1.1获得纯种微生物是发酵工程的基础(第一课时)教学设计2026-2027学年高二下学期生物沪科版选修三

该高中生物学教学设计聚焦微生物营养物质、培养基分类及无菌技术核心知识，通过抗生素生产菌种表格情境导入，承接必修细胞代谢与生态循环内容，搭建“营养-培养基-灭菌-实验”递进学习支架，为后续分离纯化实验奠定基础。 以生命观念统领营养物质功能分析，科学思维助力灭菌与培养基类型对比，科学探究贯穿YPD培养基配制实操，工业案例结合实验培养严谨态度，帮助学生构建知识链，为教师提供分层资源与实操指导。

教学设计 课程名称 获得纯种微生物是发酵工程的基础(第一课时) 选用教材 高中生物沪科版选修三 教学章节 第一章第一节 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 本节是高中发酵工程整章开篇奠基内容，承接必修模块细胞物质代谢、生态系统物质循环相关知识，以抗生素工业生产菌种表格作为生活化工业情境导入，搭建三层递进核心理论体系。第一层围绕微生物生长繁殖必需的五大营养物质展开，依托带完整工业发酵配方的营养物质扇形示意图，逐一拆解碳源、氮源、水、无机盐、生长因子的分子功能、常见原料、自养 / 异养微生物需求差异；第二层按照成分来源、物理状态、使用用途三个独立维度，对培养基进行系统分类，搭配分层分类框架示意图区分天然 / 合成、液体 / 半固体 / 固体、通用 / 选择 / 鉴别培养基，明确琼脂仅作为凝固剂、不提供营养的核心考点；第三部分聚焦无菌技术，先界定无菌、灭菌、消毒三个易混淆核心概念，对比两类操作作用强度、杀灭对象、适用场景，再依次讲解高压蒸汽灭菌、干热灭菌、过滤除菌、紫外辐射灭菌四类实验室主流灭菌手段，配套高压蒸汽灭菌锅、滤器、无菌超净车间实景照片展示设备结构与操作环境；课时末尾设置探究实验 1-1 酵母浸粉葡萄糖（YPD）培养基配制，完整覆盖称量、溶解、调 pH、分装、灭菌、无菌倒平板全流程操作规范，搭配培养基配方表格、倒平板操作示意图辅助实操讲解。整课时知识逻辑为 “微生物需要什么营养→人工如何调配培养基→如何全程杜绝杂菌污染→亲手配制无菌固体培养基”，为下一课时微生物分离纯化、计数实验搭建完整理论与操作基础，全程串联抗生素制药、酿酒发酵等工业实例，落实物质能量观、严谨实验探究的生物核心素养。 二、学情分析 1. 知识基础 学生在必修一已经学习细胞糖类、蛋白质、无机盐、水等基础营养物质，了解自养生物与异养生物划分；必修二、必修三简单接触微生物参与生态物质循环；生活中见过酸奶、米酒发酵现象，但从未系统学习微生物专属营养体系，无法区分微生物碳源、氮源与动植物营养的差异；完全不了解培养基分层分类标准，分不清固体培养基琼脂的作用；对灭菌、消毒概念模糊，仅知道酒精擦拭、煮沸杀菌，不清楚芽孢是灭菌的核心难点；没有接触过高压蒸汽灭菌、过滤除菌等专业实验室灭菌设备，缺乏培养基配制完整实操流程认知，也不理解无菌操作对发酵纯种培养的决定性作用。 2. 能力基础 高二学生具备基础识图、表格信息提取能力，能看懂简单实景照片、流程图，但图文转化建模能力薄弱，无法依托营养物质示意图完整梳理发酵培养基物质供给逻辑；缺少根据微生物代谢类型自主选择培养基、匹配对应灭菌方法的逻辑推理能力；面对完整多步骤生物实验，难以自主拆解称量、调 pH、无菌倒平板等细分操作要点，容易忽略温度、pH、无菌环境等关键控制变量；小组合作讨论时，只能零散说出碎片化观点，无法完整对比灭菌 / 消毒、天然 / 合成培养基的系统差异，需要教师分步引导、配套表格框架辅助归纳。 3. 认知基础 学生普遍存在多处典型认知误区：第一，认为微生物和人类营养需求完全一致，忽略生长因子是多数微生物自身无法合成的特殊小分子营养；第二，误以为琼脂可以被微生物分解利用，混淆凝固剂与营养物质功能；第三，将消毒与灭菌混为一谈，认为酒精擦拭、沸水煮沸可以彻底杀死芽孢；第四，配制培养基时忽视 pH 调节步骤，不理解酸碱失衡会直接抑制微生物酶活性、阻断生长；第五，认为所有培养基都可以高温高压灭菌，不清楚抗生素、维生素等热敏物质只能使用过滤除菌；第六，倒平板操作不重视无菌环境，意识不到敞口操作会引入空气中杂菌造成污染。 三、教学目标 1. 生命观念（物质与能量观） 明确微生物生长繁殖必须摄取碳源、氮源、无机盐、水、生长因子五类营养物质，碳源为细胞合成提供骨架与生命活动能量，氮源用于合成蛋白质、核酸，生长因子补充微生物自身无法合成的小分子有机物；自养微生物可利用无机碳源，异养微生物必须依赖有机碳源，体现不同生物代谢类型对物质、能量获取方式的差异化适应；培养基人工调配各类营养的过程，本质是人为模拟自然环境物质供给，调控微生物物质合成、能量代谢速率。 2. 科学思维 依托抗生素菌种表格、营养物质扇形示意图、培养基分类框架图、灭菌设备实景图，归纳五大营养物质功能、培养基三层分类判定标准；建立对比分析思维，横向区分灭菌与消毒、液体 / 固体培养基、天然 / 合成培养基、四类灭菌设备的适用范围与优缺点；能结合发酵目标微生物代谢特征，推理选择适配的培养基配方、对应的灭菌手段，预判温度、pH、杂菌污染对微生物培养的干扰，形成 “需求 - 方案 - 风险预判” 完整实验推理逻辑。 3. 科学探究 熟练掌握 YPD 酵母培养基完整配制实验全流程，精准完成原料称量、水浴加热溶解、酸碱调节 pH、无菌分装、高压灭菌、超净台无菌倒平板每一步规范操作；能独立识别配制过程中冷凝水、杂菌污染两大常见实验故障，分析故障产生底层原因，并提出对应的规避、解决办法；能根据实验需求自主调整培养基原料配比、灭菌时长、倒平板温度，规范记录完整实验操作数据与现象。 4. 社会责任 认识无菌培养基、纯种微生物是抗生素制药、酿酒、食品发酵等工业产业的核心基础，实验室规范无菌操作不仅保证实验结果准确，也能防止有害菌种扩散污染自然环境；理解抗生素菌种培育对临床抗感染治疗、守护人类健康的重大价值；实验结束后严格按照规范灭菌处理废弃培养基、菌种废液，树立洁净、安全、环保的生物实验室操作职业规范，自觉拒绝随意丢弃微生物实验废弃物。 四、教学重难点 重点 1. 微生物五大营养物质的分子功能、常见原料，自养 / 异养微生物碳源需求差异； 2. 培养基按照成分、物理状态、用途三层分类标准，琼脂作为凝固剂的作用； 3. 灭菌与消毒的概念区分，高压蒸汽灭菌、过滤除菌的操作条件与适用场景； 4. YPD 酵母浸粉葡萄糖培养基配制完整实验步骤、无菌倒平板操作要点。 难点 1. 根据目标微生物代谢类型、发酵产物需求，自主选择适配培养基与对应灭菌方法； 2. 培养基配制过程中 pH 精准调控、无菌倒平板的无菌细节把控； 3. 区分热敏型、耐高温型培养基，合理选择过滤除菌或高压蒸汽灭菌手段。 五、教学方法  工业表格情境导入法：依托抗生素生产菌种特征表格，结合临床制药产业创设真实生产情境，引出纯种微生物培养、培养基、无菌技术核心主题；  图文分层拆解讲授法：利用营养物质扇形示意图、培养基分类框架图、灭菌设备实景照片，分层拆解营养、培养基、无菌灭菌三层理论；  横向对比归纳教学法：设计空白对比表格，引导学生分组对比灭菌 / 消毒、天然 / 合成培养基、液体 / 固体培养基、四类灭菌设备的核心差异；  实验分步拆解实操教学法：逐段拆解培养基配制实验称量、溶解、调 pH、灭菌、倒平板细分步骤，标注每一步温度、无菌、pH 关键控制变量；  问题链递进驱动法：设置递进式思考问题，由浅入深引导学生推导微生物营养、培养基、灭菌的内在逻辑。 六、教学资源 教材配套完整图文素材：抗生素生产菌种特征表格、微生物生长营养物质扇形示意图、培养基不同分类分层框架图、过滤器与滤器实景图、手提式高压蒸汽灭菌锅实景图、无菌操作车间实景图、YPD 酵母培养基配方表格、倒平板操作示意图；配套文本：开篇抗生素菌种两道思考讨论题、探究・实验 1-1 酵母浸粉葡萄糖培养基配制完整实验文本、实验结果分析思考题。 七、教学过程 教学环节 教师活动 学生活动 环节一 工业制药情境导入，梳理课时学习主线（6 分钟）  生活化工业案例导入：我们日常使用的青霉素、红霉素等全部抗生素，都是特定纯种微生物代谢合成的产物；酿酒、酿醋、发酵食品同样依靠单一纯种微生物完成发酵生产。自然界土壤、水体中微生物全部混杂生长，想要大规模稳定培养目标菌种，首先要给微生物匹配合适的营养供给，全程杜绝杂菌干扰。本节课我们先学习微生物生长必需的营养、人工调配培养基的分类，再掌握杜绝杂菌的无菌灭菌技术，最后亲手学习配制酵母专用固体培养基。  出示抗生素的生产菌种及菌种特征表格 完整展示不同抗生素对应的生产菌种、菌种生存环境特征，同步抛出教材页面两道递进思考讨论题，完整读出题目： （1）欲大量生产抗生素，就要大规模培养对应菌种的微生物，微生物的培养需要满足哪些营养条件？ （2）自然环境中的微生物种类繁多，而且常常生活在一起，如何才能分离得到生产所需的纯种微生物？  在黑板清晰板书本节课三大核心学习板块：第一，微生物生长所需五大营养物质；第二，培养基的三层分类标准；第三，无菌技术、四类灭菌手段；配套实操实验：YPD 酵母培养基完整配制。  主动回忆必修细胞营养物质、自养异养划分、生态物质循环旧知识，带着 “微生物需要哪些专属营养、培养基如何区分、怎样彻底杀死杂菌、配制培养基有哪些操作要求” 四类核心疑问进入新课学习。  仔细观看抗生素菌种表格，小组内自由交流两道课堂讨论题，结合生活中发酵米酒、酸奶的经验，初步猜想微生物生长需要糖类、蛋白质类营养，完整记录本课时三大学习板块框架。 环节二 模块一 微生物生长所需五大营养物质（13 分钟）  系统讲解微生物五大基础营养物质，逐项拆解分子功能、常见工业原料、不同代谢类型微生物需求差异：碳源为微生物提供细胞骨架与生命活动能量，有机碳源包含葡萄糖、淀粉、蛋白胨，无机碳源仅 CO₂、碳酸盐，自养微生物仅依靠无机碳，异养微生物必须摄取有机碳；氮源用于合成蛋白质、核酸、酶，分为有机氮源酵母浸粉、蛋白胨，无机氮源铵盐、硝酸盐；水参与细胞全部生化反应、物质运输；无机盐调节渗透压、作为酶辅因子；生长因子是氨基酸、维生素等小分子，绝大多数微生物自身无法合成，必须从培养基中额外获取。  出示微生物生长所需的营养物质扇形示意图 图中完整展示抗生素 B 工业发酵培养基全套配比，包含大豆油、蛋白胨、甘油、葡萄糖、无机盐、玉米浆、水七大组分，逐一对标讲解每一组分对应的营养类型，明确图中蛋白胨、玉米浆同时兼具碳源、氮源、生长因子三重功能。  递进式提问引导学生思辨：仅培养硝化细菌这类自养微生物，培养基中是否需要添加葡萄糖？培养酵母菌这类异养真菌，能否只用碳酸盐作为唯一碳源？工业发酵生产抗生素时，添加酵母浸粉的核心作用是什么？  组织学生四人小组合作，绘制五大营养物质对比简易表格，梳理每类营养的功能、常用原料、适配微生物类型。 1. 认真观看微生物营养扇形示意图，完整抄写碳源、氮源、水、无机盐、生长因子五类营养的定义、核心功能、常见原料，标注自养、异养微生物碳源需求的关键区分点。 2. 分组合作完成营养物质对比表格绘制，小组内轮流作答教师提出的三道思辨问题，结合发酵培养基配方图，举例说明工业生产中复合原料的多重营养作用。 3. 在课本对应位置标记核心考点：生长因子是微生物专属特殊营养，复合原料可同时提供多种营养。 环节三 模块二 培养基三层分类标准（10 分钟）  过渡讲解：根据微生物营养需求、实验操作目标，科学家设计出不同类型培养基，一共可以从成分来源、物理状态、使用用途三个独立维度完成分类，每个维度下划分两类或三类培养基，判定标准互不干扰。  第一维度：按成分来源划分，天然培养基由化学成分不确定的动植物原料制成，如牛肉膏蛋白胨培养基，成本低、适合大规模工业发酵；合成培养基全部由已知纯度化学试剂调配，成分精准可控，适合实验室精准科研实验。  第二维度：按物理状态划分，核心变量是琼脂添加量；液体培养基无琼脂，用于微生物大规模扩增培养；半固体琼脂添加量 0.1%~0.7%，观察微生物运动、菌种短期保藏；固体培养基琼脂添加量 0.7%~2.0%，用于微生物分离、单菌落计数、菌种长期保存，着重强调琼脂仅作为凝固剂，微生物无法分解利用，不提供任何营养。  第三维度：按使用用途划分，通用培养基营养全面，适配多种微生物基础培养；选择培养基添加特定限制物质，只允许目标微生物存活，抑制其余杂菌；鉴别培养基加入显色指示剂，不同微生物代谢后产生不同颜色菌落，直观区分菌种。  出示培养基的不同分类分层框架示意图 完整展示三层分类的分支结构，分别举例：尿素分解菌培养基属于选择培养基，伊红美蓝大肠杆菌培养基属于鉴别培养基，啤酒发酵液体培养基属于天然液体通用培养基。  即时辨析提问：实验室分离土壤微生物单菌落，应当选择哪种物理状态培养基？大规模工业发酵生产青霉素，优先选用天然还是合成培养基？  观看培养基分类框架示意图，分层记录三层分类标准、每一类培养基定义、典型实例，重点圈画琼脂仅为凝固剂这一核心知识点。  同桌两人互相举例区分天然 / 合成、液体 / 固体、选择 / 鉴别培养基，口头回答教师两道辨析提问，梳理不同实验目标对应的培养基选择逻辑。  整理课堂笔记，搭建三层培养基分类思维导图，标注各类培养基适用实验场景。 环节四 模块三 无菌技术、灭菌与消毒、四类灭菌设备（10 分钟）  核心概念界定：纯种微生物全程培养必须杜绝一切杂菌干扰，这套隔绝杂菌污染的整套操作体系称为无菌技术；细分两个核心操作：灭菌指采用强烈理化手段，杀死环境、器具内全部微生物，包含耐高温芽孢；消毒采用温和理化手段，仅杀灭环境中致病有害微生物，芽孢无法被消除，仅用于人体皮肤、物体表面短期防护。  分四类讲解实验室标准灭菌手段，配套实景图片展示设备、操作条件、适配对象： ①高压蒸汽灭菌：出示手提式高压蒸汽灭菌锅实景图 密闭容器加热产生蒸汽，压强达到 0.1MPa、温度 121℃，维持 15~30min，高温使蛋白质永久变性，彻底杀灭芽孢；适配耐高温固体器皿、普通液体培养基。 ②过滤除菌：出示过滤器和滤器实景图 0.22μm 微孔滤膜截留全部微生物，仅液体小分子物质通过；适配抗生素、维生素、激素等高温易分解的热敏型培养基、试剂。 ③干热灭菌：包含灼烧灭菌、烘箱干烤灭菌，灼烧直接将接种环、试管口瞬时高温灭菌；烘箱 160~170℃干烤 2h，适配玻璃空器皿。 ④紫外辐射灭菌：出示常见的无菌操作车间实景图 操作台顶部紫外灯释放短波紫外线，破坏微生物 DNA；仅适用于空气、操作台物体表面，无法穿透玻璃、液体，不能用于培养基灭菌。  递进提问：含有青霉素的液体培养基，能否使用高压蒸汽灭菌？超净台操作前为什么需要提前开紫外灯照射 30min？接种环每次划线前后都要灼烧灭菌的原因是什么？  依次观看高压灭菌锅、滤器、无菌车间实景照片，完整抄写灭菌、消毒核心概念，分组绘制四类灭菌设备对比表格，记录灭菌条件、适配培养基 / 器具、优缺点。  小组交流回答三道递进提问，区分耐高温、热敏培养基对应的灭菌方式，牢记芽孢是灭菌操作的核心杀灭难点。  标记易错点：消毒无法杀死芽孢；紫外仅能对空气、物体表面灭菌，不能处理液态培养基。 环节五 课堂三层小结 + 实验完整预习（6 分钟） · 分层梳理本课时全部核心知识：第一层，微生物碳源、氮源、水、无机盐、生长因子五大营养，区分自养、异养碳源需求；第二层，培养基三层分类标准，琼脂凝固剂功能；第三层，灭菌与消毒概念区分，高压蒸汽、过滤、干热、紫外四类灭菌手段适用场景。 · 完整引入探究・实验 1-1 酵母浸粉葡萄糖培养基的配制，出示酵母浸粉葡萄糖（YPD）培养基配方表格 · 明确 500mL 培养基各原料称量质量，完整拆解实验六大细分步骤：称量原料→加水加热溶解琼脂→1mol/L 酸碱试剂调节 pH 至 6.5→无菌三角瓶分装 90mL 培养基→121℃高压蒸汽灭菌 15~30min→超净台 50℃无菌倒平板；出示倒平板操作示意图 · 标注倒平板时瓶口灼烧、温度控制、避免冷凝水三大关键无菌操作细节。 · 抛出实验两道结果分析思考题，提前布置学生预习思考：①通过什么现象可以判断平板未被杂菌污染？②平板产生冷凝水会对微生物分离造成哪些干扰，实验中如何规避冷凝水生成？ · 分层布置课后巩固任务：基础任务整理五大营养、培养基分类、灭菌手段三类对比表格；提升任务完整默写 YPD 培养基配制六大操作步骤，标注每一步无菌、温度控制要点；拓展任务查阅生活中食品发酵灭菌手段，区分灭菌 / 消毒应用场景。 · 跟随教师梳理全课三层知识主线，同桌互相抽查营养物质、培养基分类、灭菌设备核心知识点，查漏补缺完善课堂笔记。 · 仔细阅读探究实验完整文本，观看培养基配方表格、倒平板示意图，逐条记录配制六大步骤，预判每一步容易产生杂菌污染的操作漏洞。 · 记录本三层课后分层巩固任务，小组内简单交流两道实验结果分析思考题的初步猜想。 八、板书设计 九、课程思政 本节课依托青霉素抗生素制药、大规模酿酒发酵等工业生产真实案例，让学生理解微生物营养调配、标准化无菌灭菌是现代医药、食品发酵产业安全稳定生产的底层基础；高压蒸汽灭菌、超净无菌操作台、过滤除菌等成套标准化实验室操作，充分体现生物科学实验严谨、规范、精准的核心特质，引导学生建立一丝不苟、杜绝疏漏的实验职业素养；通过区分灭菌、消毒操作，认识随意丢弃含活菌培养基、废液会造成环境生物污染，树立实验废弃物灭菌处理、保护自然生态环境的环保意识；结合抗生素菌种培育临床应用案例，体会微生物工程技术攻克感染疾病、守护全民生命健康的重大社会价值。 十、教学反思与修改措施 1 教学反思 本节课完整使用教材全部配套表格、示意图、实景图片完成 45 分钟授课，多数学生能够记住五大营养物质、三层培养基分类、四类灭菌设备基础概念，但课堂存在多处短板：第一，学生极易混淆选择培养基、鉴别培养基的使用目标，无法结合菌种代谢特征自主判断培养基类型；第二，面对抗生素这类热敏培养基，大量学生仍会错误选择高压蒸汽灭菌，不能根据物质理化性质匹配灭菌方式；第三，梳理微生物营养、培养基、灭菌完整逻辑链时，学生只能记忆碎片化知识点，无法串联 “菌种代谢需求→培养基配方→适配灭菌手段” 完整推理链条；第四，讲解 YPD 培养基配制实验时，学生容易忽略 pH 调节、倒平板温度两大关键控制变量，对冷凝水、杂菌污染故障成因分析片面；第五，课堂分配给小组对比归纳、实验流程推演的讨论时间不足，学生自主推理、完整表述的训练不够充分。 2 修改措施 课前发放营养物质、培养基分类、灭菌方法三类填空式预习单，提前铺垫基础区分概念；课堂压缩教师单向读图讲授时长，增加 10 分钟小组合作对比、实验流程推演讨论环节；补充培养基、灭菌方法匹配专项辨析练习题，配套热敏 / 耐高温培养基实例当堂训练；完善培养基配制标准化操作框架，明确 pH、温度、无菌环境三大强制控制变量；课后配套营养物质辨析、培养基选型、灭菌手段匹配、实验故障分析四类专项习题，夯实学生完整逻辑推理、实验操作规范分析能力。 学科网（北京）股份有限公司 $