“发酵工程”复习课的主线式情境教学设计

“发酵工程”复习课的主线式情境教学设计１.教学内容分析及设计思路在《普通高中生物学课程标准（２０１9年版）》中，有关“发酵工程”的重要概念在选择性必修模块３的大概念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”中。它是重要概念“３.１获得纯净的微生物是发酵工程的基础”和“３.２发酵工程为人类提供多样化的生物产品”的整合。通过新课，学生已经学习了“菌种的纯化和分离”“果酒、果醋和泡菜的制作以及亚硝酸盐含量的测定”等相关实验内容，但是实验中很多概念在学生脑中是呈碎片化存在的，相关概念之间没有形成逻辑关系，不能构成体系。而“发酵工程”相关内容往往又是选考中灵活度较大、学生较难拿分的内容。如何把相关概念进行有机整合，形成知识体系，引导学生学会知识迁移、灵活运用，是高三复习课首要考虑的问题。笔者在教学过程中，依托“酿酒那些事”为背景，以“两种不同的酒曲为何会酿出风味不同的酒”为主线情境，根据“重要概念”设计小情境，以“次位概念”设计任务情境，以学习活动来解决情境问题，最终帮助学生构建“大概念”（图１），进而发展学生的生物学核心素养。２.教学目标基于课程标准的内容要求、学业要求和学业质量标准，围绕培养学生核心素养的要求，制订了如下教学目标：（１）通过无菌操作、配置适宜的培养基以分离纯化酵母菌，形成生物与环境相适应的观念。（２）根据主线情境提出问题、设计实验、分析和解决问题，培养科学探究能力；借助资料、问题串、曲线分析、模型解析，培养对比与分析、迁移和归纳等思维能力。（３）通过光电比色法、细胞固定化等现代工程技术在传统酿酒过程中的应用，认同传统发酵工程的发展离不开科技的进步，培养社会责任感。３.教学过程３.１创设主情境，引入复习课教师提供兴趣小组学生酿制黄酒和甜酒的照片，并让小组代表介绍酿酒的过程以及在酿酒过程中遇到的问题，引入复习课：根据兴趣小组同学描述的酿酒过程，你还想知道哪些关于酿酒的事？学生思考讨论提出相关问题：①“甜酒曲”和“红曲米”里面究竟有哪些菌种？②酒曲的不同颜色是由菌种引起的吗？③为什么同样的糯米用不同的酒曲可以酿出风味不同的酒？设计意图：通过兴趣小组学生酿酒的图片以及对酿酒过程的描述，调动其他学生学习的兴趣，借助甜酒酿和红曲酒成品图给学生以直观感受：同样的糯米，在不同酒曲的作用下可以酿出风味不同的酒，从而引出本节课的探究主题。３.２围绕主情境设置小情境，构建大概念围绕主情境，分别创设酵母菌的分离、选优及酵母细胞固定化三个小情境，通过一系列连贯的问题层层深入，帮助学生厘清次位概念，构建大概念。３.２.１酵母菌种的分离通过资料创设小情境１：酿酒加曲，是因为酒曲上生长有大量的微生物（主要为曲霉、根霉、酵母菌和细菌），还有微生物所分泌的酶（淀粉酶、糖化酶和蛋白酶等），它们可以将谷物中的淀粉、蛋白质等转变成糖、氨基酸。糖分在酵母菌的作用下，分解成酒精。酵母菌种类繁多，它们属于不同的科、属，具有不同的形态特征和生化特性。教师设计相关问题串并引导：①根据资料显示，酒曲是霉菌、酵母菌等微生物及谷物培养基的混合物；不同的酵母菌有不同的特性。那么，“甜酒曲”和“红曲米”这两种酒曲中的酵母菌是否相同？②想要知道这两种酒曲中的酵母菌是否相同，你会开展哪些工作？学生思考，提出研究方案。教师给予评价后继续设问：③分离酵母菌的方法有哪些？分离过程中要用到哪些工具和材料？你是如何操作的？④请以涂布分离为例，按操作的先后顺序写出分离酵母菌的基本流程图。学生独立完成流程图，教师请学生代表上台展示，其他学生纠正、补充和完善，最后教师总结并呈现完整流程图（图２）。⑤分离酵母菌的培养基有何特点？哪些培养基适合用来分离酵母菌？引导学生完成学案相关试题：以下培养基中，哪些适合用来分离酵母菌（）Ａ．豆芽汁培养基：黄豆芽１００ｇ，葡萄糖５０ｇ，琼脂２０ｇ，水１Ｌ；Ｂ．牛肉膏蛋白胨培养基：牛肉膏５ｇ，蛋白胨１０ｇ，ＮａＣｌ５ｇ，琼脂２０ｇ，水１Ｌ；Ｃ．ＬＢ培养基：蛋白胨１０ｇ，酵母提取物５ｇ，ＮａＣｌ１０ｇ，琼脂２０ｇ，水１Ｌ；Ｄ．ＭＳ培养基：大量元素，微量元素，有机成分等。⑥可以从哪些方面对分离得到的酵母菌进行鉴别？设计意图：借助无菌操作，选择特定的培养基是分离纯化酵母菌的前提。本环节主要通过教师设计的问题串引导学生完成任务情境，通过学生上台展示用涂布分离法分离酵母菌的基本流程图，使其思维外化，教师及时发现学生知识层面上的问题并给予指导，以帮助学生构建“获得纯净的微生物是发酵工程的基础”这一重要概念。通过其他学生质疑、纠正、补充完善流程图，培养学生严谨的科学态度和质疑、合作的科学精神。３.２.２优良酵母菌种的筛选通过设问创设小情境２：①经分离得到两株酵母菌，若用于酒精发酵生产，它应该具备哪些优良特性？学生思考、讨论，教师汇总：优良的酵母菌种往往需要具备较强的繁殖能力、较强的产酒能力和较强的耐酒精能力等。②如果要比较这两株酵母菌产酒能力的大小，该如何进一步实验？请提出方案。学生思考讨论，教师继续设问引导：③如何表示酵母菌的产酒能力大小？酒精含量的多少可以通过什么办法定量检测？引出用光电比色法测定酒精含量以比较不同酵母菌种的产酒能力。教师呈现酒精在酸性条件下与重铬酸钾反应生成的灰绿色物质在不同波长下的吸收光谱，引导学生完成学案：结合曲线图３，回答下列问题：（１）图３表示酒精在酸性条件下与重铬酸钾反应形成的灰绿色物质在不同波长下的吸收光谱图，分析实验过程中应选波长测量酒精浓度比较合适，选该波长的原因：。（２）测样品酒精度时，第一步：制作标准曲线。用蒸馏水配置一系列浓度的酒精标准溶液与重铬酸钾反应后，用比色计测定，并制作以的标准曲线；第二步：样品处理。当测量的样品为红色的黄酒时，需先用活性炭进行脱色处理，其目的是。实验过程中，要以溶液为空白对照。教师呈现根据不同浓度酒精标准溶液测得的吸光度（表１）及通过Ｅｘｃｅｌ绘制的相关标准曲线图（图４），并设问：①当样品酒精测得的吸光度为０.７时，请计算酒精含量。很多同学都是在图４标准曲线的延长线上取点求酒精含量。教师追问：②当表１中的酒精标准溶液浓度继续增大，测得的吸光度与酒精含量还一定呈线性关系吗？你是如何理解标准曲线的？③当样品测得的吸光度超过标准曲线范围，你会采取什么办法改进？设计意图：作为工业生产中的酵母菌种，往往具备许多优良的特性。本环节主要依托教材中关于泡菜中亚硝酸盐含量的测定方法，复习光电比色法使用过程中波长的选择、标准曲线的制作和实验对照组的设定，旨在帮助学生进一步领会光电比色法的用途及在操作过程中需要注意的问题，引导学生认识该技术的本质，学会知识迁移。３.２.３优良酵母菌种在酿酒工艺中的应用通过图片创设小情境３：随着科技的进步，人们可以利用优良酵母菌种在大型发酵罐中工业化生产酒精。教师呈现酿酒发酵罐（图５），请学生代表阐明发酵罐各结构的功能。其他小组学生纠正、补充。并借图５设计问题串：①如果想要提高优良酵母菌种的利用效率，根据你所学的知识，通过什么办法可以实现这一目的？基于酶的固定化知识学生自然能想到酵母细胞的固定化。教师呈现图６设问：②请结合曲线分析，固定化后的酵母菌与游离的酵母菌相比有哪些优点？③为什么酿酒过程中采用固定化细胞而不是固定化酶？设计意图：本环节通过学生介绍发酵罐各结构的功能，既锻炼学生学会用正确的生物学术语表达生物学知识的能力，体会学有所用的满足感，同时又暴露学生对发酵工程相关概念的理解程度，以便教师调整教学进程。通过类比酶的固定化引出细胞固定化的相关概念，提升学生的知识迁移能力，通过发酵罐的构造图、曲线图，培养学生识图、析图的能力，以帮助学生构建“发酵工程利用现代工程技术为人类提供生物产品”这一重要概念。４.教学反思复习课的目标不仅包括知识的综合和应用，还有科学探究能力和理性思维能力的提升。依据文中的情境可以整合落实的知识内容还有很多，如分离菌种时涂布分离和划线分离的比较，筛选优良菌种时可通过哪些方法来比