1.3传统发酵技术和产品教学设计-2024-2025学年高二下学期生物选择性必修3

1.3传统发酵技术和产品 教学设计 课程基本信息 学科 生物 年级 高二 学期 春季 课题 第一章第三节 传统发酵技术和产品 第一课时 制作果酒 教学目标 依据课程标准的内容要求、学业要求及学业质量标准，并围绕发展学生核心素养的要求，制订了如下教学目标： 1. 运用发酵原理和相关技术，进行果酒制作的科学探究实践活动，体验发酵技术在食品生产 中应用，并对发酵装置及条件进行改进。 2.通过对果酒制作安全性等展开讨论、审视并作出合理性判断，把知识应用在生活中，解决生活中的问题，传播健康生活观念，培养批判性思维。 教学内容 1.教材分析 “水果的发酵加工—制作果酒和果醋”是苏教版高中生物学教材选择性必修3《生物技术与工程》第一章发酵工程第三节传统发酵技术和产品的内容。教材只给出了基础知识、建议考虑和操作提示，给学生留出了较大的探究空间。在教学中，对本节内容进行创新实验设计，培养学生设计实验，动手操作，收集证据等科学探究实践能力。果酒制作与日常生活联系密切，引导学生深度思考，使知识回归生活，解释实践中的问题，培养学生社会责任。 2.学情分析 在必修1细胞呼吸里，学生掌握了酵母菌有氧呼吸和无氧呼吸的原理，在此基础上，学生尝试制作果酒，并提出问题。学生有科学探究的想法，但缺乏科学探究实践过程，让学生经历项目化学习的过程，通过小组合作解决问题，并学会对成果进行表达与讨论，在此过程中培养学生面对真实问题情境时问题解决能力和思维能力。 3.设计思路 深度学习是培养核心素养的重要途径。以真实情境下的学习任务为主题的项目化教学，能够激发学生深度参与学习活动，促进深度学习的发生。“提升家庭酿制葡萄酒的品质”项目化教学是基于真实的问题情境，通过科学实践和查阅文献，跨学科运用知识和技术，对实验原料、发酵条件和实验装置进行深度探究，并学以致用，服务生活，发展学生综合运用各学科相关知识、技能和方法解决实际问题的能力。 4. 教学重点： 1. 进行果酒制作的科学探究实践活动，并对发酵装置进行改进，制作更安全的葡萄酒，培养学生跨学科的产品设计能力。 2. 对果酒制作的条件进行改进，制作品质更好的葡萄酒，培养学生解决问题的能力。 5.教学难点： 1. 跨学科运用知识和技术，对实验原料、发酵条件和实验装置进行深度探究的项目化学习过程。 2. 在解决真实问题中对果酒制作的核心知识在情境中的再建构与创造。 教学过程 1.教学流程 促进深度学习发生的项目化教学指依据课程标准和教材，选择真实情境下的学习任务作为单元学习主题，确定单元学习目标，设计单元学习活动，进行项目化教学实践，开展项目化学习评价，环环相扣，增强学习过程的体验性、互动性和生成性，使学科核心素养具体化，可培养、可干预、可评价。本文以“提高家庭酿的葡萄酒的品质”为教学载体，基于酿酒后的真实问题驱动，通过科学实践和查阅文献，对实验原料、发酵条件和实验装置进行深度探究，在实验探究的过程中解决问题，培养学生的高阶思维和核心素养。基于此，构建促进深度学习的项目化教学实践模型（图1）。 图1 促进深度学习的项目化教学实践模型 1.1 以实验生发真实问题的顺势而导 无论是教材分析和学情分析，还是对知识进行建构与转化，都是指向学科的关键概念。通过教材分析梳理出果酒制作流程：挑选葡萄→冲洗→榨汁→酵母菌增殖→酵母菌发酵→葡萄酒。然后通过学情分析，把果酒制作过程和必修1中呼吸作用进行知识整合：酵母菌在有氧条件下进行繁殖，无氧条件时通过发酵产生酒精。发酵过程中，温度和pH会通过影响酶的活性进而影响酶促反应。葡萄品种的选择、发酵过程中的酒精度、糖度的变化都会影响葡萄酒的品质。发酵过程中会产生二氧化碳，而针对二氧化碳如何排出可以进行发酵装置的研究。发酵产物中除了酒精外，是否还含有甲醇也直接影响葡萄酒的安全性。由此，我们可以对葡萄的品种、酒精度和糖度、温度和pH、发酵装置和发酵安全性进行研究，而这些核心知识都指向关键概念—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（图2）。 关键概念：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[2] 图2 果酒制作核心知识 学生结合必修1所学的细胞呼吸的知识，用所给的实验材料用具（葡萄、白糖、盐、小刀、镊子、发酵罐等），根据果酒制作流程制作出葡萄酒，学生在酿酒中提出真实问题:我酿的葡萄酒安全吗？可口吗？基于这些问题，学生去查阅文献发现，相对于在工厂里生产葡萄酒，在家里家庭酿的葡萄酒，可能会带来食品安全问题。首先家庭自酿选用的葡萄来源一般是像巨峰这样的餐食葡萄，而不是酿酒葡萄，在酿酒过程就可能把一些残留的农药带入自酿酒中。其次在家庭自酿酒中，通常用开水来比较随意地杀菌消毒，有害微生物超标的问题有可能出现。而有害微生物可能会产生一定量的杂醇（如甲醇），它相对比乙醇而言，对神经系统有更强的毒性，导致头疼甚至失明。再次家庭自酿酒一般存放的时间较长，也带来一定的安全隐患。 基于以上问题思考和查阅文献，学生发现家庭酿酒有可能灭菌不彻底，家庭制作的食物和饮料并不一定比买回来的安全。在此过程中改变学生对对家庭酿的葡萄酒的认知，对纯手工制作食品的认知。通过传统认知和科学知识的冲突，培养学生的批判性思维，传播健康生活观念。施一公教授说，科学的本质是求真和批判性思维，科学教育首先要培养学生的批判性思维。 1.2 以模拟深入生产实践的引问而探 生物教学要回归生物，回归生活。生物教学要来自课本，但高于课本。带领学生进行科学实践：参观吕梁风景区的红日庄园，看一看真实的酿酒过程。学生在参观葡萄种植园的时候，提出问题①：为什么葡萄酒庄园酿酒葡萄的品种和我们市面上常见的葡萄品种存在不同，葡萄酒酿造为什么需要专用的酿酒葡萄品种呢？学生接着参观葡萄酒酿造车间，观看酿酒装置、灭菌装置和检测酒精的装置，并和酿酒技术人员进行交流。在此基础上，学生提出问题②和③：如何获得葡萄酒发酵的最佳条件呢？用什么样的装置能够有效实现小规模的葡萄酒酿造实验呢？ 1.3 以项目分解整体任务的延展而伸 基于以上三个问题，以“提高家庭酿的葡萄酒的品质”为总项目，在课堂上由学生讨论拆解为三个子项目：实验原料的探究，实验条件的优化，实验装置的探究。通过查阅文献和实验探究，跨学科运用知识和技术，在小组合作中解决问题，培养学生学习素养。 1.3.1 子项目 1: 实验原料的探究 首先明确子项目1研究的问题：酒庄酿酒有专门的酿酒葡萄，而市面上多是普通食用葡萄品种，他们在葡萄酒酿造过程中存在何种差异，两者在酿酒的品质和安全上有何差异？学生通过查阅文献和酿酒庄园的实地走访，对酿酒葡萄与餐食葡萄的进行对比，选择了夏黑葡萄（酿酒葡萄）和巨峰葡萄（餐食葡萄）作为实验材料。学生再次通过查阅文献后发现酵母菌适合在微酸的条件下生存，但大肠杆菌难以生存；糖度的高低直接影响到酵母菌繁殖与转化功能，并最终影响到葡萄酒的品质，糖度过高，导致酵母菌死亡，糖度过低，则酒精度不够，严重影响酒的品质；酒精度是影响葡萄酒品质和口感的重要因素。基于以上文献查询，学生选择pH、糖度和酒精度作为检测指标，分别用pH计、糖度计和酒精计对其进行测定。学生分小组进行合作检测，在每天的固定时间进行检测，设表格对实验结果进行记录，并把结果用折线图形式呈现。小组研究结果发现：酿酒葡萄的pH值下降速度较快；酿酒葡萄的糖度降低较快；酿酒葡萄的酒精度上升趋势较快(图3）。 图3 不同品种葡萄酿酒中的pH、糖度和酒精度的变化 学生接着提出问题：两者在安全上有何差异呢？学生发现，用大肠杆菌试纸检测后，以餐食葡萄做原料的葡萄酒出现红色，说明样液中含有大肠杆菌；以酿酒葡萄做原料的葡萄酒没有出现红色，说明样液中不含有大肠杆菌。为了进一步验证结果，学生又用稀释涂布平板法进行检测。实验结果发现以餐食葡萄做原料的葡萄酒在原液、稀释10倍、稀释100倍的培养基中均出现了大肠杆菌菌落（图4），以酿酒葡萄做原料的葡萄酒在原液、稀释10倍、稀释100倍的培养基中均未出现大肠杆菌菌落（图5）。 由此学生得出结论：酿酒葡萄的发酵液的pH较低，糖度转化率较高，安全性较高。并对家庭酿的葡萄酒提出建议：酿酒时把餐食普通食用葡萄改成为专用的酿酒专用葡萄品种。 图4 餐食葡萄检测结果 图5 酿酒葡萄检测结果 1.3.2 子项目 2: 实验条件的优化 首先明确子项目2研究的问题：怎么优化发酵条件呢？学生把此项目可分解为 3个具体任务: 探究发酵过程中的适宜pH；探究发酵过程中的适宜温度；用比色法检测甲醇探究保存时间。 （1） 探究发酵过程中的适宜pH 学生设计四组pH分别为2.5，3.0，3.5，4.0的等梯度pH实验，并对发酵过程中糖度和酒精度变化情况进行检测。经过检测发现，pH为3.0—3.5时，酿酒葡萄的糖度转化率高。基于实验结果，学生对家庭酿的葡萄酒提出建议2：酿酒时适当添加柠檬汁，因为酵母菌适合在微酸的条件下生存，但大肠杆菌难以生存，有利用酵母菌成为优势种群。 （2） 探究发酵过程中的适宜温度 学生对不同温度下的发酵过程中pH、糖度和酒精度变化情况进行检测，结果发现阳面（平均温度为32℃）时糖度降低的速度较快；阳面（平均温度为32℃）时酒精度上升的速度较快；阳面（平均温度为32℃）时pH偏低，抑制杂菌生长，有利于酵母菌成为优势菌种。基于以上实验结果，学生对家庭酿的葡萄酒提出建议3：酿酒时建议放在阳面（平均温度为32℃），酿制的葡萄酒品质较好。 （3） 用比色法检测甲醇探究保存时间 学生对酿酒安全性进行检测，用比色法检测甲醇。实验结果显示，保存时间较长的家庭酿酒中的甲醇含量超过国家标准，保存时间较短的家庭酿酒中甲醇含量未超标。学生对家庭酿的葡萄酒提出建议4：酿酒接受后建议尽快饮用，不要长时间储存。 1.3.3 子项目 3: 实验装置的探究 首先明确子项目3研究的问题：用什么样的装置做实验呢？学生用矿泉水瓶做实验时发生爆炸，启发学生对实验装置进行改造，使其更安全更易操作。学生查阅文献发现醇会让塑料中的塑化剂溶出，在选择酿酒装置时尽量使用玻璃制酿酒容器，以避免塑料容器因醇浓度增加引起的塑化剂溶出。学生采用玻璃制品，对实验装置出气口进行一步步改造，使二氧化碳更容易排出（图6）。有学生发现有一种饮料瓶子的出气装置比较特殊，瓶内气压小的时候，瓶口关闭，瓶内气压大的时候，气体会从瓶口冲出。学生受到启发，对市场上常见的家庭葡萄酒酿造装置进行改造（图7）。 实验装置改进 图6 实验室装置改进 家庭酿酒装置改进 图7 家庭酿酒装置改进 1.4 以绘图梳理概念表达的互动而评 持续性评价是深度学习中教师教学、学生学习必须有的环节。基于概念图进行评价能帮助学生对概念之间的关系进行梳理，有利于理解的深入，可以作为促进深度学习的项目化教学的评价工具。在项目化学习的总结部分，将项目化教学的内容的逻辑联系进行梳理，是一种行之有效的评价方法。绘图梳理概念表达的活动最好由学生自己完成，可以由学生个人绘制，再经小组讨论进行修改，最后由教师进修评价和完善。 图8 绘图梳理概念 2.教学反思 以学生在酿酒实验生发的真实问题的顺势而导，可以唤醒学生的以往学习的细胞呼吸知识和学生的日常生活经验，并把这些融入当下项目化教学并得以提升、结构化，实现学生个体经验与科学知识的冲突，体现深度学习的“联想与结构”的特征，促进经验与知识的相互转化；带领学生在红日庄园进行科学实践，在有意义的社会活动中引发学生的内心体验，体现深度学习的核心特征—“活动和体验”，促进深度学习的发生；以“提高家庭酿的葡萄酒的品质”项目分解整体任务的延展而伸，对学习对象进行深度加工，全面把握知识的内在联系，能够从总项目推出三个子项目，体现深度学习的“本质与变式”特征；以绘图梳理概念表达的互动而评，使学生能够有根据给出自己的思考，与“提高家庭酿的葡萄酒的品质”项目化教学建立意义关联，使学生成为能够评判与选择知识的主体，体现深度学习的“价值与评价”特征。 在果酒制作的生物项目化教学实践探索中，促进了核心知识的再建构，同时在真实的问题驱动下，促进学生进行查阅文献和实践探究和真实问题情境时问题解决能力。在此过程中，巩固了知识、锻炼了思维、培养了能力，形成了素养，促进了深度学习。 3.板书设计 水果的发酵加工—制作果酒 —以葡萄酒的制作为例 学科网（北京）股份有限公司 $$