高二生物大单元整体学程选择性必修三发酵工程

高二生物大单元整体学习学程第十六单元发酵工程高效科研小组：学科主任：包科领导：年级主任：班级：__________小组：__________姓名：__________2023年8月第十六单元发酵工程——利用微生物培养技术规模化生产发酵产品一、单元概述人类利用发酵技术的历史悠久。进入近代社会，传统发酵技术发展为现代发酵工程，并在现代社会生活中发挥着不可或缺的作用。本单元包括传统发酵技术的应用、微生物的培养技术及应用和发酵工程及其应用三部分内容，循着由传统到现代，由日常生活经验到科学、技术、工程应用的线索来展开，逐步深入。通过本单元学习，关注传统发酵技术中蕴含的中国传统文化以及发酵工程如何为美好生活添彩；通过亲手制作传统发酵食品、模拟酵母菌的纯培养过程等实践活动，感悟手工经验方法与工程技术方法的不同；并能应用发酵原理和发酵技术解决实践中的问题，关注生物技术应用可能带来的安全性和伦理问题。二、单元要素（一）单元内容标准概念3发酵工程利用微生物的特定功能规模化生产对人类有用的产品3.1获得纯净的微生物培养物是发酵工程的基础3.1.1阐明在发酵工程中灭菌是获得纯净的微生物培养物的前提3.1.2阐明无菌技术是在操作过程中，保持无菌物品与无菌区域不被微生物污染的技术3.1.3举例说明通过调整培养基的配方可有目的地培养某种微生物3.1.4概述平板划线法和稀释涂布平板法是实验室中进行微生物分离和纯化的常用方法3.1.5概述稀释涂布平板法和显微镜计数法是测定微生物数量的常用方法3.2发酵工程为人类提供多样的生物产品3.2.1举例说明日常生活中的某些食品是运用传统发酵技术生产的3.2.2阐明发酵工程利用现代工程技术及微生物的特定功能、工业化生产人类所需产品3.2.3举例说明发酵工程在医药、食品及其他工农业生产上有重要的应用价值（二）单元学习任务1.相关概念建构——发酵、传统发酵技术、发酵工程、无菌技术、微生物培养2.相关研究方法——归纳总结传统发酵技术与发酵工程的联系和区别，传统发酵食品的制作、酵母菌的纯培养、特定微生物的分离与计数等实验操作3.微生物培养技术在发酵工程中的应用4.知行合一，辨证分析技术与工程的关系，理性分析发酵工程产业存在的问题和发展趋势（三）单元学习目标1.研读教材，用自己的话说出对发酵、传统发酵技术、发酵工程等概念的理解，动手制作一种传统发酵食品并撰写实验报告，选择最喜欢的一种发酵工程产品分析其对人类生活的影响。2.动手模拟酵母菌的纯培养过程并总结实验中的注意事项，用自己的话描述实验室筛选特定微生物的原理，设计适合的培养基和实验方法对土壤中的尿素分解菌进行分离和计数。3.建构发酵工程各环节操作规范，自主设计并优化青霉素的工业化生产方案，结合实例说出发酵工程的优势和特点。4.从发酵工程的原理与应用、理论与实践、技术与工程等多个维度构建单元思维导图，以发酵生产燃料乙醇为例，理性分析发酵工程的利与弊，为生产时规避风险提出合理化建议。（四）单元学习计划学习阶段主要学习任务学时安排整体感知说出对发酵、传统发酵技术、发酵工程等概念的理解；动手制作至少一种传统发酵食品，撰写实验报告；列举发酵工程的实例，分析对人类生活产生的影响。2探究建构说出培养基配制、消毒、灭菌的基本原理，动手模拟酵母菌的纯培养过程；设计适合的培养基和方法对尿素分解菌进行分离和计数。2应用迁移根据发酵工程的基本环节和操作规范，自主设计青霉素的工业化生产方案；探究发酵工程在食品工业、农牧业等领域的应用价值，对比传统技术生产的产品，说出发酵工程产品的优点。1重构拓展通过重构本单元知识体系，根据所学理性分析发酵工程可能存在的安全性和伦理性问题，提升应用微生物培养技术和原理解决生产生活中实际问题的能力。2（五）单元学习资源学习阶段资源类别（课件微课素材资源包、习题、教案）资源分层（ABCT)整体感知学习活动1：发酵工程发展历程的视频资源学习活动2：酸奶、泡菜、果酒、果醋、腐乳制作的视频资源；学习活动3：发酵工程在食品工业、医药工业上的应用视频资源TTT探究建构学习活动4：培养基配制、倒平板、平板划线过程的视频资源学习活动5：稀释涂布平板法操作过程、土壤中分解尿素的细菌的分离与计数视频资源、分离土壤中纤维素分解菌的视频资源TT应用迁移学习活动6：发酵工程的基本流程视频资源学习活动7：微生物农药、微生物肥料、微生物饲料介绍的视频资源TT重构拓展单元拓展：发酵工程在能源开发利用方面的应用拓展资料T（六）单元学习目标追求三、单元内容（一）整体感知发酵工程——初步感知传统发酵技术和发酵工程发酵工程发展历程早在9000年前，我们的祖先就会利用微生物将谷物、水果等发酵为含酒精的饮料。后来，人们又利用传统发酵技术制作了酱油、醋、豆豉、腐乳、酸奶、泡菜等产品，促进了中华民族特有的饮食文化的形成。随着生物科技和工业技术的发展，利用微生物生产的酒精、淀粉酶等新产品不断出现，现代发酵工程的兴起实现了发酵产品的规模化、工业化生产。20世纪70年代后，基因工程、细胞工程的发展，使发酵工程进入了定向育种的新阶段……而未来，发酵工程仍将继续发展。那么，什么是发酵？果酒、泡菜等传统发酵食品是如何制作的？发酵工程用到的技术与传统发酵技术有什么不同？发酵工程在社会和经济中有哪些应用？【学习目标】1.研读文本，用自己的话描述对发酵、传统发酵技术、发酵工程等概念的理解，说出后两者的区别与联系。2.借助文本和视频资源，动手制作至少一种传统发酵食品，撰写实验报告。3.列举身边常见的发酵工程产品，选择最喜欢的一种产品分析其对人类生活产生的影响。学习活动1：感知传统发酵技术与发酵工程酱油、醋、腐乳、酸奶、酒等的制作可以通过传统发酵技术或发酵工程来生产，什么是发酵？传统发酵技术与发酵工程有什么联系和区别？学习活动2：自主实践，感知传统发酵食品制作流程有些同学可能在家中看到过家长制作泡菜、果酒、腐乳、酸奶等的过程，这些发酵产品非常美味。它们的制作隐含着哪些奥秘，让我们亲自体验去寻找吧。请借助教材和271BAY资源，并自主搜集材料，自选至少一种发酵产品进行制作并撰写实验报告。课题名称材料原理实验装置及步骤实验注意事项学习活动3：分享发酵工程的应用实例为了缩短发酵时间，确保品质稳定，人们利用发酵工程进行工业大规模生产。请列举发酵工程生产的产品有哪些？发酵工程对人类生活产生了哪些影响？（二）探究建构发酵工程——探究微生物纯培养技术的原理果酒的自制与工业化生产“莫笑农家腊酒浑，丰年留客足鸡豚”，由于制作工艺并不复杂，果酒自古以来就是农家日常饮用的酒品。自制果酒虽然方便，但由于菌种差异、杂菌情况不明以及发酵过程的控制缺乏标准等，自制果酒往往存在品质不一甚至变酸、霉变等问题，而且家庭酿的制发酵食品往往只能满足自身的需求。相比自制果酒，工厂生产果酒时，菌群纯净、生产过程严格，从而保证了果酒的品质和安全性，并且实现了果酒在短时间内的规模化生产。那么发酵工程中如何从多种微生物中分离获得目的菌株？如何获得纯净的菌群？微生物培养过程中又是如何防止杂菌污染的呢？【学习目标】1.用自己的话说出培养基配制、消毒和灭菌的方法，动手模拟酵母菌的纯培养过程，归纳实验中至少3条注意事项。2.选择合适的培养基配方和实验方法，初步筛选并统计土壤中的尿素分解菌，说出不同计数方法的原理和区别。3.自主分析刚果红在分离纤维素分解菌实验中的作用，依据该原理，为进一步鉴定高活性的尿素分解菌提出实验思路。学习活动4：动手模拟酵母菌的纯培养从果酒的生产可以看出，防止杂菌污染，获得纯净的微生物培养物是研究和应用微生物的前提，也是发酵工程的重要基础。下面我们通过实验室酵母菌的纯培养来探究其中的原理。1.酵母菌纯培养的培养基中应该含有哪些成分？为什么要加入这些成分？配置培养基时除了基本成分，还应考虑哪些原则？2.请写出实验室进行酵母菌纯培养的实验步骤。在酵母菌纯培养的整个过程中是如何防止杂菌污染的？3.小组合作动手模拟倒平板和平板划线的操作，总结平板划线的注意事项并分析原因。学习活动5：探究土壤中尿素分解菌的分离和计数尿素是现代农业生产中一种重要的氮肥，土壤中的某些细菌能够通过合成脲酶分解尿素进而供植物吸收利用。土壤中微生物数量繁多、种类庞杂，如何将能分解尿素的细菌从土壤中分离出来呢？1.依据实验室筛选特定微生物的原理和尿素分解菌的代谢特点，设计选择培养基的配方，分析该培养基与普通培养基有哪些异同点。2.土壤中细菌的数量庞大，要想得到尿素分解菌的纯培养物应该如何操作？3.可以用什么方法测定每克土壤中尿素分解菌的数目？这两种方法的统计结果有什么区别？用稀释涂布平板法计数时如何保证结果更加准确？4.在该选择培养基上生长的菌落一定是尿素分解菌吗？如何对目的菌及其活性进行鉴定？（提示：①如何证明培养基未被杂菌污染？②如何证明选择培养基起到了筛选作用？③自养细菌通过固定CO2获得碳源）（三）应用迁移发酵工程——探究发酵工程基本环节及其应用发酵工程的应用青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素。早期科学家只能从青霉菌中提取少量青霉素，随着高产菌种的选育、发酵技术的发展等，青霉素步入了产业化生产的道路。除了医药工业，发酵工程在食品工业和农牧业等许多领域也得到了广泛应用，形成了规模庞大的发酵工业。发酵工程的基本环节是什么？应用发酵工程能够生产哪些产品？发酵工程有什么优点？【学习目标】1.用自己的话说出发酵工程的基本流程，分析影响发酵生产的因素，建构发酵工程各环节中的操作规范。2.自主设计青霉素的工业化生产方案，结合所学并发挥想象力，为青霉素生产过程中如何实现持续供氧、减少副产物产生等问题提出解决思路。3.对比传统技术生产的产品，结合啤酒、农药、肥料等实例，总结发酵工程至少3条优点。学习活动6：探究发酵工程的基本流程随着人们对发酵原理的认识，微生物纯培养技术的建立以及密闭式发酵罐的设计成功，人们能够在严格控制的环境条件下大规模生产发酵产品，发酵工程逐步形成。现代发酵工程以研究微生物的生命活动为核心，利用各种微生物的特性来设计和指导工业发酵生产。发酵工程产品门类众多，生产工艺各有不同。1.一般来说，发酵工程包括哪些基本环节？各环节中哪些因素会对产品质量产生影响？2.在工业上，青霉素究竟是怎样生产的呢？请自主设计青霉素的工业化生产方案。3.在青霉素的发酵生产过程中，人们遇到了两个问题。请你运用所学知识或查阅资料并发挥想象力，提出解决这些问题的思路。①青霉素发酵是高耗氧过程，如何能够保证在发酵过程中给微生物持续高效地供氧呢？（提示：血红蛋白具有携带O2的能力）②在发酵过程中，总有头孢霉素产生。人们通过对青霉素生产菌代谢途径的研究发现，在青霉素与头孢霉素的合成过程中，它们有一个共同的前体，这个前体经过两种不同酶的作用，分别合成两个产物，如何改造青霉素生产菌使其只生产青霉素或者只生产头孢霉素呢？学习活动7：探究发酵工程的应用资料1发酵工程在食品工业上应用广泛，一是生产传统的发酵产品，二是生产各种各样的食品添加剂。发酵工程生产的啤酒、果酒、食醋等，能够显著提高了产品的产量和质量。资料2微生物农药是利用微生物或其代谢物来防治病虫害的农药。细菌农药、真菌农药和病毒农药是三种重要的活体微生物农药。某些微生物的代谢产物可以用作促进植株生长的肥料。微生物饲料包括青贮饲料、单细胞蛋白饲料、饲料酶制剂等。目前，微生物饲料在我国已得到了广泛应用。资料3传统冶金企业为保证产量造成了严重的资源浪费和环境污染。将发酵工程引入工业领域可改良生产工艺，如微生物湿法治金技术，就是利用微生物产生的代谢产物将矿石中的金属溶解并还原出来。资料4发酵工程在对环境的生物修复、废弃物处置和资源化等方面发挥着重要作用。例如利用微生物处理垃圾中的固体废物生产土壤改良剂；中国科学家运用嗜盐单胞菌H，以糖蜜（甘蔗榨糖后的废弃液，含较多蔗糖）为原料发酵生产了PHA等新型高附加值可降解材料。如今，随着现代生物技术的发展与基因工程技术相结合的现代发酵工程技术飞速发展，相信在不久的将来，发酵工程技术将为人类提供更多的产品。1.分析啤酒的工业化生产流程思考：与传统的手工发酵相比，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高？2.三种活体微生物农药在配制培养基时有什么区别？请运用所学知识推测微生物农药和饲料与传统产品相比有哪些优点？3.结合资料3、资料4以及课本材料，举例说出发酵工程还有哪些优点？（四）重构拓展发酵工程——构建发酵工程单元体系利用植物纤维生产燃料乙醇能源是人类生存和发展的重要物质基础。煤、石油和天然气等不可再生的化石能源在满足人类需求的同时，也带来了很多污染问题。开发利用可再生清洁能源已成为不少国家能源发展战略的重要组成部分。发酵工程在燃料乙醇等新能源开发方面有重要的应用价值。通过微生物发酵，可以将粮食(如玉米、小麦等)及各种植物纤维加工成燃料乙醇；将燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配，就形成了目前在我国多地广泛使用的乙醇汽油。乙醇汽油的环保性令人称道。【学习目标】1.从发酵工程的原理、操作规范、应用等方面复盘本单元，构建单元思维导图。2.查阅资料了解燃料乙醇的生产途径，分析乙醇作为燃料的利与弊，为生产时规避风险提出合