資源簡介 《微生物的培養技術及應用》(第 1-2 課時)教學設計一、教材分析本節內容為人教版生物學選擇性必修 3《生物技術與工程》第 1 章第 2 節“微生物的培養技術及應用”中的第 1 小節“微生物的基本培養技術”。微生物的純培養要以培養基的配制、無菌技術為基礎,因此教材先簡單介紹了培養基的配制和無菌技術,然后再介紹了微生物的純培養,其主要內容就是“探究·實踐 酵母菌的純培養”,讓學生通過實踐操作在做中學。常用的微生物的分離方法有平板劃線法和稀釋涂布平板法,第 1 小節讓學生結合活動練習平板劃線法,稀釋涂布平板法到下一小節再具體介紹。教材在介紹無菌技術時,聚焦關鍵環節,對技術細節盡量簡略處理,因此常用的消毒和滅菌方法用“資料卡”來介紹。第 1 小結后的“拓展視野”介紹了微生物菌種的高通量篩選的方法,可以讓學生了解在科研、生產上還有效率很高的技術方法可以應用。第 1 小結最后安排了“思維訓練 評估論點的可信程度”,意在讓學生在初步學習了微生物純培養技術的基礎上,再回顧水果自然發酵的實質,運用有關知識來評估相關觀點,從而訓練科學思維,提升社會責任擔當能力。二、學情分析在初中階段,學生對細菌和真菌在培養基中可以長出菌落,它們可能使食品腐敗變質,通過它們的發酵也可以制作食品等知識有了初步的了解,但是對培養基的成分和配制方法、無菌技術、微生物的純培養等知之甚少,本節的教學就是讓學生學習相關知識,并讓他們親自體驗微生物的純培養的操作。三、教學目標概述培養基的營養構成、無菌技術的原理、常用設備和方法。通過進行酵母菌的純培養,概述培養基的配制方法和微生物純培養的基本操作要求,初步掌握無菌操作、倒平板和平板劃線的基本技能。通過評估論點的可信程度發展批判性思維。四、教學重點微生物純培養的基本操作要求。酵母菌的純培養。五、教學難點酵母菌的純培養。六、教學流程(一)課堂導入利用教材“從社會中來”欄目中制作酸奶的實例,讓學生認識到在日常生活的環境中,微生物無處不在,酸奶變質就是雜菌污染所致。引導學生分析得出保證雜菌不混入發酵物的方法:準備純的乳酸菌菌種;對制作用具和原料進行消毒或滅菌處理后再使用;接種菌種需在無菌條件下進行;控制發酵條件,避免雜菌進入。讓學生從中認識到要獲得純凈的微生物培養物,需要防止雜菌污染,由此導入本節學習內容。(二)微生物的基本培養技術防止雜菌污染,獲得純凈的微生物培養物,是研究和應用微生物的前提,也是發酵工程的重要基礎。以此引出實驗室培養微生物的基本思路是微生物提供合適的營養和環境條件,確保其他微生物無法混入,并將需要的微生物分離出來。由此歸納出三項微生物的基本培養技術——培養基的配制、無菌技術和微生物的純培養。此外,再特別說明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等。本章中提及的微生物主要是指用于發酵的細菌和真菌。(三)培養基的配制培養基的概念從字面意思上認知培養基的概念,即培養基是指人們按照微生物對營養物質的不同需求,配制出供其生長繁殖的營養基質。培養基的用途可用于培養、分離、鑒定、保存微生物或積累其代謝物。培養基的種類根據培養基的狀態,可將培養基劃分為液體培養基和固體培養基。液體培養基是指不含凝固劑、呈液體狀態的培養基。由于在液體環境下,微生物能與營養物更充分地接觸,有利于微生物的大量繁殖,所以液體培養基一般用于工業生產以及連續培養,連續培養也稱為擴大培養。在液體培養基中添加凝固劑,如瓊脂、明膠、卡拉膠等,就可以形成呈固體狀態的培養基,即固體培養基。微生物可以在固體培養基表面或內部生長,形成肉眼可見的菌落,所以固體培養基一般用于微生物的分離和鑒定、活菌計數和菌種保藏。培養基的營養物質簡單回顧必修 1 中《組成細胞的分子》的相關內容,以此引導學生推理分析培養基中應該含有的營養物質及其在培養過程中所起的作用。培養基的基本營養物質是水、碳源、氮源和無機鹽。由于生物大分子的基本骨架是碳鏈,所以培養基中應有提供碳元素的物質——碳源。氮元素是蛋白質、核酸等物質合成所必需的元素,所以培養基中也應該有提供氮元素的物質——氮源。呈現牛肉膏蛋白胨培養基的營養組成表,補充牛肉膏蛋白胨的來源和主要成分,引導學生分析得出其中各組分提供的主要營養。其中,牛肉膏提供碳源、氮源、磷酸鹽和維生素等,蛋白胨提供氮源、碳源和維生素等,NaCl 提供無機鹽,H2O 提供水。再以培養厭氧微生物時需要什么條件作為問題引導,讓學生認識到在配制培養基時,在提供上述幾種主要營養物質的基礎上,培養基還需要滿足微生物生長對 pH、特殊營養物質和氧氣的需求。例如在培養細菌時,需要將培養基調至中性或弱堿性,在培養霉菌時,則需要將培養基調至酸性;在培養乳酸桿菌時,需要在培養基中添加維生素,而在培養厭氧微生物時,就需要提供無氧的條件。培養基配制的基本原則基于上述關于培養基的營養物質的分析,歸納培養基配制的基本原則:①目的要明確,要根據培養目的和所培養的微生物合理配制培養基;②營養要協調,即營養物質的濃度和比例要適宜;③pH 要適宜,不同的微生物一般有其相應的最適生長 pH,為維持 pH 的相對恒定,可以在培養基中加入緩沖劑。(四)無菌技術獲得純凈的微生物培養物的關鍵是防止雜菌污染,以此引出無菌技術。無菌技術的概念防止外來雜菌的入侵,并保持已滅菌物品及無菌區域不再被污染的方法。無菌技術的作用無菌技術可以防止培養物被其他外來微生物污染,即防止雜菌污染。再結合實際生活,引導學生分析無菌技術還有哪些作用,以此補充無菌技術還可以有效避免操作者自身被微生物感染。無菌技術的種類結合實際生活,介紹消毒是一種使用較為溫和的物理、化學或生物等方法殺死物體表面或內部一部分微生物的方法。但是條件較溫和的消毒對于一些保護能力較強的芽孢或孢子可能無法起到殺滅作用。以此引出使用強烈的理化方法殺死物體內外包括芽孢和孢子在內的所有微生物的方法,即殺菌。無菌技術的方法(1)消毒結合生活經驗,引導學生認識各項消毒方法的操作和應用范圍。對于家庭餐具等生活用品可運用煮沸消毒法,在 100℃煮沸 5~6min,可以殺死微生物的營養細胞和一部分芽孢。在此基礎上,引導學生分析吃飯前用開水燙碗筷是否起到消毒作用,讓學生在應用中進一步理解消毒的方法。結合必修一所學知識,高溫會使蛋白質變性,引導學生分析能否用煮沸消毒法對牛奶進行消毒,以此引出巴氏消毒法法,在 62~65℃消毒 30min 或 80~90℃處理 30s~1min,這樣可以殺死牛奶中的絕大多數微生物的同時,又不破壞牛奶中的營養成分。結合防疫經驗和疫苗注射經驗,讓學生回憶對雙手進行消毒和注射疫苗前對皮膚的消毒方法,引出化學藥物消毒法,可用酒精擦拭雙手、碘酒涂抹皮膚等方法起到消毒作用,并補充對水源的消毒常用氯氣噴灑等方法。結合生活經驗,引導學生回憶紫外線也可以起到消毒作用,引出紫外線消毒法,即用紫外線照射 30min,可以殺死物體表面或空氣中的微生物。補充說明在照射前,適量噴灑石炭酸或煤酚皂溶液等消毒液,可以加強消毒效果。這一方法可以用于接種室、接種箱或超凈工作臺的消毒。補充生物消毒法,即利用生物或其代謝物除去環境中的部分微生物的方法。例如有的微生物能夠寄生于多種細菌體內,使細菌裂解,因此可以用它們來凈化污水、污泥。(2)滅菌基于高溫可以使蛋白質變性這一原理,向學生介紹三種常用的滅菌方法。第一種方法是濕熱滅菌,一種利用沸水、流通蒸汽或高壓整理進行滅菌的方法。其中高壓蒸汽滅菌的效果最好,高壓蒸汽滅菌是在壓力為 100kPa、溫度為 121℃的條件下,維持15~30min 來滅菌,可殺滅包括芽孢和孢子在內的所有微生物。簡單介紹高壓蒸汽滅菌鍋的使用方法和原理。高壓蒸汽滅菌常用于培養基及多種容器。而對于一些需要保持干燥的物品則需要使用干熱滅菌法,將滅菌物品放入密閉容器如干熱滅菌箱,在 160~170℃的熱空氣中維持 2~3h 就可以達到滅菌的目的。常用于一些耐高溫的和需要保持干燥的物品,如吸管、培養皿等玻璃器皿、金屬用具等。第三種方法是灼燒滅菌,一些微生物的接種工具,如涂布器、接種環、接種針或其他的金屬用具,直接在酒精燈火焰的充分燃燒層灼燒,就可以迅速且徹底地滅菌。此外,在接種過程中,試管口、瓶口等容易被污染的部位,也可以通過火焰灼燒來滅菌。無菌技術的主要內容對無菌技術的內容進行簡單的概括和補充。對操作的空間、操作者的衣著和手進行清潔和消毒;將用于微生物培養的器皿、接種用具和培養基等進行滅菌;在做好消毒和滅菌工作之后,注意避免已經滅菌處理的材料用具與周圍的物品接觸;為避免周圍環境中微生物的污染,接下來的操作都應該在超凈工作臺并在酒精燈火焰附近操作。(五)微生物的純培養相關概念理清與微生物的純培養相關的概念,以便理解后續的學習內容。培養物是指接種于培養基內,在合適條件下形成的含特定種類微生物的群體。純培養物是指由由單一個體繁殖所獲得的微生物群體。而獲得培養物的過程就是純培養,包括配制培養基、滅菌、接種、分離和培養等步驟。微生物純培養的原理從菌落的概念著手,讓學生理解可以通過培養得到單菌落的方法得到純培養物,并引出平板劃線法和稀釋涂布平板法的兩種常用分離方法。菌落是指分散的微生物在適宜的培養基表面或內部可以繁殖形成肉眼可見的、有一定形態結構的子細胞群體。采用平板劃線法和稀釋涂布平板法能將單個微生物分散在固體培養基上,之后經培養得到的單菌落一般是由單個微生物繁殖形成的純培養物。(六)酵母菌的純培養以酵母菌的純培養為例,通過實際操作來學習微生物的純培養技術。制備培養基介紹適用于培養酵母菌的是馬鈴薯瓊脂培養基,并基于前面所學的知識,理解和熟悉制備培養基的流程和操作。(1)配制培養基介紹配制馬鈴薯瓊脂培養基的步驟:稱取去皮的馬鈴薯 200 克,切成小塊,加水 1000毫升,加熱煮沸至馬鈴薯軟爛,用紗布過濾。向濾液中加入 20 克葡萄糖,也可用蔗糖代替,并加入 15~20 克瓊脂,用蒸餾水定容至 1000 毫升。(2)滅菌提問學生對培養基和培養皿應分別采用何種滅菌方式,以此進一步鞏固滅菌方法的相關知識。培養基應進行高壓蒸汽滅菌,培養皿則應進行干熱滅菌,簡單介紹兩種滅菌方式的具體操作。(3)倒平板待培養基冷卻至 50℃左右,就可以在酒精燈火焰附近將適量的培養基倒入培養皿,這一操作稱為倒平板。引導學生分析培養基需冷卻到 50℃左右才能倒平板的原因,以及要在酒精火焰附近倒平板的原因。學生很容易就分析出,如果在溫度較高時倒平板,形成的水蒸氣就會很多,水蒸氣會凝結在培養皿皿蓋上,容易倒流污染培養基。而當溫度過低時,培養基就會凝固有結塊,所以需冷卻到 50℃左右才能倒平板。另外,倒平板時培養基會接觸到周圍的空氣,容易混入雜菌,而酒精燈火焰周圍溫度高,微生物很少甚至沒有,這樣就可以避免外來微生物的污染了。介紹倒平板的具體操作步驟,并引導學生分析每步操作的目的,以深層理解倒平板的操作。①拔出錐形瓶的棉塞,并將其攥于掌心,避免棉塞被污染。②將瓶口迅速通過火焰,通過灼燒滅菌的方式,防止瓶口的微生物污染培養基。③用拇指和食指將培養皿打開一條稍大于瓶口的縫隙,將 10~20mL 培養基倒入培養皿,立即蓋上皿蓋。不能完全打開皿蓋是因為要避免周圍環境中的雜菌污染培養基。④等待培養基冷卻凝固后,將培養皿倒過來放置,以防止皿蓋的水珠落入培養基造成污染,且使培養基中的水分更好地蒸發。觀看倒平板的操作視頻,熟悉倒平板的操作步驟,并理解每步操作的目的。接種和分離酵母菌先介紹平板劃線法稀釋并分散菌種的原理,再講解劃線區域的要點,最后再介紹平板劃線的具體操作,并明確每步操作的目的,讓學生由淺入深地理解平板劃線的原理和操作。(1)平板劃線法的原理通過接種環在固體培養基表面連續劃線的操作,將聚集的菌種逐步稀釋分散到培養基的表面。經數次劃線后培養,可以分離得到單菌落。(2)平板劃線的各劃線區域的要點①接種環只蘸取一次菌液,在培養基不同區域連續多次劃線。②第二次及其后的劃線操作都從上一次劃線的末端開始劃線。引導學生分析原因,得出劃線后末端含有的細菌數目較少,每次從上一次劃線的末端開始劃線能夠使細菌的數目隨劃線次數的增加而逐漸減少,最終分散成單個細胞。③不要將最后一次的劃線與第一次的劃線相連。引導學生分析原因,得出最后一次劃線已經將細菌稀釋成單個的細胞,如果與第一次劃線相連則增加了細菌的數目,達不到純化的效果。(3)平板劃線的操作步驟①將接種環放在火焰上灼燒,直到接種環的金屬絲燒紅。灼燒接種環的目的是避免接種環上可能存在的微生物污染培養物。②在火焰旁冷卻接種環。同時,拔出裝有酵母菌培養液的試管的棉塞。冷卻接種環的目的是避免因接種環溫度太高而殺死菌種。③將試管口通過火焰。目的是通過灼燒滅菌,防止試管口的微生物污染培養物。④在火焰附近用接種環蘸取一環菌液。⑤將試管口通過火焰,并塞上棉塞。目的是灼燒滅菌,防止試管口的微生物污染試管中的培養物。⑥在火焰附近將皿蓋打開一條縫隙,用接種環在培養基表面迅速劃三至五條平行線,蓋上皿蓋。不完全打開皿蓋的原因是避免雜菌污染培養基。⑦灼燒接種環,待其冷卻后,從第一次劃線的末端開始作第二次劃線。重復以上操作,作第三、四、五次劃線。注意不要將最后一次的劃線與第一次的劃線相連。劃線前灼燒接種環的目的是殺死上次劃線結束后接種環上殘留的菌種,使下一次劃線時接種環上的菌種直接來源于上次劃線的末端。⑧劃線操作結束后,灼燒接種環。劃線操作后灼燒接種環的目的是及時殺死接種環上殘留的菌種,避免污染環境和感染操作者。觀看平板劃線的操作視頻,熟悉操作步驟,并理解每步操作的目的。培養酵母菌利用問題串,引導學生分析培養酵母菌中的各項要點。待菌液被培養基吸收,將接種后的平板倒置,放入 28℃左右的恒溫培養箱中培養 24~48h。為什么要將平板倒置培養?為什么培養溫度要設置在 28℃左右?為什么要培養 24~48 小時?引導學生分析得出,平板倒置培養的目的是防止皿蓋上的水珠落入培養基造成污染。聯系果酒制作的相關知識,可知酵母菌的最適生長溫度是 28℃,所以培養溫度要設置在 28℃左右。再從培養目的反推培養時間長度,可分析出若培養時間不足會無法形成菌落,若培養時間過長則會導致菌落相連,均無法達到純培養的目的。再提問如果判斷培養基是否受雜菌污染,引導學生分析得出需要設置空白對照,取一個未接種的培養基置于相同的培養條件下同時培養。在此基礎上,繼續提問如果未接種的培養基表面有菌落生長說明什么?應如何處理?學生很容易可以得出如果有菌落生長,說明培養基被污染或滅菌不徹底,或培養過程中受雜菌污染,此時應重新配制培養基。最后提問培養結束后,應如何處理培養基及培養物。從安全角度引導學生分析得出應用高壓蒸汽滅菌后倒掉,以免污染環境。(七)課堂總結利用思維導圖的方式,總結本節課所學的微生物的三個基本培養技術。在培養基的配制方面,要掌握培養基的種類以及所含的營養物質。而在無菌技術方面,要了解消毒和滅菌的各種方法以及兩者之間的區別。微生物的純化培養方面,要理解其培養步驟和接種方法,并熟悉掌握和運用其中的各項操作。(八)微生物菌種的高通量篩選介紹微生物菌種的高通量篩選的方法,讓學生了解在科研、生產上還有效率很高的技術方法可以應用。微生物菌種的高通量篩選以有多個小孔的微孔板為載體,采用自動化的操作系統,并以靈敏、快速的檢測儀器采集實驗數據,用計算機分析處理數據,從而實現了在同一時間對上千份,甚至上萬份的樣品進行篩選。篩選的對象可以是從自然界分離的菌株,可以是誘變產生的菌株,也可以是通過生物技術改造的菌株。高通量篩選主要包括六個環節,依次是培養基的制備和分裝、菌液的稀釋和涂布、菌體的培養和保藏、單克隆的識別和篩選、微生物及代謝產物的分析和檢測、數據的集成和管理。(九)評估論點的可信程度讓學生在初步學習了微生物純培養技術的基礎上,再回顧水果自然發酵的實質,運用有關知識來評估相關觀點,從而訓練科學思維,提升社會責任擔當能力。水果“酵素”制作的大致過程是:將洗凈、切成塊狀的水果放入潔凈的容器,再加入糖和水,密封,置于陰涼處發酵一至兩周。有人說,吃水果“酵素”可以美容、減肥、促進消化和提高免疫力。請評估這一論點是否可信。給予學生問題提示:酵素是什么?水果酵素制作的原理是什么呢?其中可能含有哪些成分?當中是否有含有人們無法從其他食品中獲取,但又維護人體健康所必需的成分呢?水果酵素中的所有成分都有益于人體健康嗎?引導學生從多個角度多個方面進行深入的思考和分析。并繼續提問如果你要更加有力的支持或反駁水果酵素有益健康的論點,又應該怎樣獲取證據呢?引導學生學會搜索并查閱資料,用科學可靠的證據來進行全面的論證。《微生物的培養技術及應用》(第 3-4 課時)教學設計一、教材分析本節內容為人教版生物學選擇性必修 3《生物技術與工程》第 1 章第 2 節“微生物的培養技術及應用”中的第 2 小節“微生物的的選擇培養和計數”。第 2 節是在第 1 節“基本”培養技術的基礎上進一步提高技術要求——進行選擇培養、分離和計數。無論是選擇培養,還是計數,都以科學知識為基礎,并且利用了巧妙的技術方法——通過培養條件(選擇培養)篩選,再通過稀釋涂布平板法分離細菌并計數。介紹了有關方法后,教材安排了“探究·實踐 土壤中分解尿素的細菌的分離與計數”,讓學生在實踐中運用有關方法。本小節“練習與運用”中的兩道拓展應用題,都是比較典型的需要運用技術思維和工程思維來解答的題,學生完成這兩道習題的過程,就相當于是在體驗技術發明和工程設計的過程。二、學情分析在初中階段,學生對細菌和真菌在培養基中可以長出菌落,它們可能使食品腐敗變質,通過它們的發酵也可以制作食品等知識有了初步的了解,但是對微生物的選擇性培養以及計數方法等知之甚少,本節的教學就是讓學生學習相關知識,并讓他們親自體驗微生物的選擇性培養以及計數的操作。三、教學目標1.闡明微生物選擇培養的原理。2.進行土壤中分解尿素的細菌的分離和計數。3.通過實踐·探究活動培養探究實踐的意識和提升學生的實踐操作技能。4.通過課后拓展應用題,培養學生技術思維和工程思維。四、教學重點土壤中分解尿素的細菌的分離和計數。五、教學難點土壤中分解尿素的細菌的分離和計數。六、教學流程(一)創設情境,引出本節學習內容聯系第一節傳統發酵技術的應用有關知識,創設情境:傳統工藝釀醋利用的是自然界中的野生菌種,涉及的微生物種類繁多,其中醋酸菌是決定食醋產量和質量的主要菌種。為滿足食醋產量需求、縮短發酵周期,確保品質穩定,現代工業制醋一般采用人工選育的純培養的醋酸菌進行醋酸發酵。思考如何從自然界多種微生物中分離出優良的醋酸菌,進而完成純培養引出本節課學習內容。(二)選擇培養基1.分析資料:科學實例——尋找耐高溫的 DNA 聚合酶,思考和討論其中的 3 個問題。通過類比從熱泉中篩選水生棲熱菌的原理,推出選擇培養微生物的基本原理,形成選擇培養基的概念。2.介紹選擇培養基概念、原理和 3 種類型,然后提出問題:如果讓你分離土壤中分解尿素的細菌,應該怎么設計培養基?通過分析 P16 思考和討論:選擇培養基配方的設計的分析內容及思考和討論 4 個問題后總結出選擇培養基的第 4 種類型。(三)微生物的選擇培養1.展示并分析 3 則資料,思考并討論 2 個問題引出稀釋涂布平板法的定義。2.觀看稀釋涂布平板法的操作視頻,結合 P17 稀釋涂布平板法操作示意圖,介紹稀釋涂布平板法的具體操作流程。(四)微生物的數量測定1.稀釋涂布平板法:(1)結合材料介紹原理,引出稀釋涂布平板法是間接或活菌計算法。(2)結合分析內容,講述計數原則。(3)結合分析內容,講述結果計算以及結果分析。(4)總結稀釋涂布平板法注意事項。2. 顯微鏡直接計數法(1)觀察顯微鏡直接計數法視頻,介紹顯微鏡直接計數法原理,引出顯微鏡直接計數法是直接計數法。(2)介紹計數工具。(3)介紹結果計算和結果分析。(五)土壤中分解尿素的細菌的分離和計數1.提出問題:(1)土壤中含有能分解尿素的細菌,我們如何分離它們?(2)每克土壤樣品中究竟含有多少這樣的細菌?2.基礎知識:介紹土壤分解尿素的細菌的選擇性培養基的配方。3.實驗設計:(1)設置任務:根據上一節所學的知識,設計“土壤分解尿素的細菌的分離與計數”的探究方案,閱讀 P19 的 3 個資料后對設計的方案進行修正。(2)總結歸納實驗方案,通過設置問題引導學生思考和總結驗證選擇培養基是否具有選擇作用和驗證培養基是否被污染的實驗設計。(3)實驗設計具體內容:①配制以尿素作為唯一氮源的選擇培養基用來分離分解尿素的細菌和牛肉膏蛋白胨培養基用來設計對照組實驗。②土壤取樣的地點要求和取樣部位。③通過思考和解決 3 個問題來講解樣品的稀釋成功的標志與涂布平板的個數。④培養與觀察。⑤讓學生嘗試設計實驗結果記錄表來記錄實驗結果。(4)結合操作過程,講述 P19 操作提示內容。(5)讓學生思考 P19 結果分析與評價問題(七)P20 到社會中去先讓讓學生思考寫出P20 到社會中利用稀釋涂布平板法計數空氣/水中/牛奶/土壤微生物的數量的實驗思路,然后再對實驗思路進行總結。(八)P20 拓展應用1.通過解決 P20 拓展應用 1 加強和拓展分離分解尿素的微生物的實驗過程。2..通過解決P20 拓展應用2 來學習通過鑒定培養基來分離分解纖維素微生物的方法。3.通過典型練習鞏固這一節學習的內容。(七)課堂總結利用思維導圖的方式,總結本節課所學的微生物的選擇培養和計數所包含的 4 方面內容:1.選擇培養基;2. 微生物的選擇培養;3. 微生物的數量測定;4. 探究·實踐:土壤中分解尿素的細菌的分離與計數。 展開更多...... 收起↑ 資源列表 1.2 微生物的培養技術及應用 (第 3-4 課時)教學設計.docx 1.2 微生物的培養技術及應用(第 1-2 課時)教學設計.docx 縮略圖、資源來源于二一教育資源庫