董清 王美娟

摘要以“酵母菌”為載體，“乙醇燃料發(fā)酵條件優(yōu)化”為主線，以真實情境驅(qū)動科學(xué)探究思路，以定量數(shù)據(jù)強化科學(xué)思維的推理論證，以變式訓(xùn)練深入科學(xué)原理的本質(zhì)內(nèi)核，以模擬運用體悟科學(xué)實踐的社會價值，將眾多知識與主題情境融合，以期為高三的二輪復(fù)習(xí)提供可行路徑。

關(guān)鍵詞 主題式情境 二輪復(fù)習(xí) 乙醇燃料 酵母菌

中圖分類號G633. 91文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

《中國高考評價體系說明》提出：高考評價體系中“一核”即高考的核心功能之一是引導(dǎo)教學(xué)；“四層”即考查內(nèi)容和“四翼”即考查要求，要以充分體現(xiàn)核心價值的問題情境作為載體，即通過選取適宜的素材，再現(xiàn)科學(xué)理論產(chǎn)生的場景或是呈現(xiàn)現(xiàn)實中的問題情境，讓學(xué)生在真實的背景下發(fā)揮核心價值的引領(lǐng)作用，運用必備知識和關(guān)鍵能力去解決實際問題，全面綜合展現(xiàn)學(xué)科素養(yǎng)水平。這就要求一線教師將真實情境應(yīng)用在平時的教學(xué)中，但在常規(guī)的課堂中，情境往往淪為教學(xué)導(dǎo)入中激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的手段。于是，筆者根據(jù)《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》，充分挖掘情境，利用主題式情境教學(xué)，展開了以“乙醇燃料發(fā)酵條件優(yōu)化”為主線的“酵母菌專題”高三二輪復(fù)習(xí)教學(xué)。主題式情境教學(xué)是指圍繞某一生物學(xué)主題進(jìn)行教學(xué)，創(chuàng)設(shè)主題鮮明、貫穿課堂始終的、具體可感知的教學(xué)情境，并設(shè)計一系列由淺至深、進(jìn)階式的學(xué)習(xí)任務(wù)，促使學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)落地的教學(xué)模式。

1教學(xué)目標(biāo)

①通過觀看視頻“乙醇汽油”，增強節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的意識。

②基于討論“哪些因素可以影響乙醇燃料發(fā)酵？”，進(jìn)行科學(xué)探究并描述實驗思路。

③基于真實的科學(xué)資料，運用歸納和概括獲取有用信息，從現(xiàn)象與本質(zhì)的聯(lián)系觀角度探索原因，總結(jié)出乙醇燃料發(fā)酵的最優(yōu)條件。

④通過設(shè)計“利用秸稈等廢棄物作為原料生產(chǎn)燃料乙醇”的生產(chǎn)工藝，嘗試綜合運用所學(xué)知識來解決生活中的實際問題。

2教學(xué)環(huán)節(jié)

“酵母菌專題”教學(xué)環(huán)節(jié)如圖1所示。

3教學(xué)過程設(shè)計

3.1以真實情境驅(qū)動科學(xué)探究的實驗思路

教師播放視頻：相較于普通汽油，乙醇汽油不影響汽車性能且更環(huán)保。傳統(tǒng)的乙醇燃料生產(chǎn)通常以淀粉類植物為原料，利用微生物進(jìn)行發(fā)酵，蒸餾提純后，最終形成乙醇燃料。在進(jìn)行工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)前，工廠通常會先在實驗室對發(fā)酵的條件進(jìn)行優(yōu)化。并提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考：①利用什么微生物進(jìn)行乙醇燃料發(fā)酵？②關(guān)于酵母菌，你了解多少？③淀粉屬于哪類物質(zhì)？酵母菌能夠直接利用淀粉嗎？為什么嗎？④可能有哪些因素會影響發(fā)酵結(jié)果？⑤設(shè)計實驗，探究種齡、接種量、底物濃度、溫度、pH對發(fā)酵的影響，寫出實驗思路。

學(xué)生聯(lián)系酵母菌無氧呼吸的反應(yīng)式，提出底物濃度、溫度、pH可以影響發(fā)酵結(jié)果。教師進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)后，學(xué)生還提出接種量、接種時酵母菌的生長時期即種齡也可以影響發(fā)酵結(jié)果。經(jīng)過充分的討論，學(xué)生能夠?qū)懗鰧嶒炈悸?，教師與學(xué)生共同總結(jié)出探究實驗的一般思路包括：自變量分組、無關(guān)變量控制以及因變量的檢測。

設(shè)計意圖：教師以“乙醇燃料發(fā)酵條件優(yōu)化”為切入點，使學(xué)生了解了乙醇汽油的使用比普通的化石燃料更環(huán)保，增強了學(xué)生保護(hù)環(huán)境的社會責(zé)任感，也為本節(jié)復(fù)習(xí)課勾畫了主題背景。學(xué)科知識是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的必要基礎(chǔ)，因此，教師繼續(xù)通過問題串引導(dǎo)學(xué)生回憶酵母菌的相關(guān)的基礎(chǔ)知識，又設(shè)置了“探究不同因素對乙醇發(fā)酵影響”的實驗設(shè)計問題，為該真實情境任務(wù)的貫穿課堂始終做鋪墊，從而促使學(xué)生整節(jié)課持續(xù)性地投入學(xué)習(xí)。

3.2以定量數(shù)據(jù)強化科學(xué)思維的推理論證

教師展示資料，提出問題：微生物培養(yǎng)過程中，把少量純種單細(xì)胞接種到一定液體培養(yǎng)基中，適宜條件下，以細(xì)胞數(shù)目的對數(shù)值為縱坐標(biāo)，生長時間為橫坐標(biāo)繪制出的曲線稱為生長曲線（圖2），可用來描述微生物群體生長規(guī)律。酵母菌的種群生長曲線可分為A延滯期（適應(yīng)期）、B指數(shù)期、C穩(wěn)定期和D衰亡期。延滯期的細(xì)胞由于剛進(jìn)入新的環(huán)境，細(xì)胞中缺乏分解底物的酶以及相關(guān)的中間代謝產(chǎn)物，因此需要一段時間的適應(yīng)。①在A延滯期，種群數(shù)量幾乎沒有發(fā)生變化的原因是什么？②從曲線變化看，指數(shù)期的細(xì)胞數(shù)量變化有什么特點？③從種群的數(shù)量特征角度分析，穩(wěn)定期種群數(shù)量沒有持續(xù)上升的原因是什么？④衰亡期種群數(shù)量出現(xiàn)了相應(yīng)變化的原因是什么？

通過認(rèn)真閱讀材料結(jié)合曲線圖分析，學(xué)生能夠很快得出問題①、②的答案，但是對種群數(shù)量特征這部分知識已經(jīng)遺忘。在解決問題③、④時，學(xué)生經(jīng)過充分的討論后，可以得出：由于營養(yǎng)物質(zhì)有限，種內(nèi)斗爭加劇，所以酵母菌數(shù)量沒有持續(xù)上升；當(dāng)種群出生率等于死亡率時，酵母菌種群數(shù)量維持相對穩(wěn)定，此時種群數(shù)量達(dá)到K值；當(dāng)處于衰亡期，培養(yǎng)基消耗殆盡，細(xì)胞代謝廢物積累，pH下降導(dǎo)致酵母菌種群下降。

教師提供資料，引導(dǎo)學(xué)生思考：研究表明接入不同種齡的等量酵母菌也會對最終乙醇的產(chǎn)量有影響，分別接種不同種齡的等量酵母菌液，發(fā)酵相等時間后，測定其乙醇含量如圖（圖3）。不同濃度的菌液或溶液的吸光度（OD值）不同，一定范圍內(nèi)，菌液中菌體數(shù)量越多或溶液的濃度越大、顏色越深，OD值越大。實驗室在繪制生長曲線時，一般用OD值表示菌液中菌體數(shù)量作為縱坐標(biāo)。①根據(jù)生長曲線找到該酵母菌的延滯期、對數(shù)期、穩(wěn)定期所對應(yīng)的時間。②乙醇發(fā)酵時，接入的最適種齡是多少？③若細(xì)胞處于衰亡期，測定的OD值能否表示培養(yǎng)基中實際活菌的數(shù)量？為什么？④測定酵母菌種群數(shù)量的方法除了測定菌液OD值，還有什么方法？

學(xué)生通過對科學(xué)材料的仔細(xì)閱讀，對科學(xué)數(shù)據(jù)的認(rèn)真分析很容易得出問題①、②的答案。問題③的解答需要學(xué)生分析所給情境資料中OD值的含義。學(xué)生經(jīng)過討論，提出：若細(xì)胞處于衰亡期，由于大部分菌體死亡，而OD值無法區(qū)別死菌和活菌。對問題④，學(xué)生經(jīng)過回憶，提出可以通過顯微計數(shù)法直接計數(shù)，也可以通過稀釋涂布平板法進(jìn)行計數(shù)。

教師提供資料，提出問題：兩個研究小組分別用顯微技術(shù)法（血細(xì)胞計數(shù)板計數(shù)）、稀釋涂布平板法對同一發(fā)酵液的發(fā)酵過程中不同時期的酵母菌種群進(jìn)行計數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者在衰亡期時，測定的結(jié)果完全不同，請預(yù)測可能出現(xiàn)的結(jié)果，出現(xiàn)該結(jié)果的可能原因是什么？

學(xué)生討論后，提出由于稀釋涂布平板法只能測定活菌數(shù)，而顯微計數(shù)法在沒有染色的情況下，可能會將活菌和死菌的數(shù)量全部統(tǒng)計進(jìn)去，所以會導(dǎo)致顯微計數(shù)法測得的菌種數(shù)量偏大。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過對科學(xué)材料的閱讀、關(guān)鍵信息的提取，實現(xiàn)了對情境背后種群的相關(guān)知識要點的回顧，同時幫助了解“種齡”的概念，為后面探究影響乙醇發(fā)酵的最適種齡做鋪墊。教師圍繞“影響乙醇發(fā)酵的因素”開展后續(xù)教學(xué)，一方面需要學(xué)生結(jié)合必修3培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化曲線以及選修1中微生物計數(shù)的知識進(jìn)行分析，還要求學(xué)生能從科學(xué)材料中提取有效信息，并對信息進(jìn)行歸納梳理，旨在讓學(xué)生自身將閱讀提取的事實證據(jù)結(jié)合所學(xué)知識進(jìn)行推理，得出自己的主張。主題式情境教學(xué)注重情境之間的聯(lián)系，所有的子情境必須圍繞主題情境來設(shè)置，這些情境具有遞進(jìn)的關(guān)系。最后一個資料繼續(xù)挖掘酵母菌計數(shù)的兩種方法的相關(guān)知識，要求學(xué)生能夠準(zhǔn)確說出兩種微生物計數(shù)方法的區(qū)別，從實踐出發(fā)，使學(xué)生產(chǎn)生思維沖突，激發(fā)學(xué)生的思考。

3.3以變式訓(xùn)練深入科學(xué)原理的本質(zhì)內(nèi)核

教師展示訓(xùn)練：某工廠實驗室通過實驗得出接種量、底物濃度、溫度、初始pH對乙醇產(chǎn)量的影響（圖4～圖7）。①乙醇發(fā)酵最適溫度和最適pH分別是多少？溫度和pH分別是如何影響乙醇的發(fā)酵產(chǎn)量的？②乙醇發(fā)酵的最適酵母接種量是多少？為什么接種量高，乙醇含量反而低？③酵母菌發(fā)酵的最適底物濃度是多少？葡萄糖含量過高對乙醇產(chǎn)量有什么影響？為什么會出現(xiàn)這樣的變化？

學(xué)生很難直接得出問題②的答案，但經(jīng)過討論，可以聯(lián)想到前期酵母菌繁殖消耗大量營養(yǎng)物質(zhì)，后期可以用于產(chǎn)乙醇的營養(yǎng)物質(zhì)不足。解決問題③時，教師引導(dǎo)學(xué)生從滲透壓的角度思考，學(xué)生就很可以聯(lián)想到由于滲透壓過高，導(dǎo)致細(xì)胞失水，代謝速率下降，乙醇濃度降低。

設(shè)計意圖：該情境的設(shè)置鍛煉了學(xué)生從圖表中有效捕捉科學(xué)信息的能力，但又不局限于圖表。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步結(jié)合必修3與必修1中的相關(guān)知識，思考圖中曲線變化的原因，促成高中生物知識的融會貫通，學(xué)生在解開迷思的過程中也明確了科學(xué)研究中不僅要知其然，更要知其所以然。

3.4以模擬運用體悟科學(xué)實踐的社會價值

教師提供資料：中國人多地少，糧食安全的壓力長期存在，以玉米等糧食作物作為生物燃料的來源則會出現(xiàn)“與人爭糧，與糧爭地”的現(xiàn)象。我們不可能以犧牲糧食安全為代價來發(fā)展能源作物。于是，出現(xiàn)了利用秸稈等廢棄物作為原料生產(chǎn)燃料乙醇的生產(chǎn)工藝。但是，利用傳統(tǒng)的化學(xué)（高溫、酸化）工藝無法很好有效地將纖維素進(jìn)行分解并利用。如何解決傳統(tǒng)發(fā)酵不能有效分解纖維素的問題？

學(xué)生經(jīng)過討論后提出了多種想法：（1）通過基因工程的方法，將纖維素酶基因?qū)虢湍妇?，使酵母菌可以產(chǎn)生分解纖維素的酶；（2）篩選能夠分解纖維素的菌種，然后與酵母菌進(jìn)行混合發(fā)酵。教師引導(dǎo)學(xué)生從育種的角度思考其他方法。學(xué)生經(jīng)過思考后提出，可以利用誘變育種的方式來進(jìn)行篩選，但這種方法成功率比較低。

設(shè)計意圖：該情境的設(shè)置打破課本章節(jié)之間的壁壘，激發(fā)學(xué)生的思維深度，從多角度分析問題。學(xué)生在體會到知識融合的樂趣的同時，還以造福人類的態(tài)度和價值觀，參與社會問題的討論，增強了社會責(zé)任，并感受到學(xué)以致用的成就感。

4評價與反思

在進(jìn)行主題式情境教學(xué)時，教師需要注重情境的現(xiàn)實性與拓展性。對于學(xué)生而言，情境任務(wù)能否激發(fā)興趣、持續(xù)誘發(fā)疑問、驅(qū)動遷移應(yīng)用顯得至關(guān)重要。正如上文的教學(xué)案例，采用學(xué)生一知半解的情境——乙醇汽油，有助于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)他們的學(xué)習(xí)熱忱。案例中的情境資料都圍繞“乙醇汽油的發(fā)酵條件優(yōu)化”這一主題，既便于教學(xué)進(jìn)程的有效鋪展，也能夠促進(jìn)學(xué)生對現(xiàn)實科學(xué)問題的深度思考與社會責(zé)任的涵養(yǎng)。此外，學(xué)生在從復(fù)雜情境或圖表信息中提取有效信息的能力有所欠缺，用書面化的語言對科學(xué)問題進(jìn)行描述的能力更是不足。因此，本節(jié)課一方面從科學(xué)文獻(xiàn)中搜集大量真實且復(fù)雜的情境資料，另一方面通過設(shè)置由淺入深、層層遞進(jìn)的問題，幫助學(xué)生找到已有知識和待解決問題的橋梁，喚醒學(xué)生注重學(xué)習(xí)積累與應(yīng)用知識的意識，提高知識遷移和應(yīng)用能力。