1.2发酵工程为人类提供多样化生物产品（第二课时）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现代工业发酵工程核心知识，涵盖发酵工业发展史、五大流程、发酵罐结构、发酵类型及青霉素案例。通过复习家庭发酵与灭菌旧知，结合青霉素工业生产情境，搭建传统到现代发酵的知识支架，梳理完整工业发酵体系。 以青霉素工业化案例为情境，采用图文分层讲授、对比归纳等方法，结合发酵罐示意图、实景图等素材，引导学生构建知识链。突出生命观念（分阶段控温调控物质能量）、科学思维（对比液态固态发酵）、态度责任（科学史与环保意识），助学生提升工程推理能力，为教师提供分层教学资源与实操方案。

教学设计 课程名称 发酵工程为人类提供多样化生物产品（第二课时） 选用教材 高中生物沪科版选修三 教学章节 第一章第二节 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 本课时承接第一课时传统家庭发酵，聚焦规模化现代工业发酵工程，搭建三层递进实操知识体系。第一模块讲解现代发酵工业发展历史，一战、二战时期纯种无菌液体发酵技术实现工业化突破；第二模块完整拆解工业发酵全套体系：微生物菌种选育多级扩大培养、培养基高压蒸汽灭菌、大型全自动生物反应器发酵罐、发酵产物下游分离提纯，依托发酵罐结构示意图、工业发酵流程示意图、液态固态发酵实景图，讲解发酵罐搅拌、冷却、pH 电极、溶氧、消泡自动化调控系统，区分液态深层发酵、固态发酵两类工业生产模式；第三模块以产黄青霉菌青霉素工业化发酵为典型工业案例，配套产黄青霉菌落实图、弗莱明历史照片、青霉素工业化海报，讲解菌种选育、分阶段控温、溶氧调控、产物提取完整工业工艺；课时末尾搭配广角镜菌种扩大培养、液体固态发酵拓展文本，搭建 “工业发酵发展史→发酵罐自动化设备→完整工业发酵流程→青霉素工业化生产案例” 完整知识链，落实物质能量调控、工程实践探究、医药产业社会价值三大核心素养，为第三课时发酵工程多领域应用铺垫工业生产基础。 二、学情分析 1. 知识基础 学生已经掌握第一课时培养基分类、灭菌、无菌操作全部理论，熟悉小型家庭发酵瓶操作，但完全不理解大型工业发酵罐全自动调控系统；不清楚工业菌种多级扩大培养逐级扩增逻辑；对产黄青霉菌生长 26℃、产青霉素 23℃分阶段控温的差异化需求认知空白；无法区分液态深层发酵、固态发酵适配产业；缺少完整工业化大规模发酵全流程设计思路，不清楚工业纯种发酵一旦杂菌污染会造成全盘报废的经济损失。 2. 能力基础 高二学生能看懂发酵罐、梯度稀释操作示意图，但图文转化工程分析能力薄弱，无法完整描述发酵罐搅拌、冷却、通气、消泡装置各自调控功能；缺少根据工业产物需求自主设计菌种扩大、发酵参数调控方案的逻辑推理能力；面对完整多步骤工业发酵流程，难以自主拆解菌种培育、罐体灭菌、实时参数调控、产物提纯细分操作要点，需要教师分步拆解完整工业流程、配套框架辅助归纳发酵控制参数。 3. 认知基础 学生存在大量典型认知误区：第一，认为工业发酵罐和家庭发酵瓶调控条件完全一致，忽略发酵罐实时监测溶氧、pH、温度全自动调控系统；第二，误以为产黄青霉菌全程统一温度培养，不清楚菌体增殖、抗生素合成适宜温度存在明显差异；第三，混淆液态深层发酵、固态发酵适用场景，认为固态发酵工艺落后无工业价值；第四，工业发酵罐体灭菌仅简单煮沸，不了解大型金属罐体必须高压蒸汽彻底灭菌；第五，忽略工业发酵消泡、持续无菌通气两大专属强制操作，不理解高溶氧是好氧微生物高产代谢产物的核心条件。 三、教学目标 1. 生命观念（物质与能量、稳态平衡观） 现代工业发酵依靠大型发酵罐自动化设备精准调控温度、pH、溶氧、通气量、搅拌转速，匹配微生物菌体增殖、目标代谢产物积累的差异化需求；产黄青霉菌前期 26℃快速扩增菌体数量，后期 23℃稳定合成青霉素，人为分阶段调控温度实现菌体生长与产物积累分离；液态深层发酵持续搅拌通入无菌空气提升溶氧，保障好氧微生物高效代谢；固态发酵依托固体载体缓慢分解原料大分子物质，两类发酵模式均人为精准调控环境，最大化微生物目标产物产出，体现人为干预调控微生物物质能量代谢、人为构建稳定微生物增殖环境的工程规律。 2. 科学思维 依托发酵罐结构示意图、工业发酵流程示意图、液态固态发酵实景、产黄青霉菌落实图，归纳工业发酵五大核心环节：菌种选育多级扩大、培养基与罐体灭菌、发酵罐恒温恒溶氧培养、实时参数动态调控、发酵产物分离提纯；横向对比液态深层发酵、固态发酵的操作流程、适配产业、优缺点；对比产黄青霉菌菌体生长、抗生素合成两个阶段温度需求差异；能结合工业发酵产物目标，推理发酵罐搅拌、冷却、通气、消泡操作的底层逻辑，预判温度、溶氧失衡、杂菌污染对工业发酵产量、品质的巨大干扰，形成 “菌种代谢需求→工业设备参数调控→发酵产物产量预判” 完整工程推理逻辑。 3. 科学探究 能完整梳理工业发酵全套标准化流程，清晰描述发酵罐搅拌、冷却、pH 电极、溶氧检测、消泡装置各自功能；能根据产黄青霉菌代谢特征，自主设计分阶段控温、通气量调控的青霉素发酵方案；能区分液态深层发酵、固态发酵适配生产产品，分析两类发酵工艺各自优势与限制条件；能结合工业发酵杂菌污染案例，完整分析污染来源、经济损失，并设计全流程无菌防控优化方案。 4. 社会责任 认识现代工业发酵工程是抗生素、生物医药规模化生产的核心支撑，全自动无菌发酵设备、标准化灭菌流程保障临床抗感染药物稳定供给；液态深层发酵大规模工业化生产模式大幅降低医药、食品生产成本，惠及全民；工业发酵废液、废弃菌种必须高温灭菌处理后再排放，杜绝外源微生物扩散污染土壤、水体自然环境；青霉素工业化生产案例让学生体会生物工程技术攻克感染疾病、守护公共卫生安全的重大社会价值，树立严谨规范、安全环保的工业生物生产职业素养。 四、教学重难点 重点 1. 工业发酵完整五大流程：菌种扩大培养、罐体灭菌、发酵罐自动化培养、参数调控、产物提纯； 2. 发酵罐各结构功能，温度、溶氧、pH、搅拌转速四大核心调控参数； 3. 产黄青霉菌青霉素工业化发酵分阶段控温、溶氧调控完整工艺； 4. 液态深层发酵、固态发酵的区分与工业应用场景。 难点 1. 结合产黄青霉菌差异化温度需求，解释分阶段控温对菌体增殖、青霉素合成的调控逻辑； 2. 发酵罐搅拌、持续通气提升溶氧的底层原理，溶氧不足对好氧微生物产物积累的抑制作用； 3. 工业纯种发酵全流程无菌防控体系搭建，杂菌污染的全方位规避方案。 五、教学方法  工业医药案例情境导入法：依托青霉素临床抗感染药物工业化生产创设真实医药工业情境；  工程图文分层讲授法：利用发酵罐结构示意图、工业发酵流程示意图、液态固态发酵实景分层拆解工业发酵理论；  横向对比归纳教学法：设计空白对比表格，引导学生分组对比液态 / 固态发酵、菌体生长 / 产抗生素发酵条件差异；  工业流程分步拆解教学法：逐段拆解工业发酵菌种培育、罐体灭菌、发酵、提纯全套细分操作；  递进问题链驱动法：设置阶梯式工业生产思考问题，由浅入深引导学生推导微生物代谢与工业设备调控的内在逻辑。 六、教学资源 教材配套图文素材：发酵罐结构及工艺控制示意图、工业发酵流程示意图、不同形式固态发酵实景图、产黄青霉菌落实图、弗莱明历史照片、青霉素工业化海报；配套文本：菌种逐级扩大培养广角镜文本、液体发酵与固态发酵拓展文本、青霉素从发现到工业化生产科学史话文本。 七、教学过程 教学环节 教师活动 学生活动 环节一 复习旧知工业情境导入，梳理课时主线（4 分钟）  递进式复习提问，衔接上一课时传统发酵理论：①固体培养基的凝固剂是什么？②含有青霉素的培养基应当选用哪种灭菌手段？③果醋发酵阶段必须持续通入空气的原因是什么？学生作答后过渡：我们已经掌握家庭小型发酵、培养基、无菌灭菌全部理论，临床大规模生产青霉素、工业批量酿造白酒依靠大型全自动工业发酵罐，本节课我们系统学习现代工业发酵完整体系、发酵罐设备、青霉素工业化生产完整工艺。  在黑板清晰板书本课时四大核心学习板块：现代发酵工业发展历史；工业发酵全套五大流程与发酵罐设备；液态深层发酵、固态发酵区分；青霉素工业化发酵典型案例。  快速回顾第一课时传统发酵、灭菌、无菌操作核心知识点，准确回答三道复习提问，结合青霉素药物生活经验，猜想大型发酵罐调控温度、氧气保障菌种高产代谢产物的逻辑。  记录本课时四大学习板块框架，带着 “发酵罐各装置作用、液态固态发酵差异、青霉素发酵分阶段控温原理” 的疑问进入新课学习。 环节二 模块 1 现代发酵工业发展史与工业发酵完整流程（11 分钟）  讲解现代发酵工业化发展历程：第一次世界大战期间，纯种无菌液体发酵技术建立，实现丙酮、丁醇工业化生产；二战时期青霉素临床需求激增，推动好氧液体深层发酵成套设备研发，建立完整工业发酵理论与设备体系；现代发酵工程结合基因工程，定向改造工业菌种大幅提升产物产量。  出示工业发酵流程示意图 完整拆解工业发酵五大标准化环节：自然界分离目标微生物→菌种多级逐级扩大培养→发酵专用培养基配制与高压蒸汽灭菌→大型发酵罐恒温发酵实时调控参数→发酵完成后产物分离提纯得到商品化产品；重点强调每一步都必须全程无菌操作，罐体、培养基全部提前高压蒸汽灭菌。  递进提问：工业发酵为什么不能直接使用土壤分离的原始菌种，必须经过多级扩大培养？工业发酵完成后为什么要对发酵液进行分离提纯？  组织小组合作梳理工业发酵全流程无菌防控措施，总结罐体灭菌、无菌通气、无菌移种三大核心防控手段。  观看工业发酵流程示意图，完整抄写工业发酵五大流程，分组作答两道递进提问，梳理多级扩大培养、产物提纯的工业生产意义。  小组合作绘制工业发酵流程简易思维导图，标记全程无菌操作核心要求，区分传统家庭发酵与现代工业发酵规模、设备差异。  在课本对应位置标记核心考点：工业纯种发酵全程无菌，杂菌污染会造成全部发酵产物报废。 环节三 模块 2 发酵罐结构与自动化调控、液态固态发酵区分（12 分钟）  出示发酵罐结构及工艺控制示意图 逐部件讲解发酵罐全部装置功能： ①电动机与搅拌桨：持续搅拌，让菌体、培养基、无菌空气充分混合，提升溶氧； ②冷却水进出口：配套温度电极实时监测，高温时通入冷水控温； ③pH 电极、溶氧电极：实时检测发酵液酸碱度、溶解氧气含量，自动调节通气量； ④无菌空气入口：通入过滤除菌后的无菌空气，满足好氧微生物代谢； ⑤消泡装置：发酵产生大量泡沫，消泡剂消除泡沫防止溢罐； ⑥进料口、取样口、排气口：无菌进料、定时取样监测、排出废气。  讲解两类工业发酵模式：液态深层发酵、固态发酵。出示不同形式固态发酵实景图 液态深层发酵：培养基为液体，持续搅拌通气，适合大规模医药、燃料乙醇工业化生产；固态发酵：微生物生长在不溶于水的固体原料上，传统白酒、酱油、堆肥沼气全部采用固态发酵工艺，原料成本更低，但自动化调控难度更高。  即时辨析提问：大规模工业化生产青霉素，优先选择液态还是固态发酵？发酵罐搅拌桨持续搅拌的核心作用是什么？发酵过程泡沫过多会带来哪些负面影响？  依次观看发酵罐结构示意图、固态发酵实景图片，完整抄写发酵罐各部件功能，分组对比液态深层发酵、固态发酵原料、调控难度、适用产业差异。  小组内口头回答三道辨析提问，梳理搅拌、通气、消泡、控温四大自动化调控核心逻辑。  标记易错点：固态发酵自动化程度低，液态深层发酵易实现全自动规模化量产；搅拌核心作用是提升发酵液溶氧。 环节四 模块 3 青霉素工业化发酵典型案例（13 分钟）  科学史导入：1928 年弗莱明偶然发现青霉菌分泌青霉素抑制致病菌，1945 年实现工业化大规模生产，二战时期拯救大量伤员。出示弗莱明历史照片、青霉素工业化海报、产黄青霉菌落实图 讲解产黄青霉菌是青霉素工业生产专用菌种。  完整拆解青霉素发酵差异化温度调控逻辑：产黄青霉菌菌体快速增殖适宜温度 26℃，大量合成青霉素代谢产物适宜温度 23℃；工业发酵前期 26℃培养扩增菌体数量，发酵中期、后期降温至 23℃稳定产青霉素；发酵适宜 pH 维持 6.5，全程持续通入无菌空气保障高溶氧，配套消泡装置消除发酵泡沫。  递进提问：青霉素发酵前期、后期设置不同温度的底层原理？发酵罐为什么要持续通入无菌空气？发酵过程 pH 偏离 6.5 会对青霉素产量造成什么影响？  拓展讲解广角镜菌种逐级扩大培养文本：工业发酵需要海量菌种，依次通过试管、摇瓶、小型种子罐多级扩大，最后接入大型发酵罐，避免少量原始菌种直接接种发酵周期过长。  观看产黄青霉菌落实图、弗莱明历史照片，完整抄写青霉素发酵分阶段控温、pH、溶氧调控标准，分组作答三道递进提问，区分菌体生长、产物合成的差异化环境需求。  小组内模拟青霉素工业发酵完整流程，梳理菌种扩大、罐体灭菌、分阶段控温、产物提纯全流程操作。  记录本课时实验拓展任务，梳理液态深层发酵生产抗生素完整工艺框架。 环节五 课堂四层小结 + 分层课后任务（4 分钟）  分层梳理本课时完整知识体系：第一层，现代发酵工业发展历史，一战、二战推动液态深层发酵工业化；第二层，工业发酵五大标准化流程，发酵罐全部自动化调控装置功能；第三层，液态深层发酵、固态发酵工艺区分与工业应用；第四层，青霉素工业化发酵分阶段控温、溶氧调控完整工艺。  分层布置课后巩固任务：基础任务绘制发酵罐各部件功能、两类发酵模式对比表格；提升任务完整梳理青霉素工业化发酵全套操作流程；拓展任务查阅燃料乙醇工业发酵相关资料，梳理液态发酵生产清洁能源优势。  跟随教师梳理全课四层知识主线，同桌互相抽查发酵罐装置功能、青霉素分阶段发酵控温核心知识点，完善全套工业发酵笔记。  记录本三层分层课后任务，小组内简单规划课后燃料乙醇发酵资料查阅框架。 八、板书设计 九、课程思政 本节课依托青霉素工业化生产科学史，让学生认识现代工业发酵工程是临床抗感染药物稳定供给的核心保障，成套无菌自动化发酵设备、标准化分阶段调控工艺，体现生物工程严谨、精准、规模化的工业生产特质；液态深层发酵清洁能源乙醇生产工艺，为缓解化石能源危机、减少尾气温室气体排放提供绿色解决方案；工业发酵全过程高压灭菌、废液灭菌排放规范，引导学生树立工业生物生产环保、杜绝生物污染的职业底线；弗莱明、弗洛里、钱恩持续深耕青霉素研发的科研精神，培养学生持之以恒、严谨求真的科学探究品格。 十、教学反思与修改措施 1 教学反思 本节课依托全套工业发酵示意图、实景、科学史图片完成 45 分钟工业导向授课，多数学生能够记住发酵罐基础部件、液态固态发酵基础差异，但课堂短板十分突出：第一，学生无法清晰表述发酵罐搅拌装置提升溶氧的底层逻辑，答题时容易忽略通气、搅拌协同保障好氧微生物代谢；第二，无法完整解释青霉素分阶段控温的差异化需求，混淆菌体增殖、产物合成适宜温度；第三，梳理工业发酵全流程时，容易跳过多级菌种扩大培养、罐体高压灭菌两大前置关键步骤；第四，区分液态、固态发酵时，普遍忽略固态发酵自动化调控难度高、液态发酵适合大规模量产的核心差异；第五，课堂留给小组模拟工业发酵流程、推演参数调控逻辑的实操讨论时间不足，学生自主工业方案设计、污染防控分析能力训练薄弱。 2 修改措施 课前发放发酵罐部件、工业发酵流程填空预习单，提前铺垫设备、流程基础；课堂压缩教师读图讲解时长，增加 10 分钟小组模拟工业发酵、参数调控推演讨论环节；配套青霉素发酵分阶段控温专项辨析填空训练，强化菌体、产物差异化环境需求逻辑；课后配套发酵罐装置简答、工业发酵流程梳理、液态固态发酵对比三类专项习题，夯实学生工业设备功能描述、完整流程梳理、变量控制逻辑推理综合能力。 学科网（北京）股份有限公司 $