酵母细胞的固定化

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酵母细胞的固定化
教学基本信息
课题 酵母细胞的固定化
教材模块 选修1 年级 高三年级 学段 第一学段
教学设计参与人员
姓名 单位 联系方式
设计者
指导者
课件制作者
其他参与者
一、指导思想与理论依据
本课题的教学主要采用“自主——合作——探究”学习模式。因为采用这种教学模式能明显的提高学生的自学能力、表达能力、合作意识、科学素养等，老师的作用不再是“播音员”而是“主持人”，学生则是“司机”而不是“乘客”。同时适当采用多媒体课件可以提高课堂教学效率，但老师绝对不能成为“放映员”。
其理论基础是：1、精致理论认为：要使信息保持在记忆中，最有效的方式之一是向他人解释材料。2、建构主义认为：学习是将新 的知识与记忆中已有的的知识相联系的过程，学习者必须对材料进行某种形式的认识重组，涉及到学习者之间的相互效仿、协助和激发。3、现代教师观认为：教师的职责不是传授知识，而应是越来越多的激励思考、是问题的发现者。
二、教学背景分析
（一）、教学内容分析：
本课题为选修1《生物技术实践》中专题4《酶的研究与应用》中的一个课题。本专题前面两个课题介绍了两个生产生活中直接利用酶的实例（果胶酶和加酶洗衣粉），当然，现在酶已经大规模的应用于食品、化工、轻纺、医药等各个领域，但是人们在应用酶的过程中，发现了一些实际问题，如： 酶容易失活；不能被再次利用；混在产物中影响产品质量等。通过研究，人们可以通过固定化酶技术来解决这些问题。酶是细胞合成的，于是又有了制备成本更低、操作更容易的细胞固定化技术。本课题就是让学生通过动手制作固定化酵母菌细胞，来理解和体验固定化酶、固定化细胞技术的原理和过程，因此本课题共需2个课时，其中第一个课时为基础知识的理解和实验过程的设计，第二个课时为学生实验课。
（二）学生情况分析
作为已经完成了学业水平测试的高二学生来说，已具备了有关酶、酵母菌等相关的生物学基础知识和一定的生物学实验能力，同时本专题前面已学的两个专题为学生打好了酶的应用方面的基础，因此本课题宜采用“自主——合作——探究”学习模式。
（三）教学方式
本课题的教学方式采用“自主——合作——探究”学习模式。即：第1课时，教师引入课题后，由学生独立自主学习十分钟（阅读教材和完成《学案》上的自主预习部份），后检测自主学习效果（五分钟），接下来再分组讨论老师展示的几个问题（十分钟），讨论以后，各组展示讨论结果，老师总结和精讲（十五分钟），最后为随堂反馈检测（五分钟）。第2课时为学生实验课。
（四）教学手段
1、多媒体课件
2、学生分组实验
（五）技术准备
准备学案、制作课件、实验材料和仪器的准备、实验材料的处理（如酵母细胞的活化）等。
三、教学目标
（一）知识与技能目标
1、识记固定化技术的常用方法。
2、理解固定化酵母细胞的制备过程并进行分组实验
3、知道固定化酶的实例。
（二）、过程与方法目标
1、通过学生实验培养学生的实验能力、动手能力、观察能力等。
2、通过自主学习培养学生的自学能力、阅读能力、获取信息的能力、归纳分析能力等。
3、通过合作、探究、展示培养学生的沟通能力、探索能力、表达能力等。
（三）情感、态度和价值观目标
1、通过学生实验培养学生的严谨的科学态度。
2、通过合作、探究、展示培养学生的合作意识、探索精神及自信心。
四、教学过程（第一课时）
1．提出问题，导入课题：
如今，酶已经大规模的应用于食品、化工、轻纺、医药等各个领域，但是人们在应用酶的过程中，发现了一些实际问题，如： 酶通常对强酸、强碱、高温和有机溶剂等条件非常敏感，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，可能影响产品的质量等。这些问题如何解决呢？
学生短暂讨论后，导入课题：通过研究，人们通过固定化酶技术来解决这些问题。酶是细胞合成的，于是又有了制备成本更低、操作更容易的细胞固定化技术。那么本节课以酵母菌为例来了解固定化技术原理和自己尝试制备固定化酵母并用于发酵。
2、自主学习
学生自学教材，并完成《学案》《自主学习检测》部分。
3、自主学习检测
学习小组代表展示自主学习检测结果，老师及时引导和纠错。
4、合作探究
《学案》展示以下探究问题：
（1）阐述生产实际中直接使用酶用于生产的缺点。
（2）酶的固定方法有哪些？最合适的方法是什么？为什么？
（3）简单描述固定化酶的生产实例——高果糖浆的生产流程。
（4）细胞的固定方法有哪些？最合适的方法是什么？为什么？
（5）简单描述固定化细胞技术的生产实例——酵母细胞固定化的实验流程及注意事项。
（6）列表比较直接使用酶、固定化酶、固定化细胞。
讨论十分钟，并由每个学习小组负责一个问题的展示，在讨论的同时，各组派代表将本组承担的问题答案展示在黑板上。
5、展示交流
讨论、展示后师生一起对各组展示的结果进行评价、补充或老师精讲（精讲的重点为第5、6个问题，并用多媒体课件展示）。
6、课堂小结
直接使用酶用于生产有一些实际问题，于是采用固定化技术，方法有包埋法、化学结合法、物理吸附法三种。其中固定酶的适宜方法是化学结合法和物理吸附法，固定细胞的适宜方法是包埋法。固定化酶的生产实例是将葡萄糖异构酶在载体上制成反应柱，可将葡萄糖顺利的生产成果糖；固定化细胞的实例是制备固定化酵母细胞并用于发酵，基本流程是：1、酵母细胞的活化；2、CaCl2溶液的配制；3、配制海藻酸钠溶液；4、海藻酸钠溶液与酵母细胞混合；5、固定化酵母细胞；6、发酵。
7、课堂反馈检测
多媒体展示课堂反馈练习。
五．学习效果评价设计
学习效果评价采用多元评价法，主要有：1、自主学习的效果检测评价；2、合作探究、展示交流的即时评价；3、课堂反馈练习检测的评价。评价结果班级专人负责登记。
六、教学反思
学生对本课题的基础知识不难理解，主要是让学生做分组实验，亲身体验固定化细
胞的基本技术。因此我设计为两课时完成该课题，第一课时为基础知识的学习和理解，第2课时为实验课。而基础知识的学习，我采用的是“自主——合作——探究”教学模式。实践证明这种教学模式效果很好。这是因为：①这种教学模式不同于传统的“教师针对教材备课，再传授给学生”的教学信息传递途径，而是“学生自学教材，再讨论、展示”的教学信息传递途径，这样学生更容易把知识内化成自己的东西。②我们学校进行课堂教学改革已有时日，学校一直倡导这种更能体现新课程理念的教学模式，学生的自学能力和习惯已到了一个较高的水平，所以学生能顺利完成本节课的学习。③这种教学模式有着明显的优势：A、学生自学能力明显增强，包括阅读能力、理解能力、归纳知识的能力等；B、学生表达能力明显增强，包括口头表达、书面表达；C、学生合作意识明显增强；D、学生科学素养明显增强，对科学知识的理解更深刻，有利于学生确立科学精神——理性地批判。当然，这种教学模式如果把握不好，就会适得其反。如：节奏把握不好的话，一节课就完不成任务，精讲的度要把握好，学生自己已懂的知识，老师就不需要再重复；等等，这些问题的解决需要我们的老师在实践中不断的摸索和完善。
附:
学案
课题3 酵母细胞的固定化
一、学习目标：知识与技能 识记固定化技术的常用方法；理解固定化酵母细胞的制备过程并进行分组实验；知道固定化酶的实例。
过程与方法 通过学生实验培养学生的实验能力、动手能力、观察能力等；通过自主学习培养学生的自学能力、阅读能力、获取信息的能力、归纳分析能力等；通过合作、探究、展示培养学生的沟通能力、探索能力、表达能力等。
情感、态度和价值观 通过学生实验培养学生的严谨的科学态度；通过合作、探究、展示培养学生的合作意识、探索精神及自信心。
二、重、难点
重点：固定化技术的方法；固定化酵母细胞的制备过程和实验。
难点：直接使用酶、固定化酶、固定化细胞的比较；固定化酵母细胞的制备的实验过程。
三、自主学习检测
知识要点 归纳与总结
（一）基础知识 1. 固定化酶的应用实例-------生产高果糖浆（1）高果糖浆的生产原理：葡萄糖在 葡萄糖异构酶 作用下形成果糖（2）葡萄糖异构酶固定：将葡萄糖异构酶固定在颗粒状载体上，再装入反映柱中 。（3）高果糖浆的生产操作 从反应柱上端注入葡萄糖溶液，从下端流出果糖溶液，一个反应柱可连续使用半年。 2. 固定化技术的方法 将酶和细胞固定的方法有包埋法，化学结合法和物理吸附法。酶和细胞的固定方法和特点固定对象 酶细胞适宜固定法化学结合法，物理吸附法包埋法特点体积小，固定一种酶。包埋法容易丢失体积大，固定一系列酶。难以化学结合和吸附3.固定细胞的材料：固定细胞时应当选用不溶于水的多孔性材料作载体，如明胶，琼脂糖，海藻酸钠，醋酸纤维素和聚丙烯酰胺等。
（二）实验操作 1.制备固定化酵母细胞（1）酵母细胞的活化。活化是指让处于休眠状态的微生物重新恢复正常生活状态的过程。 (2) 配制CaCl2溶液（3）配制海藻酸钠溶液 思考：微火加热并不断搅拌的目的是什么？ 防止海藻酸钠焦糊.（4）海藻酸钠溶液与酵母细胞的混合 思考：为什么要海藻酸钠溶液冷却后才能加入酵母细胞？ 防止高温杀死酵母细胞（5）固定化酵母细胞：以恒定速度缓慢地将注射器中的溶液加到CaCl2溶液中，形成凝胶珠状颗粒。 2.固定化酵母细胞的发酵 （1）冲洗：将固定的酵母细胞凝胶珠用蒸馏水冲洗2-3次。 （2）发酵：150mL10%葡萄糖+固定化酵母细胞→200mL锥形瓶→密封→250C发酵24h. 思考：①发酵过程中锥形瓶为什么要密封？ 酵母菌的酒精发酵需要缺氧条件。②锥形瓶中的气泡和酒精是怎样形成的？酵母菌进行无氧呼吸产生的。③在利用固定化酶或固定化细胞进行生产的过程中，需要无菌操作吗？需要
（三）结果分析与评价 1.凝胶珠的颜色和形状 如果制作的凝胶珠颜色过浅，呈白色，说明海藻酸钠的浓度偏低，固定的酵母细胞数目较少；如果形成的凝胶珠不是圆形或椭圆形，则说明海藻酸钠的浓度偏高，制作失败，需要再做尝试。 2.观察发酵的葡萄糖溶液利用固定的酵母细胞发酵产生酒精，可以看到产生了很多气泡，同时会闻到酒味。
四、合作探究
（1）阐述生产实际中直接使用酶用于生产的缺点。
（2）酶的固定方法有哪些？最合适的方法分别是什么？为什么？
（3）简单描述固定化酶的生产实例——高果糖浆的生产流程。
（4）细胞的固定方法有哪些？最合适的方法分别是什么？为什么？
（5）简单描述固定化细胞技术的生产实例——酵母细胞固定化的实验流程及注意事项。
（6）列表比较直接使用酶、固定化酶、固定化细胞。
参考比较表
直接使用酶 固定化酶 固定化细胞
酶的种类 一种或几种 一种 一系列酶
常用载体 —— 高岭土、皂土、硅胶、凝胶 明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤细素、聚丙烯酰胺
制作方法 —— 化学结合法固定化、物理吸附法固定化 包埋法固定化
是否需要营养物质 否 否 是
反应底物 各种物质（大、小分子） 各种物质（大、小分子） 小分子物质
催化反应 单一或多种 单一 一系列
缺点 ①对环境条件非常敏感，易失活②难回收，成本高，影响产品质量 不利于催化一系列的酶促反应 反应物不易与酶接近，尤其是大分子物质，反应效率下降
优点 催化效率高、耗能低、低污染 ①既能与反应物接触，又能与产物分离②可以反复利用 成本低，操作容易
五、课堂反馈检测
1、关于固定化酶技术的说法，正确的是： （ D ）
A、固定化酶技术就是固定反应物，并将酶依附着载体围绕反应物旋转的技术
B、固定化酶的优势在于能催化一系列酶促反应
C、固定化酶中的酶无法重复利用
D、固定化酶是将酶固定在一定空间内的技术
2、酶的固定方法不包括： （ D ）
A、将酶吸附在载体表面上
B、将酶相互连接起来
C、将酶包埋在细微网格
D、将酶制成固体酶制剂
3、关于酵母菌细胞活化的说法，不正确的是 （ A ）
A、酵母细胞活化就是由无氧呼吸变成有氧呼吸
B、活化就是让处于休眠状态的细胞恢复生活状态
C、酵母细胞活化所需时间较短
D、酵母细胞活化反应体积增大
4、对配制海藻酸钠溶液的叙述中，不正确的是 （ C ）
A、加热使海藻酸钠溶化是操作中最重要的一环
B、海藻酸钠的浓度涉及固定化细胞的质量
C、海藻酸钠的浓度过高，易形成凝胶珠
D、海藻酸钠的浓度过低，形成的凝胶珠内包埋的细胞过少
5、固定化酶和一般酶制剂在应用效果上的说法，错误的是 （ A ）
A、固定化酶生物活性强，可长久使用
B、一般酶制剂应用后和产物混在一起，产物的纯度不高
C、一般酶制剂参加反应后不能重复利用
D、固定化酶楞以反复利用，降低生产成本，提高产量和质量
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