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1、普通高中课程标准实验教科书选修1 生物技术实践 简介 吴成军 北京第15中学(100054) 2006年6月,选修模块设计的指导思想,课标中“课程设计思路” “选修模块是为了满足学生多样化发展的需要而设计的,有助于拓展学生的生物科技视野、增进学生对生物科技与社会关系的理解、提高学生的实践和探究能力。”,选修模块,选修1 生物技术实践 提高学生的实践和探究能力。侧重于实验操作 选修2 生物科学与社会 增进学生对生物科技与社会关系的理解。侧重于生物科学与社会的联系 选修3 现代生物科技专题 拓展学生的生物科技视野。侧重现代生物科技的基本概念和原理,课程设计思路中的表述,“选修1 生物技术实践”模
2、块 重在培养学生设计实验、动手操作、收集证据等科学探究的能力,增进学生对生物技术应用的了解。 本模块适于继续学习理工类专业或对实验操作感兴趣的学生学习。,广义的生物技术指人类以经验为基础,改造生物及其功能的技术。如植物引种驯化、动物良种培育、发酵食品的制作等。 狭义的生物技术是指人类以现代生物学、生物化学等特别是分子生物学为基础,在细胞水平和分子水平直接改造和利用生物及其生命活动的技术,如组织培养技术,克隆技术,DNA重组技术等。 这里所说的生物技术是广义的。,什么是生物技术?,传统生物技术:主要是通过微生物的初级发酵来生产商品。 现代生物技术:1973年,第一个DNA重组实验成功。此后,以D
3、NA重组技术为核心的现代生物技术兴起。,什么是生物技术?,生物技术与相关学科及研究目的,作用对象,动物、植物、微生物,知识基础,生理 生化 遗传 分子生物学,研究目的,克隆 细胞工程 转基因 动植物新品种 发酵产物,生物技术,教材中所涉及到的生物技术,传统发酵技术,如酿葡萄酒、制作腐乳和泡菜等 微生物培养和分离技术 酶的研究与应用 植物的组织培养技术 植物有效成分的提取技术 细胞的固定化、PCR和蛋白质技术等现代生物技术,一、课标的规定和教材内容的对照 二、本模块的特点 三、本模块的教育价值 四、本模块教材编写的特点 五、教材的具体内容简介、教材分析及教学 建议 六、本模块的总体教学建议,一、
4、课标的规定和本模块的内容的对照,微生物的利用 进行微生物的分离和培养 测定某种微生物的数量 研究培养基对微生物的选择作用 尝试利用微生物进行发酵来生产特定的产物,专题2 微生物的培养与应用,课题1 果酒和果醋的制作 课题2 腐乳的制作 课题3 制作泡菜并检测亚硝酸盐含量,专题 传统发酵技术的应用,课题1 微生物的实验室培养 课题2 土壤中分解尿素的细菌的分离与计数 课题3 分解纤维素的微生物的分离,酶的应用 研究酶的存在和简单制作方法 尝试利用酶活力测定的一般原理和方法 探讨酶在食品制造和洗涤等方面的应用 尝试制备和应用固相化酶,专题4 酶的研究与应用,课题1 果胶酶在果汁生产中的作用 课题2
5、 探讨加酶洗衣粉的洗涤效果 课题3 酵母细胞的固定化,一、课标的规定和本模块的内容的对照,生物技术在食品加工中的应用 研究从生物材料中提取某些特定成分 运用发酵食品加工的基本方法 测定食品加工中可能产生的有害物质,专题1 传统发酵技术的应用,课题2 腐乳的制作 课题3 制作泡菜并检测亚硝酸盐含量,一、课标的规定和本模块的内容的对照,专题6 植物有效成分的提取 课题1 植物芳香油的提取 课题2 胡萝卜素的提取,生物技术在其他方面的应用 尝试植物的组织培养 尝试蛋白质的提取和分离 尝试PCR(DNA多聚酶链式反应)技术的基本操作和应用,专题5 DNA和蛋白质技术,课题1 DNA的粗提取与鉴定 课题
6、2 多聚酶链式反应、扩增DNA片段 课题3 血红蛋白的提取和分离,专题3 植物的组织培养技术,课题1 菊花的组织培养 课题2 月季的花药培养,一、课标的规定和本模块的内容的对照,二、本模块的特点,是实验课,以做为主,实验所需要时间长。 具有选择性。不同学校可以根据条件开设不同的实验,每个学生选做57个实验即可。 实验的类型多样。 有的是以了解基本原理或基本知识为主的,如微生物的分离和培养、PCR技术等;有的是偏重实际应用的,如酶在洗涤中的应用,发酵食品的加工等。,目 录,走近生物技术 专题1 传统发酵技术的应用 专题2 微生物的培养与应用 专题3 植物的组织培养技术 专题4 酶的研究与应用 专
7、题5 DNA和蛋白质技术 专题6 植物有效成分的提取,三、本模块的教育价值,1、提供丰富的科学探究的素材,较全面、系统地培养了学生的科学探究能力 学生拥有从选择课题,了解背景知识、理顺研究思路,设计实验流程,规范操作到评价结果的独立自主权,并且最终要获取产品,而不是仅仅为了验证结论或寻求答案。,理解技术设计基本过程: 发现和明确问题制定设计方案实施设计方案结果分析和评价表达和交流 技术流程图的制作 技术装置的设计和评价 对技术系统及技术控制的理解,2、集中培养学生的技术设计能力,技术流程图示例,各课题的操作对象和方法技能多种多样,操作上的差之毫厘,会导致结果的失之千里(提取亚硝酸盐实验) 。
8、还有操作不当引起的安全问题,需要:认清操作的目的和原理,了解操作对象和工具的性质,熟悉操作的程序和要领,观察和分析结果,杜绝安全事故,3、较严格地、多方位地培养学生的实际操作能力,基本的实验操作。 学科内的实验操作。例如:微生物的培养、分离、接种、计数;组织培养技术操作、微生物的固定化技术操作、蛋白质的提取和分离技术操作等等。 生活实验操作。例如:果酒和果醋的制作;腐乳的制作;泡菜的制作等等。,生产和生活中与课题研究有关的背景知识,实验的生物学原理,操作的原理,有关的理化知识。 与必修模块不同的是,本模块是为了应用去获取知识,在实践过程中去理解知识,目的性更强。,4、拓展和加深对生物科学技术知
9、识的理解,深入体会科学和技术的性质 深入体会科学和技术的价值和局限性 深入体会科学与技术的相互支持 深入体会技术是科学应用于社会的桥梁 深入体会技术是人的感官和肢体的延伸,大大加强人类干预自然的能力,5、领悟科学、技术、社会的相互关系,凸显科技价值观的教育,在做实验的过程中,需要一丝不苟,百折不挠,埋头苦干的精神; 求真务实,谦虚谨慎,严格要求的态度; 从课标中具体内容标准所用的目标行为动词可以看出,本模块为学生自主创新留出了极大空间。,6、培养科学态度,渗透科学精神、鼓励创新。,四、本模块教材编写的特点,1、以研究专题和课题的形式编排 (1)不同于传统教材的章节体系,分为若干研究专题,每个专
10、题下设23个研究课题。 (2)专题和课题式编排的优势 突出本模块是实验课的特点,以培养学生动手实践和探究能力为重点。 专题之间相对独立,同一个专题下的课题在内容、方法和教育价值上相似或相近,这样便于学生从中选择57个课题进行研究。,2、构建便于教和学的课题结构 学习本模块的目的不仅是掌握基本的生物技术,更主要的是培养科学探究能力,特别是创新和实践能力。因此,课题的编写一是要体现科学探究的一般过程,二是要给学生的自主探究留出空间,避免写成简单的实验指导。,四、本模块教材编写的特点,课题结构,课题结构简析,课题背景:从生产和生活出发,突出了与学生生活经验的联系,并高度关注某项生物技术与社会生活、或
11、生产、或发展的关系,让学生明白研究此课题的意义并调动学生探究的积极性。,基础知识:阐明本课题的科学原理和基本实验方法,实验设计:提供实验流程图和参考资料,引导学生自主设计,操作提示:操作层面的指导性建议,结果分析与评价:分析结果,得出结论。以评价为杠杆,引导学生总结和反思,倾听不同意见,不断进取。评价又以学生自我评价和教师评价相结合,最终确定是否获得了该课题应得的学分,使考核落到实处。,课题结构简析,课题延伸和相关链接体现了学习的开放性,鼓励有兴趣、有相应潜质的学生,得到进一步的发展。 课题延伸:纵向拓展 相关链接:横向联系 P26,课题结构简析,3、充分体现实践性和技术性 生物科学的所有知识
12、和理论都来源于观察和实验,4、充分体现了基础性和现代性 既有传统的与生活实际相联系的课题,也有难度较大的动手动脑能力较强的课题,照顾到不同地区、不同学校和不同学生的多方面、多层次的需求,5、充分体现了选择性和多样性 每个课题相对独立,方便学生自主地选择,有利于激发学生的学习兴趣,四、本模块教材编写的特点,6、渗透科学思维、科学方法的训练 归纳、演绎、类比等思维的方法 重复和对照的设计 通过引导学生设计实验来训练科学方法,正文和旁栏中的思考题大多围绕科学方法来设计,四、本模块教材编写的特点,7 、图文结合,化解技术操作的困难,四、本模块教材编写的特点,8 、实验室工作的有关规定或相关资料集于附录
13、 生物学实验室基本安全规则 生物学实验中常用的国际单位 常用培养基的配方 常用的消毒灭菌方法 常用化学抑制剂,四、本模块教材编写的特点,四、本模块教材编写的特点,9、每个课题附有“基础知识”、“操作提示”和“结果分析与评价”,有利于学生自主地学习,10、课题后有“相关链接”或“课题延伸”,激发学有余力的学生继续研究和关注生活,五、教材的具体内容简介、教材分析 及教学建议,专题 传统发酵技术的应用,课题1 果酒和果醋的制作 课题2 腐乳的制作 课题3 制作泡菜并检测亚硝酸盐含量,课题 果酒和果醋的制作,基本原理,本课题侧重于科学原理的学习和科学方法的学习和分析,基础知识,注意事项: 1、成熟的葡
14、萄上本身就含有大量的酵母菌,放久的葡萄有酒味就是这个道理。 2、作酒的葡萄不能用洗涤灵等化学洗涤剂清洗。 3、容器很关键,应用清水或洗涤灵冲洗干净,并用75%的酒精擦洗;应选择塑料容器,有利放气。 4、塑料瓶中不能装满葡萄液汁,应留一定空间,有利于酵母菌有氧呼吸大量繁殖形成种群优势。 5、在发酵过程中应盖好容器的盖子,已便无氧呼吸产生酒精。 6、在发酵过程中应注意温度的控制。,7、前期厌氧果酒发酵产生酒精,并不是严格厌氧,因此有少量的醋酸菌存留,当转入好氧发酵时,残存的醋酸菌会大量繁殖,产生醋酸。同时,在我们的实验条件下并不是严格无菌,通入的空气中会有一些醋酸菌,带到发酵液中,大量繁殖,而其他
15、的菌因不适应这种条件而不能繁殖。在工业上,后期醋的发酵是要人工接种醋酸菌的,以保障生产的正常进行,而不是采取我们实验的方法。 8、另外,在实际操作时,由于菌株的量较少,可能需要很长的时间。为了缩短时间,制作果酒时可以从市场上买一些菌株;制作果醋时可以先买一瓶醋,打开盖暴露于空气中,一段时间后在醋的表面有一层薄膜(实际是醋酸菌),可以用这层薄膜进行接种,这样可以明显缩短制作果酒、果醋的时间。,教学建议 教师最好事先制作果酒和果醋,或在超市购买,展示给学生,以激发其学习兴趣。 引导学生学习和比较酵母菌和醋酸菌的特点。 课时安排 : (3课时) 自学和讲解及学生设计实验一节课 教师准备水果,学生准备
16、发酵的仪器(可乐瓶、饮料瓶等),动手制作一节课,将学生分成不同的组,部分学生制作果酒,部分同学制作果醋。 学生在课下照顾、观察、记录。 34周后,学生展示实验成果、分析成败及评定成绩一节课,课题2 腐乳的制作,本课题侧重于搜集资料和动手实践,注意事项 1、豆腐块上生长的毛霉来自空气中的毛霉孢子,要让毛霉形成生长优势,最主要的是创造毛霉生长的环境条件:一是避免豆腐受到其他杂菌的污染;二是控制一定的温度(15-18)和湿度。 2、当豆腐上出现青霉时,一定要注意将这样的豆腐清理出去。 3、豆腐的含水量不同,制作的腐乳的品质不同。,教学建议,1、课时究排(2课时) 自学、讲解及演示实验1课时 2-3周
17、后学生展示成果、分析评价1课时,2、建议学生的制作在家完成 建议教师提供几种配制卤汤或配料的方案,或学生搜集制作不同腐乳的方案,每一学生或不同组的学生制作不同的腐乳。 3、在保证安全和卫生的条件下,可让学生品尝和进行评价(色、味),课题3 制作泡菜并检测亚硝酸盐含量,本课题既重视基础知识和实践操作,也重视科学探究中的实验设计原则的学习和应用,基本原理 1. 制作泡菜的原理。利用乳酸菌在无氧的环境下大量繁殖制作泡菜。 2. 测定亚硝酸盐含量的原理和比色的原理。在盐酸酸化条件下,亚硝酸盐与对氨基苯磺酸发生重氮反应后,与N1萘基乙二胺盐酸盐结合形成玫瑰红色染料。将显色反应后的样品与已知浓度的标准液进
18、行目测比较,可以大致估算出泡菜中亚硝酸盐的含量。 3. 无机大分子颗粒吸附有机杂质的原理和方法。,问题:泡菜中的亚硝酸盐怎样生成的? 发酵初期,泡菜中的微生物生长很快,微生物将蔬菜中的硝酸盐氧化成亚硝酸盐,如此同时,蔬菜中的酚类物质和维生素C等物质也会将亚硝酸盐还原,但总体来说,生成的亚硝酸盐大于被还原的亚硝酸盐,因此,随着发酵时间的进行,亚硝酸盐的含量会逐步上升。随着微生物代谢活动的持续,氧气被消耗殆尽,泡菜坛中的环境不利于除乳酸菌以外的其他微生物的生长。与此同时,蔬菜中的硝酸盐含量由于被氧化而减少,因此,亚硝酸盐的含量会逐渐下降并趋于一个相对稳定的数值。,技术流程,增加离心环节;购买摇床,
19、发酵温度:1315 单位:mg/kg,结果及分析:,例:泡菜是人们日常生活中比较喜欢的一种食品,但是泡菜中却含有亚硝酸盐。当人体摄入的亚硝酸盐总量达到03g05g时,会引起中毒;达到3g时,会引起死亡。我国卫生标准规定,亚硝酸盐的残留量在酱菜中不得超过20mgkg。膳食中的绝大部分亚硝酸盐在人体内以“过客”的形式随尿液排出,只有在特定的条件下才会转变成致癌物亚硝胺。针对泡菜在发酵过程中会产生亚硝酸盐的事实,某中学生物活动小组设计实验,探究不同食盐浓度和发酵时间对亚硝酸盐含量变化的影响。 (1)请补充实验设计的空缺内容: 制作泡菜的原理: 。 测量指标及方法:亚硝酸盐与某些化学物质发生反应后形成
20、玫瑰红色染料。先使泡菜样品及一系列已知浓度的亚硝酸盐溶液分别与化学物质发生显色反应,然后对比颜色,可以估测出泡菜液样品中亚硝酸盐的含量。 确定浓度梯度:经过查找资料和初步实验,发现当食盐浓度为3以下时,制作的泡菜容易发生腐败,而当食盐浓度在8以上时,制作的泡菜又容易成为咸腌菜。因此,分别设计了3、5、7的食盐浓度梯度来制作泡菜。,利用乳酸菌在无氧的环境下大量繁殖制作泡菜,选择实验材料:红萝卜和白萝卜,哪种更适合于用做实验材料?白萝卜 。其原因是:避免植物中的色素对显色反应的干扰 制作泡菜:将实验材料分成3组制作泡菜,除了实验材料的重量相同外,还要保证每组泡菜的制作(或培养、发酵)条件 相同。
21、(2)下图是该生物活动小组记 录的三种食盐浓度的泡菜中的亚 硝酸盐含量与发酵天数的关系图。 根据此图实验结果,请你给出 制作和食用泡菜的最佳指导建议: 用5的食盐浓度制作泡菜比较适合食用(1分),但要在发酵时间达11天(或9天)以后食用才比较适宜(1分)。 你给出此建议的理由是:食盐浓度为3的泡菜中亚硝酸盐含量总体上是3坛泡菜中最高;食盐浓度为5的泡菜中亚硝酸盐含量变化最快,它的最高值是三坛中最高的,说明乳酸菌代谢最旺盛,但从发酵11天后亚硝酸盐降到最低值;而食盐浓度为7的泡菜中亚硝酸盐含量变化不大,虽一直处于较低数值,但容易成为咸腌菜。(3分),从第三天开始,定期测定泡菜中的亚硝酸盐含量。请
22、帮该小组设计一个用于实验记录的表格。,专题2 微生物的培养与应用,课题1 微生物的实验室培养,本课题既有理论基础知识,又有实际操作技巧,培养基的配制、灭菌和倒平板,平板划线时不能划破培养基的原因 一旦划破,会造成划线不均匀,难以达到分离单菌落的目的; 二是存留在划破处的单个细胞无法形成规矩的菌落,菌落会沿着划破处生长,会形成一个条状的菌落。,平板划线的操作方法 交叉划线法 连续划线法,课题2 土壤中分解尿素的细菌的分离与计数,课题的意义 培养基的配制 :最好用蒸馏水 培养基的灭菌: 可先灭菌再倒平板 取土样:可事先采取措施使土壤中的尿素细菌富集一些,检测:酚酞的灵敏度不如酚红,因此建议最好使用
23、酚红,否则效果不明显。,培养基配方三 KH2PO4 1.4g Na2HPO4 2.1g MgSO47H2O 0.2g 葡萄糖 10.0g 尿素 1.0g 琼脂 15.0g,培养基配方二 KH2PO4 3g MgSO47H2O 3g NaNO3 2g 葡萄糖 10.0g 尿素 3.0g 琼脂 15.0g,培养基配方一 KH2PO4 3g Na2HPO4 1.4g NaNO3 2g MgSO47H2O 3g 葡萄糖 10.0g 琼脂 15.0g,分离尿素细菌,用以判断选择性培养基是否具有选择性,统计在操作过程中,空气中可能存在的落在培养基上的尿素细菌的数目,对设计实验的训练,课题3 分解纤维素的微
24、生物的分离,与课题2相比:1、选择性培养基 2、鉴别性培养基,课题1 菊花的组织培养 课题2 月季的花药培养,专题3 植物的组织培养,1、注重基本原理的学习 细胞的全能性、分化、脱分化、愈伤组织、培养基的成分、激素的种类及作用、继代培养、炼苗、灭菌的原因,离体器官、 组织或细胞,愈伤组织,根、芽,植物体,2、实验成败的关键因素主要在三方面:外植体的选择;外植体消毒及无菌操作;激素的用量和比例。,3、如条件有限,建议只讲原理,不进行操作,课题1 果胶酶在果汁生产中的作用 课题2 探讨加酶洗衣粉的洗涤效果 课题3 酵母细胞的固定化,课题1 果胶酶在果汁生产中的作用 课题2 探讨加酶洗衣粉的洗涤效果
25、,1、果胶酶挺贵 2、注重实验原理的理解和实验设计的能力的培养,课题2 探讨加酶洗衣粉的洗涤效果,子课题二:探讨不同种类的洗衣粉对同一污染或不同污染的洗涤效果的比较,课题3 酵母细胞的固定化,酶,优点:催化效率高,低耗能、低污染,大规模地应用于食品、化工等各个领域。,实际问题:对环境条件非常敏感,容易失活;溶液中的酶很难回收,不能被再次利用,提高了生产成本;反应后酶会混在产物中,可能影响产品质量。,1、引导学生层层深入地理解基础知识,2、注意操作步骤的细致和严谨,加热使海藻酸钠溶化是学生容易忽视的地方,也是操作中最重要的一环,涉及到实验成败的关键,教师一定要提醒学生按照教材的操作提示进行。海藻
26、酸钠的浓度涉及到凝胶珠的形成,如果浓度高,就很难形成凝胶珠,浓度过低,形成的凝胶珠所包埋的酵母细胞的数目少,也会浪费实验材料。 刚形成的凝胶珠应在CaCL2溶液中浸泡一段时间,以便Ca2+与Na+充分交换,形成的凝胶珠稳定。检验凝胶珠是否形成,可用下列方法:用镊子夹起一个凝胶珠放在实验桌上用手挤压,如果不容易破裂,没有液体流出就表明成功地制成了凝胶珠,还可以用手将凝胶珠在实验桌上用力摔打,如果凝胶珠很容易弹起,也表明制备的凝胶珠是成功的。,课题1 DNA的粗提取与鉴定 课题2 多聚酶链式反应、扩增DNA片段 课题3 血红蛋白的提取和分离,课题1 DNA的粗提取与鉴定,略,课题2 多聚酶链式反应
27、、扩增DNA片段,教学建议: 1、理解PCR技术的基本原理,不要深究其技术细节,引物是什么?为什么需要引物?,2、理解一些基本的名词和概念,3端和5端:DNA的羟基的末端称为3端,磷酸基团的末端称为3端,3、只学习原理,不做具体实验,课题1 植物芳香油的提取 课题2 胡萝卜素的提取,略,1、制订切实可行的本模块的实验计划 总的原则:根据学校实际指导学生选择课题,不追时髦。课题的教育价值并不因它是传统生物技术还是现代生物技术而提升或降低。 根据当地的实际情况选做实验(农村和城市的区别)。,五、本模块的总体教学建议,参考方案(57个实验),五、本模块的总体教学建议,2、培养学生自学和动手设计实验方案的能力 让学生先自学有关基础知识,弄清原理,再设计实验。设计实验过程中需要通过各种途径收集资料。教师对实验设计方案进行审核,提出修改意见。由学生进行实验,记录结果,得出结论,写出实验报告,在班上交流。 3、多方面地准备实验器材 4、及时对学生的实验情况作出评价,并做好记录。,5、尽量让学生动手实验。 不要求全。 6、注意联系生产和生活的需要,明确课题的意义。,五、本模块的总体教学建议,最后的话,1、迎接挑战,知难而上。 2、多做实验,多做总结。 3、团结协作、互通信息、互帮互助。 4、成立活动小组。,说不如做,认真地做比不认真地做要好, 主动做比被动做更好,,谢谢!,
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