1.3发酵工程及其应用教学设计2025-2026学年高二下学期生物人教版选择性必修3

该高中生物学教学设计聚焦发酵工程六大环节、发酵罐调控及多领域应用，以青霉素工业化价格巨变案例导入，衔接实验室微生物培养知识，搭建从基础操作到工业生产的学习支架。 特色在于情境导入与图文拆解结合，通过啤酒工业化流程案例分析培养科学思维，小组探究发酵罐装置功能提升探究实践能力，融入我国发酵产业优势增强态度责任，教师可直接用配套资源，助力学生建立生命观念与产业认知。

教学设计 课程名称 发酵工程及其应用 选用教材 高中生物人教版选修三 教学章节 第一章第三节 授课对象 高二学生 授课类型 新授课 授课学时 1课时（45分钟） 一、教学内容分析 本节是发酵工程单元总结应用课时，以青霉素工业化生产价格巨变的生活案例导入，搭建完整工业发酵生产体系。第一板块梳理发酵工程六大标准基本环节：选育菌种、扩大培养、配制培养基、灭菌、发酵罐内发酵、分离提纯产物，搭配密闭式发酵罐结构图讲解各类监测、调控装置功能，强调全程无菌、环境精准调控的工业核心要求；第二板块以啤酒工业化生产线为典型食品发酵案例，拆解从大麦原料到成品灌装全流程，对比传统手工发酵与现代规模化发酵的技术差异；第三板块分四大领域系统介绍发酵工程产业应用：食品工业（传统发酵食品、食品添加剂、食品酶制剂）、医药工业（抗生素、基因工程疫苗、激素类药物）、农牧业（微生物肥料、生物农药、微生物饲料）、能源与环境领域（CO₂合成有机物、极端微生物开发）；辩证讨论小规模精酿与工业化量产的优劣，结合我国发酵产业规模数据凸显产业优势，串联前两节培养基、无菌操作、微生物筛选计数全部基础实验知识，实现实验室基础操作到工业化大规模生产的知识升华。 二、学情分析 1. 知识根基 学生前两课时已经掌握微生物培养基配制、消毒灭菌、平板划线、稀释涂布选择培养全套实验室基础操作，理解单一微生物代谢发酵原理；能区分天然混合菌种发酵与纯种微生物培养，但不了解工业大规模发酵需要扩大培养、密闭发酵罐实时调控；仅掌握实验室小体量微生物培养，无连续化、自动化工业生产相关认知；知道青霉素、啤酒、疫苗等发酵产品，但无法对应产品完整工业发酵流程，不清楚基因工程改造菌种在发酵产业中的应用价值。 2. 能力概况 高二学生具备发酵罐结构、啤酒生产流程示意图识图归纳能力，但工业发酵多环节逻辑链条梳理零散；小组讨论时难以结合实验室无菌知识解释发酵罐灭菌、扩大培养的工业必要性；分析发酵罐各类传感器、搅拌、冷却装置功能时因果推导不完整；辩证对比手工发酵与工业化发酵、精酿与量产啤酒时论证维度单一；无法自主结合不同产业需求梳理对应发酵工程应用场景。 3. 认知误区 学生典型认知误区：一是认为实验室平板培养可直接用于工业大规模生产，忽略菌种扩大培养步骤；二是发酵罐发酵阶段仅控制温度，不清楚 pH、溶氧、通气量、搅拌速度都需要实时计算机调控；三是所有发酵产物都是微生物菌体，不区分菌体类产物与代谢物产物的分离提纯方法差异；四是工业化发酵产品添加剂有害、小规模手工发酵更健康，不能客观辩证评价两类生产模式；五是发酵工程仅用于食品、医药，忽略农牧业、新能源、环境治理广阔应用场景；六是工业发酵菌种仅能从自然界筛选，不知道诱变育种、基因工程改造是优良菌种重要来源。 三、教学目标 1. 生命观念 1. 物质与能量观：工业发酵人为调控温度、pH、溶氧等环境，让微生物定向合成目标代谢产物，精准控制物质转化与能量释放；不同菌种酶系差异决定发酵产物类型，优良菌种选育是提升物质转化效率的核心。 2. 稳态与平衡观：密闭发酵罐依靠冷却夹层、pH 传感器、通气搅拌装置维持微生物生长稳态，全程灭菌杜绝杂菌破坏发酵平衡；扩大培养逐步提升菌体量，保证发酵罐内菌种稳定增殖。 3. 进化与适应观：自然筛选、基因工程改造获得高产菌种，模拟自然选择强化微生物合成目标产物的适应能力；极端环境微生物耐受高温、高盐，可开发特殊工业发酵菌种。 2. 科学思维 1. 线性建模思维：依托发酵工程环节流程图、发酵罐结构示意图搭建完整工业发酵线性流程模型； 2. 演绎推理思维：结合实验室无菌、培养知识推导发酵罐灭菌、扩大培养、实时环境调控的底层工业逻辑，反向分析杂菌污染、产量下降的生产事故诱因； 3. 辩证评估思维：辩证对比传统手工发酵与工业化发酵、精酿啤酒与量产啤酒的优势短板； 4. 分类归纳思维：表格分类梳理食品、医药、农牧、能源四大领域发酵工程典型产品与应用价值。 3. 科学探究 1. 观察发酵工程基本环节示意图与密闭发酵罐结构图，小组拆解六大发酵环节、发酵罐各装置调控功能，串联实验室操作与工业生产的关联； 2. 观察啤酒工业化生产流程图，完整梳理大麦糖化、主发酵、后发酵、灌装消毒全套食品发酵流程，对比手工发酵技术差距； 3. 结合青霉素、重组乙肝疫苗、微生物肥料实例，分组归纳不同产业发酵工程应用场景； 完整走完 “青霉素工业化情境导入→发酵工程六大工业环节与发酵罐调控→啤酒食品发酵典型案例→四大产业领域发酵应用→生产模式辩证讨论” 探究流程，提升工业流程建模、发酵设备功能推导、多领域应用分类归纳探究能力。 4. 社会责任 1. 依托青霉素价格大幅下降、基因工程疫苗量产案例，认识发酵工程降低医药成本、保障全民医疗健康的民生价值； 2. 区分工业化规范发酵食品与无管控民间手工发酵，具备科学辨别 “精酿更健康” 伪观点的辩证判断力； 3. 理解微生物肥料、生物农药替代高污染化肥农药、CO₂资源化发酵助力碳中和的生态环保价值，树立绿色农业、低碳发展理念； 4. 了解我国发酵产业规模世界第一的产业优势，认同生物技术工业化发展对粮食安全、能源、医药、环境治理的战略支撑作用，树立生物产业报国意识。 四、教学重难点 重点 1. 发酵工程六大核心环节：选育菌种、扩大培养、配培养基、灭菌、发酵罐发酵、分离提纯；密闭发酵罐各类装置的环境调控功能； 2. 啤酒工业化完整发酵流程，现代工业发酵对比传统手工发酵的技术优势； 3. 发酵工程在食品、医药、农牧业、能源环境四大领域的典型应用； 难点 1. 结合实验室微生物培养知识，完整推导工业扩大培养、发酵罐多参数实时调控、严格灭菌的必要性； 2. 辩证分析工业化量产与小规模手工发酵的优劣，客观评价食品添加剂、标准化发酵的安全性； 3. 区分菌体产物、代谢产物两类发酵产品对应的分离提纯方法，结合产业需求分析发酵工程社会价值。 五、教学方法  生活产业情境导入法：青霉素工业化价格巨变案例引入工业发酵工程价值；  结构流程图文拆解法：发酵罐结构图、发酵环节流程图分层讲解工业发酵整套体系；  典型案例分析法：啤酒工业化生产线拆解食品发酵完整工业流程；  分类表格归纳法：四大产业发酵应用分类整理，手工与工业发酵对比表格梳理；  辩证小组讨论法：围绕精酿与量产发酵食品开展批判性科学思辨。 六、教学资源 发酵工程基本环节和发酵罐示意图、发酵罐内部结构详图、啤酒工业化生产流程图；配套素材：发酵六大环节填空学案；四大产业发酵应用对比表格；啤酒手工 / 工业化发酵差异探究任务单；我国发酵产业发展科普拓展材料。 七、教学过程 教学环节 教师活动 学生活动 环节一 产业情境导入（5 分钟）  出示青霉素药品实景创设产业情境，抛出导入讨论问题：早期青霉素产量极低、价格昂贵，如今工业化发酵生产单支仅 1 元，工业上通过哪些标准化流程实现低成本大规模生产？  出示发酵工程基本环节和发酵罐示意图 简单介绍本节课将从工业全流程、典型食品案例、多产业应用三方面系统学习工业化发酵工程，打通实验室小培养到工厂大规模生产的知识壁垒。  出示导入思辨问答题，题目具体如下：发酵工程第一步是什么？工业生产前为何要对菌种进行扩大培养？发酵罐中搅拌叶轮、冷却夹层分别起到什么调控作用？  过渡讲解：完整工业化发酵分为六大连贯环节，密闭发酵罐是核心生产设备，全程精准控制微生物生长环境，实现目标产物高效量产，广泛应用于食品、医药、农业等行业。  独立完成导入思辨问答题，同桌互相核对答案，记录本节课三大学习主线：发酵工程六大工业环节、啤酒工业化发酵案例、四大领域发酵工程应用。  完整口述发酵工程定义：利用微生物在密闭可控发酵罐中大规模生产各类代谢产物、菌体产品的工业化生物技术。 环节二 新知探究一：发酵工程六大基本环节与发酵罐调控（16 分钟）  按生产顺序依次讲解发酵工程六大连贯环节，同步串联前两节实验室知识点： ① 选育菌种：从自然界筛选高产菌株，或诱变育种、基因工程改造获得优良菌种；优良菌种是高产核心，本地稳定微生物群落启示菌种选育要匹配生产环境； ② 扩大培养：工业发酵罐体积巨大，直接接种少量菌种增殖速度极慢，先在小型发酵设备扩增菌体量，再转入大型发酵罐； ③ 配制培养基：根据菌种营养需求设计配方，多次试验优化碳源、氮源、无机盐配比； ④ 灭菌：培养基、整套发酵设备彻底高压蒸汽灭菌，杜绝杂菌污染，杂菌会分解目标产物、大幅降低产量； ⑤ 发酵罐内发酵（核心环节）：出示发酵罐内部结构详图 分层讲解装置功能： 空气入口通入无菌空气，搅拌叶轮混匀培养液、提升溶氧量；冷却夹层通入冷却水带走微生物代谢热量；pH 传感器、温度传感器实时监测并自动反馈调控；排气管排出 CO₂等废气；取样管随时检测菌液浓度、产物含量； 发酵过程严格控制温度、pH、通气量、搅拌速度，环境直接影响微生物增殖与代谢产物类型，例如谷氨酸中性产谷氨酸、酸性产副产物； ⑥ 分离提纯产物：产物分两类，微生物菌体（过滤、沉淀、干燥获取）；代谢产物（萃取、层析、提纯精制）。  组织小组思考讨论，出示讨论题，题目具体如下：1. 工业发酵必须进行扩大培养，实验室平板划线为何不需要？2. 发酵罐配备计算机自动调控系统的优势是什么？3. 杂菌污染会对工业发酵造成哪些危害？  对照两套发酵工程示意图，手绘六大环节流程箭头，标注发酵罐冷却、搅拌、通气、监测装置对应的环境调控作用。  小组结合前两节无菌、微生物培养知识，逐条推导每个工业环节设计的底层原理，整理文字记录。  独立完成讨论题，分层书写工业发酵罐体量大，少量菌种增殖周期过长，实验室仅分离纯化少量单菌落；实时监测自动调控，维持稳定发酵稳态，减少人工误差；杂菌争夺营养、分解目标产物，导致产量暴跌、产品报废。  同桌互相复述完整工业发酵六大流程顺序与发酵罐核心调控逻辑。 环节三 新知探究二：典型案例 —— 啤酒工业化发酵生产（13 分钟）  过渡讲解：食品工业是发酵工程最成熟应用领域，啤酒是规模化发酵代表产品，完整流程体现标准化、无菌、环境可控工业优势。  出示啤酒工业化生产流程图 分步拆解完整工艺： 上游原料处理：大麦发芽释放淀粉酶→烘烤灭活胚芽酶活→碾磨粉碎→糖化罐加水糖化分解淀粉为糖浆； 发酵阶段：糖浆煮沸添加酒花灭菌增香→冷却后接入酵母菌主发酵（增殖、分解糖类生成酒精与风味物质）；主发酵结束低温密闭后发酵成熟澄清； 下游成品处理：过滤去除菌体、消毒延长保质期→灌装储存上市。  对比传统手工发酵总结工业技术优势：全程标准化灭菌、精准控温、多级过滤消毒、连续化生产线，产量大、风味稳定、保质期长、杂菌污染风险极低。  组织小组综合讨论，出示讨论题，题目具体如下：1. 工业化啤酒生产中哪些操作降低杂菌污染风险？2. 市面上认为手工精酿啤酒比工业量产啤酒更健康，如何辩证看待该观点？  对照啤酒生产流程图，梳理原料糖化、主发酵、后发酵、灌装全套步骤，标注每一步无菌、控温操作。  小组辩证讨论精酿与量产啤酒优缺点，分维度记录论证：工业优势为灭菌严格、标准化安全、价格低廉；精酿优势风味独特，短板无统一灭菌标准、易存在杂菌、产量少价格高。  独立完成综合讨论题，分层书写原料煮沸、70% 酒精器具消毒、发酵全程密闭、成品过滤消毒多重防控；二者无绝对优劣，工业产品规范安全，精酿风味丰富，但民间小型酿造易存在微生物超标隐患，需客观理性看待。  小组代表完整讲解工业化流程相比手工发酵的标准化优势。 环节四 新知探究三：发酵工程四大产业领域应用（14 分钟）  分四大板块系统梳理发酵工程产业应用，搭配生活、医药、农业实例讲解： ① 食品工业：三类应用，传统发酵食品（酱油、各类酒类）；食品添加剂（柠檬酸、谷氨酸 / 味精、色素、防腐剂）；食品酶制剂（淀粉酶、果胶酶等五十余种）； ② 医药工业：抗生素（青霉素）、激素类药物、重组基因工程疫苗（乙肝疫苗）；基因工程改造微生物大幅降低药物生产成本，解决天然提取原料受限难题； ③ 农牧业：微生物肥料（固氮菌改良土壤）、生物农药（苏云金杆菌杀虫）、微生物饲料（单细胞蛋白提升畜禽产量、青贮乳酸菌保鲜）；替代高污染化工农资，助力绿色生态农业； ④ 能源与环境：利用秸秆、CO₂发酵合成乙醇、脂肪酸，实现碳资源化利用助力碳中和；极端耐高温、耐盐微生物开发新型工业酶制剂。  产业拓展：我国发酵产业总产值世界第一，发酵工程在粮食安全、医疗保障、生态治理、新能源领域具备不可替代战略价值。  组织小组分类讨论，出示讨论题，题目具体如下：1. 医药领域发酵工程相比动植物提取药物有哪些优势？2. 微生物肥料、生物农药相比化肥、化学农药有什么生态优势？  小组制作分类表格，分层整理食品、医药、农牧、能源四大领域发酵典型产品与应用价值。  独立完成分类讨论题，分层书写微生物发酵大规模量产、原料廉价、产量不受动植物资源限制，价格大幅下降；微生物农资可改良土壤、无化学残留、减少水土污染，利于农业可持续发展。  分组结合生活举例分享身边发酵工程产品，加深产业应用认知。 环节五 课堂梳理、分层作业布置（5 分钟） · 整体脉络梳理：本节课四大板块，依托发酵工程综合示意图讲解六大工业生产环节与发酵罐多参数调控；结合啤酒生产流程图拆解食品工业化完整发酵案例；分四大领域归纳发酵工程全产业应用；辩证讨论手工小规模发酵与标准化工业量产的优劣。 · 分层布置课后作业 · 基础作业：按顺序写出发酵工程六大核心环节；逐条写出发酵罐搅拌、冷却、通气、pH 监测装置功能；列表整理食品、医药、农牧业发酵典型产品；完成本节全部思考讨论题。 · 提升作业：完整推导工业扩大培养、全程灭菌的必要性；辩证分析工业化发酵食品与手工发酵的优缺点；区分菌体产物、代谢产物不同分离提纯方法。 · 拓展实践：走访本地酿造厂、食品加工厂，调研工业化发酵生产线流程；查阅资料了解基因工程改造菌种在青霉素、疫苗生产中的应用。 · 引导学生整理三张配套图文笔记，梳理发酵工程基本环节和发酵罐示意图、发酵罐内部结构详图、啤酒工业化生产流程图核心知识点。 · 同桌互相抽查发酵六大环节、发酵罐装置功能、四大产业发酵应用、工业与手工发酵差异，查漏补缺易混淆知识点。 · 逐条记录分层作业，结合自身工业流程推导、辩证论述薄弱点规划完成顺序；存在发酵罐调控逻辑、产业应用区分疑问的学生课后小组交流讨论。 八、板书设计 九、课程思政 本节课依托青霉素工业化量产大幅降低医药价格、重组乙肝疫苗全民普及的民生医药案例，结合啤酒标准化食品发酵、微生物生态农资、CO₂碳资源化新能源产业内容，引导学生建立微生物代谢可通过人工环境定向调控、工业发酵体系兼顾物质高效转化与生产稳态的物质稳态生命观念；通过发酵罐设备功能推导、六大工业流程逻辑拆解、手工与工业化发酵辩证对比、四大产业分类归纳，培养流程建模、因果推导、批判性评估、分类梳理的严谨科学思维；了解我国发酵产业规模全球领先的产业实力，体会从传统民间发酵手艺到现代标准化生物工业的技术发展脉络，认同基因工程、自动化发酵等现代生物技术惠及医疗、粮食、生态、能源全领域的战略价值；树立绿色低碳发展理念，理解微生物肥料、碳资源化发酵助力碳中和、农业可持续发展的生态意义；客观理性区分民间手工发酵与规范工业发酵，具备辨别食品相关伪科学宣传的独立判断能力，激发学生投身生物制造、生物医药产业报国的责任意识。 十、教学反思与修改措施 1 教学反思 本节课使用三张配套图文，按照青霉素产业情境导入、发酵六大工业环节与发酵罐调控、啤酒食品案例、四大产业应用逻辑授课，多数学生能记住发酵工程六大流程，但课堂存在明显短板：一是学生极易混淆实验室小规模培养与工业扩大培养的设计目的，无法完整推导罐体容积、菌体量增殖周期的因果关系；二是分析发酵罐多装置调控功能时，只能记住单一设备作用，不能串联温度、溶氧、pH 协同调控微生物代谢产物类型的完整逻辑；三是辩证讨论精酿与工业啤酒时论证维度片面，仅能从风味单一角度对比，缺少食品安全、产量、成本、保质期多维度分析；四是区分菌体产物、代谢产物提纯方法时容易混淆，不能结合产物存在形式推导分离手段；五是梳理四大产业发酵应用时容易遗漏能源、环境领域，对碳中和相关发酵前沿应用认知不足。 2 修改措施 课前设计发酵六大环节、工业与实验室培养对比填空预习单，提前铺垫工业发酵特殊要求基础；课堂增设线性分栏板书，逐条标注发酵罐各类装置协同调控逻辑、两类产物提纯差异、四大产业完整应用；补充手工 / 工业发酵多维度对比醒目标注；课后配套工业发酵流程辨析、发酵罐装置功能推导、产业应用分类三类专项习题；调整课堂时间分配，压缩概念讲授时长，预留充足小组三张图文工业流程拆解、发酵罐协同调控原理推导、发酵模式多维度辩证讨论时间；增设绘图作业，要求学生依据课堂三张图文绘制完整工业发酵六大流程并标注每一步无菌、环境调控要点，提升图文建模、工业流程因果推导、多维度辩证探究能力。 学科网（北京）股份有限公司 $