6.3 探究抗生素对细菌的选择作用的改进及拓展-2023-2024学年高一下学期生物人教版必修二

人教版高中生物必修二第六章第三节创新实验：探究抗生素对细菌的选择作用的改进及拓展 一、使用教材 本实验出自新人教版高中生物学必修二第六章第三节《种群基因组成的变化与物种的形成》中第二个“探究.实践”的内容。 与旧教材相比，这是一个新增的实验，是帮助学生达成“适应是自然选择的结果”这一重要概念的重要证据，同时又为《生物技术与工程》的学习奠定了基础。滥用抗生素的现象在生活中常见、超级细菌的产生也是备受关注的热点话题，本实验的开展，为细菌耐药性的产生原因提供了证据，让学生具备了基于实证探讨社会热点话题的能力。 《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》教学提示中明确指出为帮助学生达成大概念4的理解，应开展：探讨耐药菌的出现与抗生素滥用的关系的教学活动。学业要求指出学生在学完本节后，能基于可遗传的变异，以及变异可能带来的生存与繁殖优势等方面的实例，解释生物的适应是自然选择的结果。 二、实验器材 高压蒸汽灭菌锅，试管架，微量可调移液器，移液器架，枪头，直尺，游标卡尺，枪头盒，酒精灯，酒精棉球，玻璃棒，试管，量筒，培养皿，牛肉膏蛋白胨固体和液体培养基，大、小烧杯，镊子，涂布器，接种环，TTC溶液，打孔器，空白药敏片，打孔器，牛津杯，离心管，大、小锥形瓶，，阿莫西林，庆大霉素，头孢拉定，罗红霉素，大肠杆菌，洋葱，大蒜，生姜，84消毒液、洗衣液、洗手液、滴露消毒液，研磨过滤器。 三、实验创新要点/改进要点 （1） 教材实验的改进： （1）菌液不稀释； （2）倒平板前，向培养基中加入TTC； （3）将涂布菌液法改为预加菌液倾注平板法； （4）将滤纸片扩散法改为平板打孔法，将定性实验改为定量实验； （5）用游标卡尺代替直尺测量抑菌圈的直径，减小误差。 （2） 拓展实验（由兴趣小组的同学在老师指导下，自己做计划、写方案、设计实验、进行实验、记录结果、表达和交流）： （1） 探究两种抗生素同时使用的抑菌效果 （2） 探究生姜汁、大蒜汁、洋葱汁是否具有抑菌效果 （3） 抑菌洗手液、洗衣液、消毒液是否具有抑菌效果 四、实验原理/实验设计思路 （一）实验原理 一般情况下，一定浓度的抗生素会杀死细菌，但变异的细菌可能产生耐药性。在实验室连续培养细菌时，向培养基中添加抗生素，耐药菌有可能存活下来。 （二）实验设计思路 采用小组合作探究的方式进行，同时引入项目式教学的理念。在拓展探究环节，针对学生提出的问题，生成项目任务，通过小组合作探究完成项目任务，最后表达和交流展示项目成果。 五、实验教学目标 （1） 生命观念： 通过探究抗生素对细菌的选择作用，理解细菌耐药性产生的原因，树立进化与适应观。 （2） 科学探究： 通过观察现象，提出问题、查阅资料、设计实验、进行实验、表达交流，提升科学探究能力。 （3） 科学思维： 能基于耐药菌形成的事实和证据，用批判性思维探讨、阐释耐药菌的形成原因，论证“抗生素滥用”这一社会热点问题。 （4） 社会责任： 通过观察耐药菌的而形成过程，增强学生基于证据探讨社会问题的意识；能质疑生活中的一些现象，崇尚科学，健康生活。 6、 实验教学内容 在完成教材原实验后，针对原实验中发现的问题，通过查阅资料，动手实践提出改进方案，完善教材原实验。完成教材实验后，学生运用教材实验的方法，通过实践解决与生活相关的问题，并展示成果。 7、 实验教学过程 （1） 完成教材原实验后提出问题：学生们在进行教材原实验时，选择的抗生素是阿莫西林，将滤纸片改为专用的药敏片制备含阿莫西林的药敏片，选择的菌种是大肠杆菌，学生按照教材步骤进行了实验。实验结果如图 1 图 1 学生发现如下问题： （1） 培养12-16小时才有清晰的抑菌圈，完成整个实验需要7-11天，周期长； （2） 抑菌圈边缘模糊，给精确测量带来了困难； （3） 菌液容易涂布不均匀； （4） 涂布平板时容易划破培养基； （5） 滤纸片上吸附有多少抗生素不清楚，只能进行定性分析。 （二）查阅文献提出解决方案 学生们查阅文献，尝试对教材原实验进行改进。在一篇名为《鸡大肠杆菌TTC显色快速药敏试验方法的研究》[footnoteRef:2]中得到启示，在倒平板前在培养基中加入TTC作为指示剂，最快4小时能够观察到实验结果，且操作简单。学生们经过实验摸索，发现培养基中的TTC质量分数为0.013%效果好，且不抑制细菌生长。学生用这样的方法对教材实验进行改进，结果如图 2。学生发现菌液涂布不均匀的现象在加入TTC作为指示剂后非常明显。 [2: 廖诗英、张世卿 《鸡大肠杆菌TTC显色快速药敏试验方法的研究》 江苏农业科学 2009年第5期 ] 图 2 学生继续查阅资料，尝试对实验继续改进。在一篇名为《抑菌试验中抑菌圈法的比较研究》[footnoteRef:3]中得到启示，可以将涂布平板法改为预加菌液倾注平板法，即在倒平板前，培养基不烫手时向培养基中加入菌液，摇匀后倒平板，学生用这样的方法对实验结果进行了改进，12小时结果如图 3；如果将加TTC和预加菌液倾注平板法结合起来，四个小时就可以观察到实验结果且抑菌圈边缘清晰，如图 4（4个小时观察到的结果）。文中提到的牛津杯法和平板打孔法正好可以将教材中的定性实验改为定量实验。 [3: 谭才邓、朱美娟等 《抑菌试验中抑菌圈法的比较研究》 食品工业] 图 3 图 4 学生尝试用牛津杯法和平板打孔法对教材实验进行改进。①牛津杯法：在放置牛津杯的过程中，按压牛津杯时，很难做到牛津杯插入的深度一致，且牛津杯中的药品可能溢出，学生查阅资料后决定采用双层平板牛津杯法，即先向培养皿中倒入不含菌液的培养基，待培养基凝固后，放置牛津杯，再用微量可调移液器加入含TTC和菌液的培养基；等第二层培养基凝固后，向牛津杯中加入稀释的阿莫西林溶液，4小时结果如图 5，12小时结果如图 6。②平板打孔法：培养基不烫手时，向培养基中加入TTC和菌液摇匀后，倒平板，待凝固后，用直径为6mm的打孔器在培养基上打孔，挑出孔内培养基后，向孔内相应位置加入等量的阿莫西林溶液，四小时的结果如图 7。 图 5 图 6 图7 学生比较了这两种方法：牛津杯法，效果好，但放置牛津杯时，牛津杯与平板容易有缝隙，药品容易渗出。要制备双层平板，才能有好的效果，操作略微复杂；平板打孔法：效果好，操作简单，但是用打孔器打孔后挑出孔内培养基时，要特别小心。 学生经过讨论，决定选择平板打孔法。 于是他们提出的改进方法如下： （1） 菌液不稀释； （2） 倒平板前，向培养基中加入TTC； （3） 将涂布菌液法改为预加菌液倾注平板法； （4） 将滤纸片扩散法改为平板打孔法，将定性实验改为定量实验； （5） 用游标卡尺代替直尺测量抑菌圈的直径，减小误差。 （三）改进后的实验 学生按改进后的方法进行了实验，为了使实验现象更明显，学生在第6小时观察并记录实验结果，结果如图 8。 图 8 学生用十字交叉法测量了抑菌圈的直径、做好记录并求出平均值，汇总全班各组数据后求出全班平均值，如表1（表中数据为抑菌圈的直径，单位为mm）所示。为了更直观地观察结果，学生们用WPS把表格中的全班平均值转化为柱状图，如图 9。 表 1 亲代 子一代 子二代 子三代 子四代 子五代 1组平均值 23.64 22.04 21.08 19.55 18.79 16.40 2组平均值 23.58 22.14 20.98 19.41 18.26 16.44 3组平均值 23.44 22.16 20.96 19.17 18.25 17.05 4组平均值 23.53 22.08 20.54 20.15 18.37 17.10 5组平均值 24.16 21.96 21.14 20.16 18.38 17.00 6组平均值 23.23 22.03 21.05 19.87 18.40 16.58 全班平均值 23.59 22.06 20.95 19.71 18.40 16.77 图9 从图中可以看出，随着选择代数的增加，抑菌圈的直径越来越小，细菌的耐药性逐渐增加。 学生24小时后，再去观察，惊奇地发现：从子二代开始，抑菌圈内有菌落的生长，随着选择代数的增多，相同时间内抑菌圈内细菌越多。抑菌圈内的生长的菌落又形成了新的抑菌圈。如图 10（子二代），图 11 （子五代）。 图 10 图11 学生测量新的抑菌圈直径，并求出平均值，如表 2（孔的直径为6mm），转化为柱状图观察，如图12。此时抑菌圈内生长的细菌很可能为耐药菌。 表 2 代数 子二代 子三代 子四代 子五代 新的抑菌圈直径平均值（单位mm） 13.58 12.83 10.08 7.61 图 12 为了进一步验证抑菌圈内细菌的耐药性，学生挑去抑菌圈内的大肠杆菌在液体培养基中扩大培养后，接种在含TTC和阿莫西林的培养基中,阿莫西林在培养基中的浓度为6.25mg/L，而阿莫西林对我们选择的大肠杆菌的最小抑菌浓度为5mg/L，抑菌圈内的大肠杆菌确实为耐药菌。 学生通过实验了解到：连续使用抗生素的过程中，具有耐药性的细菌存活下来，如果长期滥用抗生素将导致“超级细菌”的诞生，未来我们将无药可用，小小的伤口都有可能致命。。 （5） 拓展探究 学生在做实验的过程中，联想到如下问题： （1） 两种抗生素同时使用，抑菌效果会不会加强？ （2） 日常生活中拌凉菜时，加入生姜、大蒜、洋葱等，据说它们都能消毒杀菌，是真的吗？ （3） 常见的抑菌洗手液、抑菌洗衣液、消毒液真的具有抑菌效果吗？ 我将这三个问题转化为三个项目任务，生物兴趣小组选择项目任务，利用课余时间完成。让他们在我的指导下做计划、写出实验方案（列举运用到的器材，需要灭菌的材料，详细的实验步骤）、进行实验、记录结果、得出结论、表达和交流。 （6） 表达和交流（展示项目成果） 项目任务一：两种抗生素同时使用的抑菌效果 学生分享内容：选择市面上常见的四种抗生素：大环内脂类的罗红霉素，氨基糖苷类的庆大霉素，青霉素类的阿莫西林，头孢菌素类的头孢拉定，菌种为大肠杆菌。实验前将四种抗生素分别配制成等浓度的溶液。实验计划如图 13，实验器材如图 14。接种方法采用预加菌液法，实验方法为平板打孔法。培养基不烫手时加入菌液，随后倒平板，待平板冷凝后，按照计划中的示意图打孔并做好标记，单独加一种抗生素时，抗生素液为20ul，加两种抗生素时，各加10ul，共20ul。示意图如图 15（“阿”代表阿莫西林，“头”代表头孢，“阿+头”代表同时加入阿莫西林和头孢）。按计划进行实验后，结果如图 16。 图 13 图14 图 15 图 16 我们记录了实验结果，测量了抑菌圈的直径，如表 3，并将平均值转化为如图 17的柱状图。 表 3（图中数据为抑菌圈直径，单位mm） 单独使用（各20ul） 同时使用（各10ul，共20ul） 阿莫西林 头孢 罗红霉素 庆大霉素 阿+头孢 阿+红 阿+庆 头孢+庆 头孢+红 红+庆 27 24 0 30 24 24 24 21 20 26 图 17 结果：大肠杆菌对阿莫西林、头孢、庆大霉素敏感，对罗红霉素不敏感，这几种抗生素联用，没有单独使用一种抗生素效果好，可能是因为剂量原因。 结论：1）不同的细菌感染需要用不同的抗生素； 2） 不要同时服用两种抗生素，严重感染需要使用两种抗生素时，应遵医嘱。 项目任务二：探究生姜汁、大蒜汁、洋葱汁是否具有抑菌作用 学生分享内容：我们制定的计划如图 18，用到的器材如图 19。接种方法为预加菌液法，实验方法为滤纸片扩散法。将大蒜剥皮，用酒精对大蒜、洋葱、生姜消毒后，用研磨过滤器分别研磨出汁，分别制备含大蒜、生姜、洋葱汁的药敏片。按照写出的实验步骤进行实验：加菌液、倒平板、画垂线、做标记、在相应位置放上相应的药敏片。结果如图 20，只有含大蒜汁的药敏片周围出现抑菌圈，直尺测量抑菌圈的直径，记录结果如表 4 图18 图 19 图 20 表4 只含大蒜汁的培养基 混合培养 平均值 区域 2号 3号 4号 4号 抑菌圈直径（mm） 17 20 19 20 20 实验结论：生姜、大蒜、洋葱这三者中，只有大蒜有抑菌效果，抑菌圈大小不同可能是因为药敏片上吸附的大蒜汁含量不同。 项目任务三：探究抑菌洗衣液、洗手液、消毒液的抑菌作用 学生分享内容：我们选择了市面上常见的抑菌洗衣液、抑菌洗手液、84消毒液、滴露消毒液和大肠杆菌进行实验。我们小组经过商议制定了如图 21的计划，使用的全部器材如图 22。我们采取的接种方法是预加菌液法、实验方法是滤纸片扩散法，我们只做了定性分析。当培养基不烫手时加菌液、倒平板、画垂线、做标记、在相应位置分别放含洗手液、84消毒液、洗手液、滴露消毒液的药敏片，如图 23。37℃恒温培养12小时后，观察并记录结果，如图 24。得出实验结论：我们选择的洗手液抑菌效果差，84消毒液、洗衣液、滴露消毒液有一定的抑菌效果，其中84消毒液的抑菌效果最好。 图 21 图22 图 23 图 24 8、 实验效果评价 （1） 引入项目式教学的理念，通过小组合作探究的方式，提升了学生的实践能力和团队合作能力，极大地提高了学生的科学探究及科学思维能力，提高了学生的兴趣； （2） 学生在遇到问题时，能在老师的引导下，通过查阅资料提出改进方案并实践，如向培养基中加入TTC，预加菌液法，平板打孔法将定性实验改为定量实验，用游标卡尺测量数据、WPS表格处理实验、分析数据，让学生明确了解决具体问题的方法。 （3） 在完成课堂探究后，能进一步提出生活中与之相关的问题，为解决这些问题，查阅资料、设计实验方案、进行实验、合作探究、分析结果、得出结论、表达交流，培养了学生的高阶思维，极大地提高了生物学核心素养，充分发挥了实验课的育人价值。 学科网（北京）股份有限公司 $$