“分解纖維素的微生物的分離實驗”教學設計

崔旭東 （北京市第一〇一中學 北京 100091）

“分解纖維素的微生物的分離”教學內容屬選修1生物技術實踐模塊。課程標準要求學生在自學相關知識的基礎上，由教師提供實驗條件及必要的參考資料，指導學生設計和進行實驗。這對學生信息獲取能力和探究能力的培養有著積極的推動作用。北京市高考主要是對學生生物學素養的考查，科學探究是其中之一，非選擇題部分均直接考查實驗或以實驗為背景的知識。加強實驗教學對學生的未來發展和生物學核心素養的提高都極為必要。而基于對課程標準要求和生物學核心素養整體認識的實驗教學設計是實現這一要求的前提。

1 教材分析

“分解纖維素的微生物的分離”是人教版選修1專題2中課題3的內容，是在介紹了無菌操作、培養基配制，實踐了尿素分解菌分離的基礎之上對相關知識和能力的進一步強化，在本模塊中起著鞏固和提高的作用。本節課內容主要有兩大部分，一部分是纖維素與纖維素酶，另一部分是纖維素分解菌的分離，其中纖維素酶的作用、選擇培養、剛果紅染色法原理及過程是本節課特有的內容，需要學生理解和掌握。本節課題難度較大，探究性也較強，適合設計成學生參與的探究性學習課程。

2 學情分析

通過前2節課的學習，學生已對無菌操作、滅菌原理、梯度稀釋、劃線涂布有了一定了解，對分離目標生物的原則和過程有了初步認識，并對分離目標生物產生了初步興趣。在此基礎上，引導學生盡可能多地自主開展實踐，有利于學生加深對知識的理解和運用，提高解決問題的能力。

3 教學目標

1）知識目標：簡述纖維素酶的種類和作用；描述分離分解纖維素的微生物的實驗過程；理解分離分解纖維素的微生物的實驗操作原理。

2）能力目標：運用無菌操作等微生物培養技術，從土壤中分離分解纖維素的微生物；通過小組合作，獲取信息，設計科學實驗，解決實驗過程中的問題，分析實驗結果。

3）情感態度與價值觀目標：認同取樣環境的選擇、嚴謹的實驗設計、處理方法等在生物探究實驗中的重要作用；認同纖維素分解菌在自然界中的作用及潛在的可利用價值。

4 教學重、難點

從土壤中分離分解纖維素的微生物。

5 教學設計思路

依據激發學生進行探究性學習的原則，“分解纖維素的微生物的分離”需用2課時完成，本教學設計為第1課時。在本節課的設計中先由教師向學生展示自己的實驗結果，激起學生對纖維素和纖維素酶的興趣。在此基礎上提出從使卷煙紙消失的土壤中原位分離纖維素分解微生物的問題，和學生一起完成分離的步驟及注意事項，使學生對整個實驗有完整而清晰的認識。課后,學生結合課堂內容及上節課的經驗，按事先分好的小組進行實驗流程和細節的討論，并實施實驗，教師適時給予指導。若干天后的第2課時，各個小組進行實驗結果展示、問題討論，教師參與討論并點評。通過教師引導，學生親身參與實踐，加強科學探究、理性思維等素養的培養。

6 教學流程

6.1 發生在土與紙之間的秘密——設謎導入，提出問題

教師展示：卷煙紙消失實驗的設計及結果。

表1 卷煙紙消失實驗設計表

圖1 卷煙紙消失實驗結果

依據呈現的實驗結果，教師提問：

1）B1、B2中的卷煙紙去哪里了？給大家3 min進行討論。學生：思考、按小組相互討論，進行各種猜測。教師：根據學生的討論情況，追加提示性的提問：紙的主要成分是什么？土壤中有什么？

通過思考和討論，以及教師的引導，學生認識到紙張的主要組成成分是纖維素，纖維素是由葡萄糖分子聚合而成的，土壤中的某些微生物分解了卷煙紙。

2）土壤中的某些微生物為什么能分解纖維素？學生：思考并按小組相互討論。

教師根據學生的討論情況依次展示纖維素、纖維素酶的結構圖，以及纖維素被纖維素酶分解的過程。

6.2 分解纖維素的微生物的原位分離——解決問題

教師提問：大家推測是土壤中的微生物分解了卷煙紙，能否將這些微生物從讓卷煙紙消失的土壤中分離出來？如何分離？

學生：以從土壤中分離分解尿素的微生物為基礎，思考并分組討論從B1、B2土樣中分離分解纖維素的微生物的方法和過程。

教師講解：要從卷煙紙消失的原位分離分解纖維素的微生物，首先要做的是取樣。

6.2.1 土壤取樣

教師提問：通過卷煙紙消失實驗已經知道B1、B2土樣中有分解纖維素的微生物，如何取樣才能提高分離成功的概率？

學生分小組討論并回答教師提出的問題。認識到原位分離，可以在卷煙紙消失的相應部位表層多點取樣，再混勻備用。

6.2.2 選擇培養

教師講解：取完土樣后是否像從土壤中分離尿素分解菌那樣制備土壤懸液進行梯度稀釋？如果土樣中的相關微生物較少，如何采取措施保證分離成功？

學生分組討論，認識到土壤中分解纖維素的微生物可能不像分解尿素的微生物那樣多，為確保分離成功，可以取部分土樣，轉移到含有大量纖維素的培養基中進行培養——即選擇培養，然后再進行梯度稀釋和平板涂布。

教師提問：請大家思考，表1的卷煙紙消失實驗是不是選擇培養？選擇培養基有哪些特點？如何證明選擇培養是否必要？

學生分小組討論并回答教師提出的問題。認識到卷煙紙消失實驗是一種特殊的選擇培養，本實驗的選擇培養基以纖維素粉為主要碳源。可以設計實驗探究從卷煙紙消失部位原位分離分解纖維素的微生物是否有必要進行選擇培養。

6.2.3 梯度稀釋

教師引導學生說出梯度稀釋的過程、注意事項。

6.2.4 平板涂布

教師提問：稀釋之后便是平板涂布，請思考以下問題：每個梯度至少涂布幾個平板？溫度設為30℃的依據是什么？對照如何設置？鑒別培養的特點是什么？如何進行鑒別？

學生分小組討論，并形成本組意見。教師使學生理解鑒別培養基是固體的,以纖維素為主要碳源。從文獻可知剛果紅可以與纖維素分子結合形成紅色復合物，當纖維素被纖維素酶分解后，這一復合物就無法形成，培養基中就會出現以分解纖維素的微生物為中心的透明圓圈，以此鑒別。設置的溫度有利于微生物的繁殖和纖維素酶發揮作用。每個稀釋度至少需3個平板，對照以等量的無菌水代替。

教師提問：剛果紅染色有2種方法，一種是先進行分解纖維素的微生物的培養，然后再加入剛果紅進行顏色反應。另一種是在倒平板前即加入剛果紅，混勻，倒平板，再進行接種培養。請分析2種方法的優、缺點？你會選擇哪一種方法？

學生分小組討論并回答教師提出的問題。認識到2種方法各有利弊。前者可鑒別，不可純化，后者可鑒別，也可純化，應根據自己的實驗目的選擇合適的方法。

6.2.5 挑選菌落

教師講解：培養一段時間后，挑選產生明顯透明圈的菌落，一般即為分解纖維素的菌落。

提問：在實驗過程中如何判斷制作的培養基是否合格?選擇培養基是否篩選出菌落？

學生討論并總結得出，對照的培養基在培養過程中沒有菌落生長則說明培養基制作合格。如果觀察到產生透明圈的菌落，則說明可能獲得了分解纖維素的微生物。

6.3 師生小結，承上啟下

師生共同總結：圍繞卷煙紙消失這一現象，發現問題、分析問題，以從原位分離分解纖維素的微生物為目的，進行實驗設計，分步完成分離過程。通過討論明白：土壤取樣要注意哪些事項，選擇培養是為了什么目的，染色需要注意哪些事項等。

教師布置任務：本節課已經知道了分離分解纖維素的微生物的整個過程和相應的思考方式。學生能否證明分解卷煙紙的微生物來自土壤而非空氣中？能否設計最嚴格的原位分離實驗，得到分解纖維素的微生物？任何理論都需要實踐的檢驗，請學生課后以組為單位，設計并執行本組探究實驗，3周后進行結果展示（第2課時）。

7 總結

整個教學設計以實踐探究的思想激發學生進行思考和行動（除本實驗的設計之外，還引導學生自己設計實驗驗證選擇培養的必要性；微生物的來源；嚴格的原位分離），通過對教師自己所做實驗的共同分析和精心設置的系列問題，將抽象的知識具體化、實踐化，化解學習的難度。同時，滲透實驗教學的對照思想、重復原則、嚴謹態度，以提高學生的科學探究和理性思維能力，對學生的長遠發展產生積極影響。

致謝：在土壤取樣過程中得到了周斌老師的大力協助，在剛果紅染色步驟中得到了安軍老師的悉心指導，在此表示感謝！

［1］顧方媛，陳朝銀,石家驥，等.纖維素酶的研究進展與發展趨勢.微生物學雜志，2008，28(1):83.

［2］史玉英,沈其榮,婁無忌，等.纖維素分解菌群的分離和篩選.南京農業大學學報,1996，19(3):59.

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