观察草履虫并探究其趋性的实验改进与创新

摘要

观察草履虫的结构和探究其趋性，可帮助学生理解单细胞生物的形态结构和生命活动。草履虫的密度和困扰剂的选择是该实验成功与否的关键。为清晰观察草履虫的外形、运动、摄食和趋利避害实验，可利用收集网提高密度；利用不同黏稠剂，探究限制草履虫运动的最优方法；改用小球藻和酵母菌，观察草履虫取食反应；清水饿饲草履虫，观察趋利反应。通过实验改进与创新，帮助学生形成结构与功能相适应的生命观念，培养学生的探究实践能力。

Graphical abstract

关键词

草履虫 / 观察 / 趋性探究 / 密度

观察草履虫的结构和探究其趋性实验，选自人教版生物学七年级上册“单细胞生物”。观察草履虫的结构和生命活动，可帮助学生理解单细胞生物的形态结构，形成结构与功能相适应的生命观念；探究其趋性，可培养学生的探究实践能力。草履虫与人类关系密切，具有个体较大、易培养、繁殖快等特点，已成为相关教学和科研常用的模式生物。同时，该实验是中学生接触到的第一个动物活体实验，对培养学生热爱生物的兴趣有重要作用。

1 教材实验的不足

（1） 草履虫一般生活在有机质丰富、水流平缓的池塘或水沟中，对于城市的学生而言不易获得。在自然条件下，获取的草履虫密度一般较低，而草履虫的密度直接影响到实验效果。

（2） 草履虫通过纤毛摆动对虫体形成推动，采取螺旋式旋转运动方式，在显微镜视野中观察到其运动速度较快。教材采用棉花纤维阻碍草履虫的运动，但该方法不太好控制棉花纤维的用量，即：若过多，则容易阻挡视野；若过少，则不能有效限制草履虫的运动。

（3） 草履虫的摄食反应不明显。人教版教材对此无相关文字说明；北京版教材是滴加墨汁观察食物泡，不仅看不清实验现象^［1］，而且不利于草履虫的生命活动。

（4） 草履虫避害实验结果容易观察，但趋利实验不易观察。趋利反应是进食，草履虫培养液中含有营养物质，故不易观察到。

（5） 草履虫身体透明，易受外界光线因素的影响，若光线太强，则在显微镜下难以观察外形。

2 实验改进与创新

2.1 富集培养，利用收集网提高密度

在网上购买草履虫培养液和500目的草履虫收集网，对草履虫进行分离纯化。选择草履虫收集网好处：提高草履虫的密度；用草履虫收集网过滤掉培养液，只要用清水反向冲洗收集网，就能获得高密度草履虫清水液^［2］。

2.2 探究限制草履虫运动的最优方法

（1） 擦镜纸纤维阻隔法：先把剪好的1 cm×1 cm的擦镜纸放置在载玻片中央，再将一滴草履虫培养液滴在载玻片中央，盖上盖玻片。

（2） 低温冷藏减速法：将草履虫培养液放置在冷藏室中（温度为3～4 ℃），低温处置4 min，制成临时装片。

（3） 黏稠剂困扰法：将银耳、藕粉、鸡蛋清、白凉粉等黏稠剂与草履虫培养液混合。

2.3 使用小球藻和酵母菌观察取食反应

（1） 使用酵母菌营养液喂食草履虫，可观察到草履虫捕食酵母菌的过程以及被消化的酵母菌碎片形成的食物泡，体现了食物泡的消化功能。

（2） 用绿色小球藻喂食草履虫，草履虫体内各部分结构和捕食过程均清晰可见。

2.4 清水饿饲草履虫，观察趋利反应

用清水饿饲草履虫1 d，更有利于观察趋利现象。采用多种趋向物，如食盐溶液、稻草汁、小球藻溶液、牛肉汁、酵母溶液等进行趋性的探究实验；调整观察器皿，显微镜观察到的物像是倒像，容易给学生带来误解，故可以采用放大镜进行观察。

2.5 运用数码显微镜采集图像或运用手机录像

控制实验室光线进行观察，包括：在培养皿或载玻片下垫一张黑卡纸增加对比度；用0.1%中性红溶液进行活体染色^［3］。采用数码显微镜采集图像或使用手机录像，采用手机放大功能和调节倍速功能，可观察到草履虫外形。

3 实验器材和实验溶液

（1） 实验器材：载玻片、盖玻片、黑卡纸、培养皿、消毒牙签、滴管、显微镜、擦镜纸、手机、500目草履虫收集网、烧杯、锥形瓶等。

（2） 实验溶液：食盐溶液、瘦肉汁、牛奶、稻草汁、酵母菌溶液、小球藻溶液、银耳汁、白凉粉、藕粉、鸡蛋清、中性红染料等。

4 实验过程和结果

4.1 观察外形

（1） 控制实验室光线，将黑卡纸垫在培养皿和载玻片下方；先用放大镜观察游动的小白点草履虫，再用显微镜观察草履虫的外形和内部结构。

（2） 用0.1%中性红溶液对草履虫进行活体染色，使用纱布限制草履虫的运动（图1）；用白凉粉黏稠剂限制草履虫的运动，在显微镜下观察其外部形态和内部结构。

（3） 实验结论。按照从外部形态到内部结构、从宏观到微观、从整体到部分的观察顺序，归纳得出：草履虫具有的基本细胞结构是单细胞生物。

4.2 观察运动

（1） 取样制作临时装片。在培养液的表层取一滴草履虫培养液，将其滴在载玻片中央。

（2） 观察草履虫正常的运动方式。利用显微镜观察草履虫的运动方式，仔细观察纤毛的分布位置和摆动方向，体会纤毛在运动中所起的作用。

（3） 探究限制草履虫运动的最优方法。教师提供多种限制草履虫运动的黏稠剂，学生据此开展实验探究，如采用多种方法限制草履虫的运动，观察并如实记录草履虫运动状态和清晰程度等。具体方法如下。

①擦镜纸纤维阻拦法：将擦镜纸剪成1 cm×1 cm的小方块，将其置于载玻片中央，再将一滴草履虫培养液滴在中央；利用放大镜观察草履虫的避让反应，即在显微镜下寻找运动缓慢的草履虫，仔细观察当草履虫遇到障碍后的形态变化和运动轨迹，如图2所示。

②黏稠剂困扰法：用白凉粉、银耳汤、藕粉、鸡蛋清、擦镜纸+蛋清液等材料制备5种不同类型的黏稠剂，分别和草履虫培养液混合^［4］；静置5 min后，分别取一滴草履虫培养液制作临时装片，用显微镜观察并记录不同困扰方式下草履虫的运动状态和清晰程度，如图3、图4所示。

③低温冷藏法：将草履虫培养液放置在冷藏室中（温度3～4 ℃），低温处置4 min，制成临时装片，观察并记录。

（4） 观察和分析总结。学生观察并记录在不同限制方法下草履虫的运动状态和清晰程度，列表总结各种方法的优劣，对比分析得出：白凉粉限制草履虫的运动效果最佳（表1）。原因是：白凉粉方便获得，经济实惠，限制效果较好；在该方式下，即使草履虫被稍微限制了，仍可活动，便于观察。

4.3 摄食观察

（1） 用酵母菌营养液喂食草履虫。将白凉粉制作的黏稠剂与草履虫培养液混合，再将混合液与酵母菌营养液混合，静置5 min；取一滴培养液制成临时装片，放在10倍物镜下观察草履虫摄食酵母菌的过程，如图5所示。

（2） 用绿色小球藻喂食草履虫。将草履虫培养液与绿色小球藻营养液混合，静置5 min；取一滴培养液制成临时装片，放在10倍物镜下观察草履虫摄食小球藻的过程，可以清晰地看到在草履虫体内形成了绿色的食物泡。如图6所示。

（3） 制备草履虫清水液替代草履虫培养液，将草履虫饿饲1 d左右，按照科学探究的环节展开趋利避害的实验探究。在载玻片左右两侧各滴一滴草履虫清水液，再在草履虫清水液的右侧依次滴加稻草汁、瘦肉汁、酵母菌培养液、小球藻溶液、食盐溶液；用牙签连通草履虫清水液、肉汁和盐水等，再用放大镜观察草履虫的趋向；观察草履虫是否有趋向运动，并记录运动的方向性、在不同的刺激物中草履虫从一侧趋向另一侧所需的时间（表2）。

（4） 实验结论。实验结果表明：草履虫对稻草汁、瘦肉汁、酵母菌溶液、小球藻都有正趋向性，且在滴加酵母菌溶液和小球藻溶液时，草履虫从载玻片一侧到另一侧所用的时间相对较短，这反映出草履虫比较偏好这两种溶液；草履虫对于食盐溶液有负趋向性，且草履虫负趋向的时间记录最短，这也反映了草履虫能对外界刺激作出反应，能迅速躲避有害刺激，趋向有利刺激。

5 实验总结

5.1 创新点

该实验创新点：利用草履虫过滤网和培养液提高草履虫的密度；以垫黑卡纸增加对比度；以中性红染液对草履虫进行活体染色；以黏稠剂和擦镜纸限制草履虫运动；利用绿色小球藻和酵母菌溶液观察草履虫的摄食反应，又利用清水饿饲草履虫，增强趋利性实验效果；利用数码显微镜采集图像或使用手机录像、拍照，更有利于观察草履虫外形。

5.2 不足

在观察草履虫外形实验时，中性红染色若时间太长，则草履虫会裂解死亡；在探究草履虫趋性时，清水饿饲的过程会有部分草履虫死亡；在探究限制草履虫运动的最优办法时，随着时间的延长，草履虫已逐渐适应黏稠剂，从而变得十分活跃。

参考文献

[1] 刘怡，杨青青.“草履虫趋性”实验的改进与拓展［J］.生物学教学，2016，41（06）：57-58.

[2] 陈坤.关于草履虫两个实验的创新设计［J］.实验教学与仪器，2020，37（07/08）：73-75.

[3] 曾海波，周善义，杨华，等.观察活体草履虫的基本方法与技巧［J］.中国校外教育，2010（S2）：64，77.

[4] 陈坤.“单细胞生物”实验的创新设计与改进［J］.中学生物教学，2020（13）：48-50.