基于問題驅動和實踐操作的“微生物的基本培養技術”教學設計

申曉蕾

［摘 要］針對“微生物的基本培養技術”這一節課，教師主要采用了問題驅動和實踐操作兩種教學方法，按照教材編排和學生理解的邏輯順序引導學生自主學習和小組合作學習，讓學生掌握微生物培養中的無菌技術，能夠進行簡單的微生物的純培養操作，并剖析、解決其中涉及的相關問題。問題驅動和實踐操作這兩種教學方法，不僅能讓學生厘清知識脈絡，還能提升學生的學習興趣，發展學生的核心素養。

［關鍵詞］問題驅動；實踐操作；微生物；培養技術

［中圖分類號］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）35-0084-04

問題驅動（Problem-Based Learning，即PBL）是一種以問題為導向、以學生為主體、以教師為主導，旨在培養學生解決問題的能力、提升學生的核心素養的教學方法。實踐操作是在“做中學”“學中做”，不僅可以提高學生的動手能力，還可以培養學生的科學思維和團隊協作能力。本文嘗試采用問題驅動和實踐操作這兩種教學方法對“微生物的基本培養技術”進行教學設計，以期提高學生的綜合能力和核心素養。

一、教學內容

“微生物的基本培養技術”是人教版高中生物學選擇性必修3第1章第2節的內容。本節課主要學習培養基的配制、無菌技術和微生物的純培養3個知識點。從章節知識體系來看，本章上一節課是傳統發酵技術的應用，用的是混合菌種，下一節課為發酵工程，用的是單一菌種，本節課正好起到了“解釋如何從混合菌種中獲取并培養單一菌種”的作用。從整個高中生物學教材的知識編排來看，本節課是對酵母菌相關知識進行深化和拓展，將配制培養酵母菌的培養基并對酵母菌進行純培養，在后面“基因工程”一章中也將會學到用酵母菌做受體細胞。

二、教學目標

（1）能夠利用結構與功能相統一的觀點，闡述碳源和氮源的重要作用，理解固體培養基和液體培養基的不同用途。

（2）能夠歸納概括出常見的消毒和滅菌方式，并準確地說出具體的事物或環境所應用到的無菌技術，樹立健康生活觀。

（3）能夠在教師的指導下進行灼燒滅菌、倒平板和平板劃線操作，提高動手操作能力。

（4）能夠概述出微生物（酵母菌）純培養的原理、過程和結論，提升分析、質疑、歸納等科學思維。

三、教學過程

（一）創設情境，導入新課

創設情境：2022年年底，張大爺因感染新冠病毒被送入醫院，在醫生的治療下，張大爺的病情得到控制并開始好轉。但是有一天，張大爺的咳嗽突然加重，醫生在對其痰液中的微生物進行培養、分離和鑒定后，發現張大爺的肺部感染了真菌。

病毒合并真菌感染在此次新冠疫情中并不少見，我們可以從一些專業的醫學期刊中看到相關報道（提供《柳葉刀》的一些截圖）。

提出問題：那么，該如何培養微生物？又該如何分離微生物呢？

教學說明：以學生熟悉的新冠疫情為素材創設情境，激發學生的好奇心，從而順利地導入本節課的內容。

（二）引導學生開展基礎知識學習：微生物培養所需的營養基質——培養基

1. 微生物

本節課的內容都是圍繞微生物的，所以教師要先讓學生了解微生物的相關知識。

提出問題：（1）什么是微生物？（2）什么是原生生物？（3）我們學過哪些單細胞真核生物？學生自主閱讀課本第9頁的相關信息，教師隨機抽取學生回答。學生回憶后可以答出：學過的單細胞真核生物有草履蟲、變形蟲等。師生共同歸納總結：這些單細胞真核生物就是原生生物。

教學說明：微生物這個知識點雖然在教材中是以小字的形式出現的，但它對學生知識框架的構建卻十分重要，因此將其作為本節課的第一個知識點加以簡單介紹十分必要。原生生物這個名詞對學生來講比較陌生，但是其包含的生物種類卻是學生都學過的，所以學生通過回憶已學的知識，自行歸納總結出該名詞，不僅會有成就感，還能提升歸納總結的能力。

2.培養基

無論是傳統發酵中用到的混合微生物，還是發酵工程中用到的單一微生物，都需要進行培養。教師提出問題：那么，該如何對微生物進行培養呢？需要提供哪些條件？通過這種過渡，順利地導入培養基的學習。

教師繼續提出問題：（1）什么是培養基？（2）培養基根據物理狀態可以分為幾類？（3）不同物理狀態的培養基有何不同用途？學生閱讀課本、歸納總結后進行小組討論，教師隨機抽取小組代表回答問題，師生共同分析、修正、總結。關于培養基的物理狀態，教師可展示試劑瓶中的瓊脂，并強調其并不是唯一的凝固劑，還有如明膠、海藻酸鈉之類的物質。關于不同物理狀態培養基的不同用途，教師可通過展示錐形瓶中的液體培養基和培養皿中的固體培養基，讓學生理解液體培養基中的微生物可充分利用周圍的營養物質進行增殖，而在固體培養基上的微生物則只能長在表面或者內部，無法充分繁殖。

教學說明：學生通過閱讀課本歸納總結培養基的概念和類別，提升閱讀和提取信息的能力。不同物理狀態的培養基用途不同，這部分知識是延伸出來的，是自然界中大多數情況下生物體結構和功能相統一的典型例證。

那么，培養基有哪些營養成分呢？繼續進行深入的學習。

提出問題：（1）培養基的成分一般有哪些？（2）分析教材中牛肉膏蛋白胨培養基的營養構成，嘗試說明氮源和碳源的作用。學生閱讀課本后進行小組討論，教師隨機抽取一位小組代表進行回答，師生共同分析、修正和總結。針對第二個問題，教師可展示試劑瓶中的牛肉膏和蛋白胨，然后引導學生回憶學過的有機物中哪些含有氮元素，哪些含有碳元素。以此方式進行教學的突破。最后，師生共同總結出結論：氮源是合成蛋白質、核酸、ATP等重要化合物的來源；碳源既可以合成重要有機物，又可以充當微生物的能源物質。

教學說明：透過現象看本質，通過上面的分析，學生不僅知道培養基中要有碳源和氮源，還清楚了為什么要添加碳源和氮源。

碳源和氮源是新知識點，學生需要對其進行拓展學習，以期深刻理解。

提出問題：（1）所有微生物的培養基都需要有這4種成分嗎？（2）除了這4種成分，培養基中還需要添加其他成分嗎？教師組織學生自主閱讀、歸納總結、組內討論，然后隨機抽取學生回答，師生共同修正和總結。教師對碳源和氮源進行拓展講解：凡是含有碳元素的物質都可以叫作碳源，如CO2、NaHCO3、蛋白質等；凡是含有氮元素的物質都可以叫作氮源，如N2、NH3、NaNO3、NH4NO3、尿素、蛋白質等；有些微生物需要的是氣體碳源CO2，如硝化細菌等自養型微生物，培養這類微生物時就不需要在培養基中再添加有機碳源；同樣，有些微生物需要的是氣體氮源，如根瘤菌可以利用N2、硝化細菌可以利用NH3，培養它們時也不需要再在培養基中添加氮源。學生通過上面的拓展內容即可得出結論：不是所有微生物的培養基中都要有這4種成分。關于第二個問題，學生可通過閱讀課本自行歸納總結。

教學說明：深度拓展可以加深學生對碳源和氮源的理解，其中的特殊生物需要單獨提醒，如以CO2為碳源的自養型微生物，以N2為氮源的根瘤菌等，這是生物界統一性和多樣性的典型例子。關于培養基中的特殊條件，如是否需要添加維生素、是否需要提供氧氣等，學生可自行閱讀課本并提取、歸納相關信息。

（三）引導學生開展基本技能學習：微生物培養成功的關鍵——無菌技術

用培養基培養微生物的成功關鍵是做到無菌，那么無菌技術有哪些呢？

提出問題：常見的消毒和滅菌技術有哪些？學生自行閱讀課本及資料卡并進行歸納總結，教師隨機抽取學生回答問題，師生共同修正、評價和總結。教師補充芽孢和孢子的含義——芽孢是幫助細菌度過惡劣環境的一種休眠體，孢子是微生物（主要是真菌）的一種生殖細胞。

教學說明：通過歸納總結常見的消毒和滅菌技術，提升學生提取信息的能力。很多無菌技術與日常健康生活密切相關，如用酒精擦拭雙手消毒、牛奶的巴氏消毒法等，在教學過程中通過舉例可讓學生體會到科學和生活的緊密聯系，并滲透健康生活的理念。

實踐操作：教師邊解說邊示范灼燒滅菌的做法——用酒精燈火焰灼燒接種環、錐形瓶瓶口和涂布器。學生隨后進行操作，教師進行指導和糾正。

教學說明：用酒精燈火焰灼燒接種環、錐形瓶瓶口等是無菌技術的一項基本操作，學生在實際操作中能暴露出很多問題，也能解決很多問題，從而加深學生對課本知識的理解。

（四）進行實踐操作：酵母菌的純培養

酵母菌是高中生物學教材中的“明星生物”，同時也是一種微生物，利用上述所學基礎知識對其進行培養，并按照教材編排的實驗步驟熟悉、理解和掌握一些基本實驗流程。

1.制備培養基

首先，師生共同閱讀課本，理解“培養物”“純培養物”和“純培養”的含義。其次，教師展示學生在上一節課“傳統發酵技術的應用”中做好的米酒，告知學生本次實驗的菌種“酵母菌”就是從中提取的。

教學說明：從自己制作的傳統發酵產品中提取微生物，不僅能極大地激發學生的學習興趣，還能將新舊知識聯系在一起，從而順利導入新知識。

（1）配制培養基

提出問題：（1）課本第12頁用馬鈴薯制作的培養基中，碳源和氮源分別是哪種物質？（2）該培養基是固體培養基還是液體培養基？學生自主閱讀、思考，然后集體回答，師生共同修正、總結。

教學說明：復習、鞏固前面所學的關于培養基的基礎知識。

實踐操作：配制培養基。這一步是在課下以興趣小組的形式提前操作完成的。在教師的指導下，學生按照課本中的文字描述對材料進行處理、稱量和融化。

教學說明：課前進行的實驗準備節約了大量的課堂時間，使教學內容更加緊湊，也對教材的深度進行了拓展。

（2）滅菌

實踐操作：這一步也是興趣小組在課前完成的。在教師的指導下，學生把配制好的培養基放置在高壓蒸汽滅菌鍋中進行濕熱滅菌。

教學說明：復習前面所學的無菌技術，學生可通過親自操作了解高壓蒸汽滅菌鍋及其參數設置和工作原理。

（3）倒平板

實踐操作：課前，教師指導學生興趣小組按照課本的提示將滅好菌的培養基倒入培養皿，待培養基冷卻凝固后將培養皿倒置放置，且做成夠全班一人一個使用的平板數量，課堂上備用；課上，教師邊示范倒平板操作邊進行解說，然后讓學生以小組為單位在酒精燈火焰旁邊練習倒平板操作，教師進行指導和糾正。課堂上用的是模擬液體：只加了少量瓊脂、其他成分不變的裝在錐形瓶中的半固體培養基。

教學說明：課前做好平板可以節約課堂上學生平板劃線的時間，而課堂上準備了低配的、不凝固的模擬培養基進行練習，不僅能達到練習效果，還能起到深度學習的作用。

提出問題：（1）如何確定培養基冷卻到了50 ℃？教師補充介紹人體溫度為37 ℃左右，增加學生的感性認識。學生用手背觸摸錐形瓶，感知燙一點的溫度即為50 ℃左右。（2）倒平板后，為何要將冷卻的平板倒置放置？學生根據實驗操作可得出結論：培養皿蓋上會有冷卻凝固的水滴，如果不倒置放置，水滴會落入培養基，造成污染。

教學說明：先動手操作再提出問題，既鍛煉了學生的動手能力，又使問題更容易理解。

2.接種和分離酵母菌

實踐操作：準備好菌種（學生制作的米酒）和培養基（興趣小組課前做好）后，教師在酒精燈火焰旁邊示范平板劃線操作，并講解操作要領。讓學生以小組為單位進行操作，一個學生劃一個平板，確保每個學生都有動手的機會。操作后，組內討論，教師進行指導、糾正。

教學說明：平板劃線法是微生物培養的基本技術，也是本節課的重點和難點。在實踐操作中，學生暴露出來很多問題，如劃破培養基、培養皿蓋直接放桌上、在酒精燈火焰上面而不是旁邊操作等，不過，這些可通過組內討論和教師指導解決。

提出問題：（1）關于灼燒：第一次劃線前灼燒接種環的目的是什么？第二次劃線及以后每一次劃線前均需灼燒接種環，目的是什么？劃線結束后，最后一次灼燒接種環的目的是什么？如果劃線操作進行了5次，則共需灼燒接種環幾次？（2）關于劃線：為何每一次劃線都要從上次劃線的末端開始？為什么每一次劃線都要等接種環冷卻后再開始？學生小組討論后，教師隨機抽取小組代表回答，師生共同修正和總結：（1）第一次劃線前的灼燒是為了去除接種環上的雜菌；第二次劃線及以后每一次劃線前的灼燒是為了去除干凈接種環上的殘留菌種；最后一次灼燒也是為了殺死殘留菌種，避免污染環境和感染操作者；如果劃線操作進行了5次，那么接種環共灼燒了6次。（2）劃線從末端開始是因為與起點相比，末端菌種少；等接種環冷卻后再劃線是為了避免傷害到菌種。

教學說明：上述問題涉及平板劃線的原理，學生一邊回答問題一邊進行深度思考。教師用粉筆進行原理演示：用粉筆在黑板上用力點上一點（模擬用接種環挑起的菌落），然后用手從粉筆處向后畫線（手指模擬接種環），白線顏色越來越淺（菌種越來越少）。只有讓學生在“做中學”“學中做”，他們對知識的印象才會深刻。

3.培養、觀察、分析酵母菌

提出問題：在恒溫箱中培養酵母菌時，為什么要放一個未接種微生物的空白平板一起培養？學生通過推理可答：如果此空白平板上有菌落生成，則證明培養基滅菌不夠徹底。教師提出建議：鑒于微生物的生長是一個需要等待的過程，所以可以把接種好的培養基留在實驗室里培養，或者帶到教室里進行隨時觀察，1～2天后觀察培養基表面的菌落。2天后，學生把長出各種顏色、不同形狀菌落的培養基集中到教室里，師生共同分析各種不同菌落可能表示的菌種以及在操作中出現的各種問題。教師最后總結：本節課開頭提到的那位肺部感染真菌的新冠病毒患者張大爺，他痰液中的微生物就是通過這些基本過程被分離出來的。

教學說明：由于需要等待生物的生長和繁殖，周期較長，因此很多時候都是課上和課下共同操作。實驗結果的分析，能讓學生牢記所學知識，增強實驗參與感，體會由此帶來的成就感，激發對生物學習的興趣。實驗的總結，與本節課開頭設置的情境遙相呼應，讓學生更加清楚自己所學知識將來有可能用到何處。

四、教學反思

本節課通過問題驅動讓學生在自主學習和小組合作學習中解決教材中的大部分問題，而對于“灼燒滅菌”“倒平板”“平板劃線”等實踐內容，則通過“教師示范—學生模仿—教師指導—師生共同總結”的方法予以突破。上述操作不僅訓練了學生的科學思維、動手能力、團隊合作能力，提升了學生的核心素養，還通過情境的設置，讓學生知道生物學與社會生活的緊密聯系，幫助他們樹立健康生活的理念。由于本節課涉及的知識點很多，因此對教師來講，能夠根據學情進行問題數量、難度和梯度的設置及評價需要一定的能力。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 馬曉昕，武國凡，鄭晟.基于問題驅動教學的“DNA是主要的遺傳物質”教學設計［J］.生物學通報，2023，58（1）：51-54.

［2］? 中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020.

（責任編輯 黃春香）