的實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果，即讓學(xué)生對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)組和對(duì)照組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。學(xué)生興趣盎然地得出結(jié)論：過(guò)低，凝膠珠顏色過(guò)淺發(fā)白；過(guò)高，難以形成凝膠珠。進(jìn)而再讓學(xué)生觀察凝膠珠的顏色和形狀。

教師進(jìn)一步評(píng)析：

①如果制作的凝膠珠顏色過(guò)淺、呈白色，則說(shuō)明什么？

②如果形成的凝膠珠不是圓形或橢圓形，則說(shuō)明什么？通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和對(duì)照組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的對(duì)比，學(xué)生很容易回答出。教師需要進(jìn)一步引導(dǎo)，海藻酸鈉濃度過(guò)低，雖然可以形成凝膠珠，但包埋的酵母菌少，會(huì)影響實(shí)驗(yàn)效果，生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程中會(huì)影響產(chǎn)量等。

③如何檢驗(yàn)?zāi)z珠的質(zhì)量是否合格？

筆者用事先做好的凝膠珠進(jìn)行示范：用鑷子夾起一個(gè)凝膠珠放在實(shí)驗(yàn)桌上用手?jǐn)D壓，如果凝膠珠不容易破裂，沒(méi)有液體流出，就表明凝膠珠的制作成功；在實(shí)驗(yàn)桌上用力摔打凝膠珠，如果凝膠珠很容易彈起，也能表明制備的凝膠珠是成功的。

而對(duì)實(shí)驗(yàn)的延伸，筆者設(shè)疑：為什么在工業(yè)生產(chǎn)中，酵母細(xì)胞的固定化是嚴(yán)格無(wú)菌的條件下進(jìn)行的？如果要求制作反復(fù)使用的固定化酵母細(xì)胞，應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中注意哪些問(wèn)題？學(xué)生討論第一問(wèn)就能得出雜菌混入會(huì)殺死酵母菌，后面一個(gè)問(wèn)題是開(kāi)放式的，學(xué)生能具體說(shuō)出事例，如要戴無(wú)菌手套、器具要消毒等，表明學(xué)生已經(jīng)注意到實(shí)際運(yùn)用時(shí)要注意的事項(xiàng)。

對(duì)實(shí)驗(yàn)作業(yè)布置，筆者要求學(xué)生把課堂上做好的凝膠珠用飲料瓶帶回到班級(jí)繼續(xù)穩(wěn)定到0.5h候后，沖洗，放人150mL10%葡萄糖溶液（也是從實(shí)驗(yàn)室用飲料瓶帶走的）封閉24h（因?yàn)樽鲞@個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，本地氣溫在25℃左右，故可讓學(xué)生帶到班級(jí)去觀察驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)）后，聞一聞是否有酒味，看一看是否有氣泡生成。這樣就完成了酵母細(xì)胞的固定化實(shí)驗(yàn)制作。

本實(shí)驗(yàn)課通過(guò)筆者的精心設(shè)計(jì)，對(duì)教材進(jìn)行了大膽的處理，實(shí)驗(yàn)流程由學(xué)生簡(jiǎn)單模仿教師按部就班的去做，轉(zhuǎn)型為引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，帶著問(wèn)題去主動(dòng)探究的過(guò)程，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生在整個(gè)課堂中的積極性。

教學(xué)過(guò)程的程序設(shè)計(jì)則一環(huán)扣一環(huán)，層層遞進(jìn)，教學(xué)程序問(wèn)題的設(shè)計(jì)承上啟下，詳略得當(dāng)，過(guò)渡自然，學(xué)生溫故而又知新。

實(shí)驗(yàn)步驟中問(wèn)題的設(shè)計(jì)和對(duì)照實(shí)驗(yàn)組的設(shè)計(jì)，更是激起學(xué)生對(duì)知識(shí)的好奇心和探究的愿望，讓學(xué)生動(dòng)手又動(dòng)腦，從理論指導(dǎo)實(shí)踐，又通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證理論，既達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果，又培養(yǎng)了學(xué)生辯證思維及動(dòng)手動(dòng)腦的能力，學(xué)生的思維能力在動(dòng)手親自嘗試的基礎(chǔ)上得到了充分的鍛煉。