Origin软件在“微生物学”实验教学中的应用

［摘 要］ 针对高校本科“微生物学”实验教学中遇到的数据处理问题，以细菌生长曲线测定的实验为例，使用Origin 2022软件进行数据导入、数据计算、图形绘制及插入误差棒等操作，完成细菌生长曲线的绘制。结果表明，利用Origin软件可以快速对实验数据进行批量处理，操作简捷并可避免人工计算的误差，对实验得到的非线性数据通过软件可以拟合出美观的图形，将实验结果可视化。在教学中通过引入Origin软件，可以在讲授具体微生物知识的同时，让本科生掌握一款专业的数据分析处理软件，有助于培养本科生的数据处理能力，提高综合科研素养，为后续实验课程和科研工作的数据处理工作打好基础。

［关键词］ 微生物学实验；Origin；数据处理；生长曲线；实验教学改革

［基金项目］ 2023年度暨南大学“四新”实验教学课程改革项目“基于创新型人才培养的微生物学实验课程优化与设计”（SYJG202310）；2023年度暨南大学教学改革研究项目“‘思政教育’融入大学生专业实习教学的体系构建与路径探索”（JG2023059）；2023年度暨南大学教学改革研究项目“多维度创新教学模式在微观生态实践教学中的探索与实践”（JG2023065）

［作者简介］ 郭 佳（1985—），女，安徽马鞍山人，硕士，暨南大学生命科学技术学院实验师，主要从事微生物实验、实验室安全管理研究；唐雅丽（1983—），女，湖北荆州人，博士，暨南大学生命科学技术学院副研究员，主要从事微生物生态学研究；雷腊梅（1973—），女，湖北赤壁人，博士，暨南大学生命科学技术学院副研究员（通信作者），主要从事藻类环境生物学研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）11-0021-04 ［收稿日期］ 2023-01-08

“微生物学”是高等院校生命科学及相关交叉学科中一门重要的基础课，是生物技术的理论和技术基础，具有很强的理论性和实践性［1］。“微生物学”实验课与理论课紧密结合，通过实验培养学生观察和动手能力、分析处理实验数据的能力，让学生在实践操作中巩固加深对相关理论知识的理解，是微生物学教学不可或缺的重要组成部分［2］。

作为专业基础课，“微生物学”实验课程通常在大学低年级开设，在以往的教学中发现，低年级本科生的数据处理能力薄弱，缺乏使用专业数据分析软件对复杂数据进行分析的能力，而传统的“微生物学”实验教学以实验现象观察为主，对数据处理内容涉及很少。在大数据的时代背景下，数据处理能力是创新人才培养的重要内容。因此，在“微生物学”实验教学中应增加数据处理知识的内容，以培养本科生应用计算机数据处理软件分析处理数据的能力。

一、实验教学内容及教学目标

细菌生长曲线的测定是本科微生物实验中的基础实验。其原理是细菌能够在适宜的环境中生长繁殖，将一定量的细菌转入新鲜培养液中，在适宜的培养条件下，细菌会经历延迟期、对数期、稳定期和衰亡期四个阶段。以时间为横坐标，以细菌数目的对数或生长速率为纵坐标可绘制出该细菌的生长曲线［3］。不同的细菌在相同的培养条件下生长曲线不同，通过绘制生长曲线可以了解不同细菌的生长繁殖规律，从而有效地利用和控制细菌的生长。

本实验项目传统的教学内容包括菌悬液的配制、取样间隔的设计及规范取样、菌悬液吸光度值的测定、用坐标纸或Excel软件绘制生长曲线、对不同细菌的生长曲线进行比较与分析。本文结合新形势下创新人才培养的要求，从“微生物学”实验课程多年的教学经验出发，在实验项目“细菌生长曲线测定”中增加Origin软件教学环节：细菌生长曲线测定中须多次取样，且每两次取样时间间隔1小时，利用等待取样的碎片时间开展Origin软件教学，介绍数据导入、数据处理、曲线绘制及插入误差棒等操作过程并将实验结果可视化。

教学目标：（1）绘制两种不同细菌的生长曲线，引导学生观察不同细菌生长曲线的区别；（2）引导学生学习使用一款专业的数据分析处理软件，培养本科生的数据处理能力和综合科研素养，培养独立开展研究的能力。

二、实验方案及实验软件

本实验使用的菌种为大肠杆菌和枯草芽孢杆菌。在盛有200毫升LB液体培养基的锥形瓶里转入8毫升细菌过夜培养液，混合均匀后按5毫升/支分装到39支试管中。将已接种的试管设置为摇床37℃，250 r/min振荡培养12小时。从开始培养起，每小时取3支平行样品做好标记放进冰箱中储存，最后一起以未接种的LB液体培养基为空白对照，用分光光度计测量600 nm处的吸光度值，用Origin 2022软件处理所测得的吸光度值，并绘制细菌的生长曲线。

在实验教学中所用的数据处理软件Origin 2022，是由OriginLab公司开发的专业科研软件，本科生可通过官网免费申请Origin学习版。课前，教师提前提供软件的下载注册指南并要求学生在上课前完成软件的安装与注册。Origin软件支持多种格式的数据导入（如Excel、ASCII、NI TDM等），可实现数据统计、信号处理、图像处理、峰值分析和曲线拟合等各种数据处理分析功能，利用内置模板可方便地绘制各种2D/3D图片实现数据可视化［4-5］。目前Origin软件作为国际主流的专业数据分析与绘图软件，因其简单易学、操作灵活、功能强大等特点，广泛应用于高校理、工、农、医等学科的教学科研活动。针对生命科学相关专业本科生在科研实践中对数据处理与数据可视化方面的实际需求，通过本实验项目的学习，初步掌握Origin软件从数据导入、数据处理到图形绘制及优化全过程，为其在后续实验课程和大学生科研创新训练工作的数据处理工作奠定基础。

三、使用Origin软件绘制细菌生长曲线的教学过程

（一）数据输入

启动Origin 2022软件，依次单击菜单“File”

“New”“Workbook”“Construct”，新建表单Book 1，将，.xlsx格式的大肠杆菌培养液吸光度数据文件拖入Origin软件首行导入数据，以相同的方式新建表单Book 2并导入枯草芽孢杆菌培养液的吸光度数据，如图1所示。其中A（X）列为时间，B（Y）、C（Y）、D（Y）列为该时间三个平行样品的吸光度值。从课堂教学效果来看，Origin软件的数据导入过程简单易上手，本科生均能快速完成此步骤，为后续环节做好准备。

（二）数据处理

在不同培养时间的大肠杆菌培养液和枯草芽孢杆菌培养液均取三支试管作为平行，分别测定其吸光度值。因此，须对原始数据进行处理以获得平行样品间的平均值和标准差。具体过程为：在Book 1中选中B（Y）、C（Y）、D（Y）列后点击右键并点击“Statistics on Rows”，新得到的E（Y）、F（yEr±）两列数据分别为同一取样时间三支大肠杆菌培养液吸光度的平均值与标准差数据，以相同方式计算Book 2中枯草芽孢杆菌培养液数据。新建表单Book 3，将计算得到的不同培养时间下两种细菌培养液的吸光度平均值与标准差复制到Book 3，并选择标准差数据，依次点击“Set As”“Y Error”将数据属性改为标准差，如图2所示。

在教学过程中，可以让本科生感受到Origin软件提供了更高效、更强大的数据处理功能，计算过程更加简单快捷——仅须调用Statistics on Rows即可一次性得到均值与标准差两个结果，对于批量化处理数据效率更高，从而激发本科生探索高效处理实验数据的兴趣。

（三）生长曲线的绘制及优化

在Book 3中选中所有列，依次单击菜单“Plot”“Basic 2D”“Line”“Symbol”，得到细菌的生长曲线。对所得的图形进一步优化：双击图中任意一条曲线，在弹出的Plot Properties中设置图形参数。点击“Group”，将编辑模式选择为“Independent”，此时各曲线的参数可以独立设定。点击“Line”将两种细菌的生长曲线样式均设置为黑色实线，点击“Symbol”分别将大肠杆菌和枯草芽孢杆菌生长曲线中各时间点培养液吸光值的符号设为正方形和圆形，以区分两条不同的曲线。双击任意坐标轴，在弹出的对话窗口选择“Scale”，根据本实验的取样时间和所测的吸光度值调整坐标轴范围。完成优化后的图形如图3所示。

通过课堂环节，本科生可以体会到Origin软件对比Excel软件在作图上的显著优势：它提供的图形参数更多，可以更加个性化选择图中坐标轴、图例、线条、点及文字的参数，另外用Origin软件得到的非线性数据拟合图形更加精美。

（四）导出图片

依次单击菜单“File”“Export graph”，Origin软件可以提供PNG、JPEG、BMP、TIFF等多种图像存储格式，本实验选择JPEG格式。分辨率DPI选择300，输入文件名选择存储位置后点击“OK”完成图片的导出。

通过教学，本科生可以比较通过不同软件作图后应用于其他软件的方便程度：用Origin软件制作的图可以导出为多种格式图形文件（如JPEG、GIF、TIFF等），以便在其他软件中插入使用，如本次实验得到的细菌生长曲线图可以直接导出并插入到实验报告Word文档中，而Excel制作的图不能直接导出用于其他软件，从图片输出的角度看，Origin软件更方便。

四、教学效果评估

在实际教学过程中，利用等待取样的碎片时间通过教学所有本科生均可掌握以上Origin操作过程，一般在5～10分钟内可以完成不同培养时间吸光度原始数据的处理及两种细菌生长曲线的绘制与导出。本科生根据导出的图片进一步探索细菌的延迟期、对数期、稳定期和衰亡期，并通过生长曲线比较两种细菌生长繁殖状态的异同。

通过软件教学与实操，本科生可以切身体会Origin软件作为专业科研软件，具有强大的数据分析和图形处理能力，能极大地提高科研工作效率。通过Origin软件处理数据和作图的过程，也激发了本科生在课堂中的参与度，增强了对本次实验内容的理解和掌握。本次实验结束后，大部分学生表示有意愿在课后进一步学习使用Origin软件，并进一步开阔视野接触和学习使用更多的专业科研工具。

结语

本文针对生命科学类低年级本科生在实验数据处理中遇到的问题，在“微生物学实验”课程“细菌生长曲线的测定”实验项目中设计Origin软件教学环节，利用实验过程中等待取样的碎片时间，演示实验数据处理及图形绘制过程。实践结果表明，Origin软件简单易学，处理数据方便快捷且可以避免人工计算的误差。Origin软件制作的图片精美且能以多种格式导出方便使用，将实验数据可视化直观地呈现实验结果，方便观察及分析两种细菌的生长趋势，有利于激发本科生的求知欲和学习兴趣，提高微生物学实验的教学质量和本科生的学习效果。

对于高校生命科学相关专业的本科生而言，数据处理能力非常重要，将具体微生物学实验内容与计算机软件的教学相结合，这一教学方式符合新形势下教育改革的要求，有助于培养本科生的数据处理能力、树立其认真严谨的实验态度，从而提高本科生的综合科研素养，为其后续综合性、设计性实验课程和科研工作奠定基础，同时对于微生物学实验教学改革和教学质量提升提供了有益的探索。

参考文献

［1］刘玉玲，彭仁海.应用型人才培养背景下“微生物学”的教学实践与探索［J］.黑龙江教育（理论与实践），2022（10）：58-60．

［2］刘倩，魏涛.POPBL模式微生物学实验课程教学改革探索［J］.生物学杂志，2022，39（3）：120-124．

［3］沈萍，陈向东.微生物学实验［M］.5版.北京：高等教育出版社，2018：108-111.