摘要：基于STEM理念，本实验设计对制作果酒实验与培养液中酵母菌种群数量的变化实验进行整合，引导学生运用生物学的知识和技能、工程学原理和数学方法，开展科学探究活动，通过探究实践活动培养提升学生科学素养。

关键词：STEM；果酒；酵母菌；种群数量

一、学情分析

在培养液中酵母菌种群数量的变化实验中，对培养液取样、血细胞计数板观察计数，正常情况下按重复取样三次来观察计数，就需两个小时，对于高中学生而言，没有充足的时间来进行种群数量计数。高中进行培养液中酵母菌种群数量的变化实验受限于数码显微镜的数量，基于此需调整为以实验小组进行小组实验。探究环境因素酒精对酵母菌种群数量的变化，马铃薯培养液中酒精度低，不能明显检测到酒精度的变化，但制作果酒实验中酒精量相对大且变化明显。

二、教材实验分析处理

培养液中酵母菌种群数量的变化实验是对课本高斯实验的验证实验，实验思路比较简单，不能很好锻炼学生的科学思维，相比之下探究性实验能较好培养学生科学思维。影响种群数量变化的因素是酵母菌种群数量变化后续内容，探究影响种群数量变化的因素，可为后续内容做铺垫。制作果酒实验与学生生活密切相关，能增强学生生物科学习兴趣，制作的酒精量大明显影响酵母菌的种群增长。为此将“制作果酒”与“培养液中酵母菌种群数量的变化”进行整合，将整个班探究酵母菌种群数量变化实验变成一个班几个生物小组既进行果酒制作实验，又进行酵母菌种群数量的变化探究实验，同时还探究影响酵母菌种群数量变化的因素。

三、教学目标

科学探究：学会在真实情境下提出问题、作出假设、设计实验、进行实验以及结果分析等科学探究步骤，掌握科学探究的一般方法思路。

科学思维：通过探究培养液中酵母菌种群数量的变化，尝试辩证建立数学模型和解释种群的数量变化。

生命观念：通过探究影响酵母菌种群数量变化的环境因素，理解种群的“J”形增长、“S”形增长、波动等种群数变化的环境因素。

社会责任：通过探究多条件下酵母菌种群数量变化，让学生更好理解“J”形、“S”形数学建模，阐明种群数量变化的原理，更好地利用所学知识指导生产实践。

四、实验实践重点：设计和实施实验方案；难点：血细胞计数板的使用方法。

五、实验教学过程

创设情景 人教版2019版高中生物学必修二教材中细菌的理想增长曲线为“J”形增长，但培养液中草履虫的增长曲线为“S”形增长。马铃薯培养中液酵母菌种群数量在有氧条件下是否也不是“J”形增长而是“S”形增长？是什么因素制约了酵母菌种群数量的增长？如何验证酵母菌是“J”形、“S”形还是其他形式增长？引导同学们进行探究：1.是不是培养液中含氧量限制了酵母菌种群数量的增长？2.是不是培养液中pH值变化限制了酵母菌种群数量的增长？3.是不是无氧条件下果酒制作发酵液中酒精影响了酵母菌种群数量的增长？

实验设计 教师指导学生按照科学探究方法步骤，鼓励同学们积极大胆地提出问题、作出合理的假设，设计实验、进行实验以及结果分析得出结论等步骤制定探究方案。教师对学生实验方案从实验原理、实验思路、自变量、因变量、实验步骤等环节对学生实验设计进行点评。

制定探究方案时，老师对同学们实验设计关键点进行启发：1.用什么方法进行酵母菌数量检测？教师演示介绍抽样检测法，适当进行指导血细胞计数板的使用方法，引导学生计算酵母菌种群密度。2.多长时长进行取样？教师启发同学们查阅酵母菌增长相关资料，确定每两个小时取样一次。3.探究实验怎么设置对照？教师点拨答疑：在连续培养并定时取样计数过程中已形成自身前后对照。4.探究实验中如何做到重复？教师点拨答疑：每次对培养液样本取三样进行计数，取其平均值，取样操作即包含平行重复操作。5.培养液中计数的酵母菌都是活的吗？需要区分死活酵母菌吗？怎么区分酵母菌死活？教师点拨答疑：结合细胞膜的选择透过性功能，用亚甲基蓝对酵母菌菌体进行染色，被染成蓝色的是死酵母菌，没被染色的是活酵母菌。分别计数出活酵母菌，能更好地反映出酵母菌的种群数量变化情况。

针对探究有氧条件下酵母菌种群数量的变化探究实验小组进行问题启发：如何确保有氧环境单一变量？教师点拨答疑：透气封口膜+摇床震荡培养液+微量移液器取样。针对探究无氧条件下酵母菌种群数量的变化探究实验小组进行问题启发：如何确保无氧环境？教师点拨答疑：用市面上常见葡萄果酒发酵瓶适当拧紧瓶盖发酵，底部取样龙头适时取样检测酒精度、pH值、以及酵母菌种群数量。针对无氧条件下，探究果酒制作发酵液中酵母菌培养液的pH值及酒精度的变化探究实验小组进行问题启发：如何检测果酒发酵液中培养液的pH值及酒精度？教师点拨答疑：用pH值试纸或pH计进行测定pH值，用酒精折射仪进行酒精度的检测。

实施实验 指导生物实验小组同学分别进行实验，通过数码显微镜抽样观察检测估算在有氧、无氧等连续培养情况下酵母菌种群数量，以及检测培养液中酒精度、pH值，分析处理实验数据得出结论。

六、实验设计创新之处

1.实验以STEM理念引领，进行跨学科知识融合，实验将果酒制作实验与培养液中酵母菌种群数量的变化实验相结合，避免了知识的碎片化，增强了实验实践的真实性。2.将酵母菌种群数量变化验证实验变成培养液中酵母菌种群数量变化相关探究实验，探究有氧、无氧等不同条件下酵母菌种群数量变化，探究影响酵母菌种群数量的酒精度和pH值等影响因素，能更好地培养学生的科学素养。3.对酵母菌进行亚甲基蓝染色，区分出活酵母菌、死酵母菌，更真实地反映出酵母菌种群数量变化情况。4.整合实验中果酒制作实验能较好地检测到酒精度变化，避免了无氧条件下马铃薯培养液酒精度过低检测不到酒精度变化的不足。

七、探究实验设计反思

1.实验周期长，实验往往受限于数码显微镜数量不足，实际生物实验小组的同学只能参与到实验中的某些环节。2.单一变量的酵母菌有氧培养体系难以真正做到，如何能确保既有氧又不受到污染是实验要改进的地方。3.实验取样难做到准确均匀取样，导致数据有较大的误差，如条件允许能使用比浊仪进行比浊法检测，则检测数据误差更小。