1.3发酵工程及其应用教学设计-2024-2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

发酵工程及其应用（教学设计）-2024-2025学年高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3 教学设计 教学目标 （1）生命观念：理解发酵工程通过微生物的特定功能实现工业化生产，认识到微生物在生命活动中的重要作用，形成对生命现象的科学认知。 （2）科学思维：通过分析发酵工程的基本环节，培养逻辑推理和问题解决能力，能够运用科学方法探究发酵条件对微生物生长和产物生成的影响。 （3）探究实践：通过实验设计和数据分析，掌握发酵工程中菌种选育、培养基配制、发酵条件控制等基本操作技能，提升实验探究和实践能力。 （4）态度责任：认识到发酵工程在食品、医药、农牧业等领域的应用价值，增强对生物技术的社会责任感和环保意识，积极参与相关科学实践。 教学方法 讲授法、案例分析、讨论法、自主学习 教学重点 （1）理解发酵工程的基本环节及其在工业化生产中的应用，培养学生科学探究与实践能力。 （2）通过分析发酵工程在食品、医药、农牧业等领域的应用，提升学生解决实际问题的能力，增强社会参与意识。 教学难点 （1）理解和掌握发酵工程的基本环节，尤其是菌种选育、培养基配制、灭菌、接种和发酵过程的关键技术和原理。 （2）深刻认识发酵工程在食品、医药、农牧业及其他领域中的应用，并将其与实际生产和生活案例相结合，理解其对社会发展的贡献。 教学过程 一、导入新课 教学环节 教师活动：从社会中来 展示青霉素的图片，并介绍其发现的过程：亚历山大・弗莱明（Alexander Fleming），英国微生物学家（1881.8.6 - 1955.3.11）。在二战期间，青霉素成为战地上的救命药物，挽救了无数生命，被誉为 “神奇子弹”。1945 年，他因此获得了诺贝尔生理学或医学奖。 尽管青霉菌中提取的青霉素产量较少，但随着高产菌种的选育和发酵技术的进步，青霉素逐渐实现了产业化生产。 提出问题：工业上是如何通过发酵工程生产青霉素的？如何定义发酵工程？ 学生活动：了解青霉素的发现与发展历程，思考并回答老师的问题：工业上如何利用发酵工程生产青霉素？ 设计意图：通过青霉素的发现和发展史，激发学生对发酵工程的兴趣，并引入课题。 二、讲授新课 教学环节 教师活动：一、发酵工程的概念： 采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或者直接把微生物应用于工业生产的一种新技术。 （学生：认真听讲，记录发酵工程的定义。） 学生活动：阅读课本 P22—23，联系实际，思考以下问题： 发酵工程的概念是什么？ 发酵工程的基本环节有哪些？ （学生：仔细阅读课本相关内容，归纳总结发酵工程的定义及其基本步骤。） 设计意图：通过概念总结和基本环节的学习，培养学生获取信息的能力，科学探究发酵工程的各个环节，激发学生的科研兴趣。 二、发酵工程的基本环节 选育菌种：优良性状的菌种可以来源于自然界，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。例如，生产柠檬酸时需要筛选出产酸量高的黑曲霉；啤酒生产中，通过基因工程改造的酵母可以加快发酵速度，缩短生产周期。 （学生：理解不同菌种的选择方法，并讨论其在实际生产中的重要性。） 扩大培养：工业发酵罐体积巨大，接入的菌种总量也需相应增加，因此在正式发酵前要进行菌种的扩大培养。 （学生：理解扩大培养的意义，记下关键操作步骤。） 配制培养基：确定菌种后，需选择合适的原料配制培养基。培养基的配方需要多次试验才能最终确定。 （学生：探讨培养基配制的步骤及其优化策略。） 灭菌：发酵过程中使用的多为单一菌种，一旦有杂菌污染，会严重影响产量。因此，培养基和设备都必须经过严格灭菌处理。 （学生：认识到灭菌的重要性，学习常见的灭菌方法。） 接种：将扩大培养后的菌种与灭菌后的培养基一同加入发酵罐中。现代化发酵设备能够自动监测并控制发酵过程中的温度、pH 值、溶解氧、罐压、通气量、搅拌速率、泡沫生成和营养成分等参数。 （学生：了解接种过程及自动化监控系统的作用。） 发酵罐内发酵：在发酵过程中，需定期检测培养液中的微生物数量、产物浓度等指标，以便掌握发酵进程。同时，根据需要添加必要的营养成分，并严格控制发酵条件。 （学生：学习发酵过程中各项参数的监控和调控方法。） 分离、提纯产物：若产品是微生物细胞本身，则在发酵结束后可通过过滤、沉淀等方式分离菌体并干燥得到产品。如果产品是代谢物，则需采取适当的提取、分离和纯化措施。 （学生：研究产物分离与提纯的方法，思考如何提高产品的纯度和质量。） 思考与讨论 在选择用于发酵工程的菌种时，需要考虑哪些因素？ 提示：① 原料方面：广泛的适用性和高转化率；② 产物方面：目标产物含量高，副产物少；③ 菌体方面：生长快，繁殖力强，耐受力强，抗污染、抗噬菌体能力强，遗传特征稳定；④ 设备方面：产泡沫少，适合大规模生产；生产周期短，需氧量少，抗污染能力强。 （学生：分组讨论上述各因素，并解释其重要性。） 如何调控发酵条件以满足微生物的生长需求？ 提示：① 水分调节 ② 发酵温度调节 ③ pH 值调节 ④ 溶解氧控制 ⑤ 营养物质补给 （学生：小组讨论并总结调控发酵条件的具体方法。） 发酵工程相比传统发酵技术，在产物分离和提纯方面有哪些改进之处？ 提示：发酵工程结合了现代工程技术，可采用连续或半连续发酵方式，实现高度自动化；使用基因重组菌株能在较高温度下加压生产，而传统发酵则是间歇式、人工操作，使用天然菌种，在常温常压条件下进行。 （学生：比较两种技术的特点，讨论改进的意义。） 在进行发酵生产时，能否直接排放排出的气体和废物培养液到外界环境中？为什么？ 提示：不可以，因为这些废气废液可能含有有害物质，会污染环境。 （学生：认识到环保的重要性，讨论处理排放物的方法。） 判断题 5. 发酵工程所用的菌种都是从自然界筛选出来的。 (×) 提示：除自然筛选外，还可通过诱变育种或基因工程育种获得。 （学生：纠正错误观念，理解多种菌种来源。） 发酵工程的核心环节是选育菌种。 (×) 提示：中心环节实际上是发酵罐内的发酵过程。 （学生：明确发酵工程的关键环节，纠正误解。） 发酵工程只需对培养基进行灭菌，发酵设备无需灭菌。 (×) 提示：培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌处理。 （学生：强调全面灭菌的重要性，纠正错误认知。） 利用微生物农药防治农林虫害属于化学防治。 (×) 提示：此类方法属于生物防治。 （学生：区分化学与生物防治的区别，纠正错误观念。） 三、啤酒的工业化生产流程 发芽、烤焙、碾磨、糖化、蒸煮、发酵、消毒终止 思考与讨论 相比于传统手工发酵，工业化的啤酒发酵工艺在哪些方面提高了产量和质量？ 提示：现代化啤酒发酵工艺利用最佳条件（如营养、温度、pH 值等）进行发酵，采用纯化的酵母菌株并通过严格的消毒灭菌措施提高产品质量。 （学生：分析工业化生产的优点，对比传统方法。） 精酿啤酒与普通啤酒在制作工艺上有何不同？有人认为饮用精酿啤酒更健康，你怎么看？精酿啤酒虽然产量低价格高，为何仍有市场需求？如何客观看待大规模生产和小规模制作？ 提示：精酿啤酒通常不含食品添加剂，不进行过滤和消毒处理，使用优质原料酿造。相比之下，普通啤酒为了降低成本，可能会添加大米、玉米等替代部分麦芽。虽然精酿啤酒价格较高，但仍因其独特的风味受到消费者喜爱。 学生应辩证地看待这两种生产方式，认识到各有优势和局限。 （学生：讨论并分析两种啤酒的优缺点，探讨市场需求的原因。） 学科网（北京）股份有限公司 $$