情境承載實驗 任務驅動教學

王彥倉 彭二雄

微生物是難以用肉眼觀察的微小生物的統稱，包括細菌、真菌、病毒及一些原生生物。在實驗室中培養和應用微生物，需要依據微生物繁殖和代謝的生物學規律，提供菌種生長繁殖的營養和環境條件，同時需要注意對種類眾多、分布廣泛的其他微生物進行控制。由于材料特殊、實驗周期較長、操作要求較高，高中生物中的微生物實驗往往對實驗設計與細節操作有著更嚴格的要求。這就需要教師在微生物實驗教學時創設真實、有效的情境，承載實驗內容，設計嚴謹、有序的任務引領教學過程，在準確把握實驗原理和深刻理解設計思路的基礎上進行規范的實驗操作，從而提升學生的學科素養。

一、教學內容

微生物的數量測定是微生物培養及應用的重要內容，在食品衛生、水源污染度的檢驗和土壤含菌量的測定等方面有著廣泛應用。該部分內容既包含運用選擇培養基篩選目的菌種、運用稀釋涂布平板法分離單菌落和進行微生物計數的理論知識，也包含了應用這些基本原理進行土壤中分解尿素的細菌的分離與計數的實驗設計與探究實踐，體現了以知促行、知行合一，讓學生在做中學、學中思。

二、教學目標

1.依照科學探究的要求，應用稀釋涂布平板法進行微生物數量測定的方法，設計從土壤中分離分解尿素的細菌并進行計數的方案。

2.依據設計的方案，運用無菌操作技術、微生物培養和計數的方法分離目標菌，并進行計數。

3.嘗試運用稀釋涂布平板法和細菌計數板計數法解決生產生活中相關的實際問題。

三、教學設計思路（見圖1）

四、教學過程

（一）復習舊知，延續任務

師：上節課學習了運用稀釋涂布平板法分離土壤中分解尿素的細菌的實驗原理和方案，具體過程主要包含哪些環節或步驟呢？

生：包括土壤取樣、梯度稀釋、涂布接種、培養觀察。

師：通過以上實驗步驟，我們在涂布有合適濃度菌液的平板上就可以觀察到分離的單菌落。運用稀釋涂布平板法不但可以分離單菌落，還常用來統計樣品中活菌的數目。本節課主要學習運用稀釋涂布平板法如何進行微生物數量的測定。

（二）問題引導，情境支架

師：結合下列兩個問題，觀看應用稀釋涂布平板法統計樣液中大腸桿菌數目的實驗操作視頻，初步形成應用稀釋涂布平板法對土壤中尿素分解菌計數的實驗思路。

［問題1］請歸納和概述視頻中應用稀釋涂布平板法對大腸桿菌菌液計數的環節要點。

生：需要先對擬計數樣液進行梯度稀釋，選擇一定稀釋范圍的樣液涂布接種；在適宜條件進行培養，定期觀察菌落形態并統計菌落數目；選擇恰當平板的菌落數目作為結果，計算樣液中活菌的數目。

［問題2］該視頻是對實驗室中大腸桿菌樣液進行的計數操作，若要選擇培養土壤中分解尿素的細菌并計數，應如何修正實驗操作呢？

生：首先，進行接種的菌液并非實驗室保藏，而是土壤取樣后梯度稀釋的樣液。其次，培養過程篩選和分離尿素分解菌，應制備以尿素為唯一氮源的選擇培養基。

師：基于以上分析，我們可以形成基本的實驗思路（見圖2）。

（三）任務驅動，完善方案

［任務1］與平板劃線法相比，稀釋涂布平板法接種形成的菌落有何特點？為什么通過統計菌落數就能推斷接種樣液中的細菌數量呢？

生：在一定稀釋倍數菌液涂布接種的平板上，菌落分布比較分散和相對均勻，較少出現相互連接和重疊的現象。當樣品稀釋度足夠高時，培養基表面生長的一個單菌落，來源于樣品稀釋液中的一個活菌。因此，我們通過統計平板上的菌落數，就能推測出樣品中大約含有多少活菌。

教師歸納：這就是稀釋涂布平板法用于測定微生物數量的基本原理。因此，這種方法也叫作“活菌計數法”。

［任務2］該實驗操作視頻中，為什么要選擇菌落數為30～300的平板進行計數？

生：選擇菌落數目在30～300之間的平板計數，一方面可以避免菌落太多，難以觀察和統計菌落數目，另一方面也可避免菌落太少而產生的較大誤差。

［任務3］影響平板上菌落數目的主要因素是什么？如何得到30～300菌落數的平板呢？

生：平板上的菌落數理論上即是接種的樣品稀釋液中活菌的數，主要受樣品中微生物初始濃度和樣品稀釋倍數等因素影響。為了得到菌落數在30～300的平板，我們應選用一定稀釋范圍的樣液進行接種培養。測定土壤中細菌的數量，一般選用104、105、106倍稀釋的樣液涂布培養。

教師補充：土壤中不同種類微生物的數量和體積差別較大，這使得統計微生物數目時對土壤樣液稀釋倍數的要求也有一定差異。例如，放線菌一般選103、104、105倍的稀釋液，真菌則往往選102、103、104倍的稀釋液。為保證能選擇出菌落為30～300、適于計數的平板，我們也可以將稀釋涂布的范圍放寬一點。

［任務4］該實驗操作視頻中，同一稀釋度的菌液涂布了幾個平板？為什么？

生：同一稀釋度的菌液至少要涂布3個平板進行重復計數，然后求該稀釋度下的菌落數目，以使菌落數目的統計更科學、準確。

［任務5］如何判斷平板上生長的菌落就是分解尿素的細菌？

生：尿素分解菌將尿素分解成氨，會使培養基的堿性增強，pH值升高。因此，我們在制備以尿素為唯一氮源的選擇培養基時，可加入酚紅指示劑來進行鑒別。

教師補充：此外，在相同的培養條件下，同種微生物往往會表現出穩定的菌落特征（如形狀、大小和顏色等）。分解尿素的細菌也有獨特的菌落特征，我們根據這些特征可以初步甄別尿素分解菌。

［任務6］在對尿素分解菌計數的實驗中，某實驗小組將10g土樣加入90mL無菌水中制成樣液，再將稀釋105倍的0.1mL菌液涂布培養，得到了菌落數分別為212、235、228的三個平板，請估算1g土樣中能分解尿素的細菌數是多少。

生：三個平板的平均菌落數為225個。每克土樣中分解尿素的細菌數=某一稀釋度下平板上生長的菌落數的平均值÷涂布平板時吸取的稀釋液體積×稀釋倍數，則1g土樣中能分解尿素的細菌數約為2.25×109個。

教師：應用稀釋涂布平板法估算的微生物數量，一般比實際值偏大還是偏小，為什么？

生：統計的菌落數往往比活菌的實際數目少。當兩個或多個細胞連在一起時，平板上觀察到的只是一個菌落，因此，統計結果常用菌落數而不是活菌數來表示。

［任務7］若某小組測定土壤中分解尿素細菌的數量時，實驗組平板上菌落平均數為225個/平板，而空白對照組的一個平板上出現了6個菌落，能否將219（225-6，即用各平板菌落數的平均值減去空白平板上的菌落數）個/平板作為本組菌落數的平均值？為什么？

生：不可以。空白平板出現菌落說明實驗中存在一定的污染，但污染原因未知，不同平板上雜菌污染情況不一定相同。

［任務8］甲、乙兩位同學用稀釋涂布平板法測定某一土壤樣品中微生物的數量，在同一稀釋倍數下得到以下結果：甲同學涂布了3個平板，統計的菌落數分別是110、140和149，取平均值133；乙同學涂布了3個平板，統計的菌落數分別是27、169和176，取平均值124。你認為哪位同學的結果可信度低，為什么？

生：乙同學的結果可信度低。取自同一土樣進行規范操作得到的數據應該比較接近。乙同學實驗結果中其中一個平板的計數結果與另外兩個相差懸殊，結果的重復性差。

［任務9］除了稀釋涂布平板法，我們還學習過微生物計數的什么方法嗎？

生：應用血細胞計數板對酵母菌直接計數的方法。

師：血細胞計數板計數室的高度為0.1 mm，適用于酵母菌、霉菌等相對較大的細胞計數。此外，還有計數室高度在0.02 mm的細菌計數室，可用于對細菌等較小的細胞進行顯微觀察和計數。二者的計數原理相同。

師：與活菌計數法相比，該估算結果偏大還是偏小？為什么？

生：應用血細胞計數板直接計數的方法無法區分死菌與活菌，統計結果往往比實際值偏大。

（四）實踐操作，拓展應用

［實驗操作］在以尿素為唯一氮源的選擇培養基上涂布接種104、105、106倍稀釋樣液及蒸餾水對照組后，每隔24 h統計一次菌落數目，選取菌落數目穩定時的記錄作為依據，計算1 g土樣中分解尿素的細菌的數量。

［結果分析］對所有小組的實驗結果進行比較，分析不同小組結果差異的原因。

生：取自同一土樣進行操作得到的數據應比較接近。如果差異較大，原因可能是不同小組取樣來源不一樣，也可能是培養計數過程中操作不規范，或者配制的選擇培養基成分不合理等。

［課后任務］微生物的數量測定在實際的生產生活中有著廣泛應用。請選擇身邊與微生物計數有關的實際問題，或從下列項目中選做一個，設計實驗方案，進行實驗操作，分析實驗結果：（1）空氣中微生物總數（或某細菌數目）的檢測；（2）自來水中細菌總數的檢測；（3）牛奶（或酸奶）中細菌的分離與計數；（4）土壤中真菌（或放線菌）的分離與計數……

五、教學反思

與其他實驗更注重原理和步驟不同，微生物實驗需要在實驗環境中模擬微生物生長繁殖的條件來實現目標菌種進行快速生長繁殖的過程，同時需要極力避免無處不在、種類繁多的雜菌的污染。因此，微生物實驗要根據實驗目的和目標菌種的特點，在實驗之前設計詳盡的實驗方案。本實驗借助對實驗室保存樣液中大腸桿菌數量測定的實驗操作情境，引導學生應用類比法掌握對土壤中分解尿素細菌的數量測定的實驗思路與基本操作，通過層層遞進的任務群引導學生應用分析與綜合等思維方法，分析應用稀釋涂布平板法進行微生物計數需要注意的細節要點，以幫助學生制訂完整、具體的實驗方案，同時，為學生解決有關的實際問題提供方法支撐和路徑支持。

（作者單位：甘肅省天水市第一中學）

編輯：陳鮮艷