上海市第十中学课堂教学设计

课题：获得纯种微生物是发酵工程的基础

上海市第十中学  傅文杰

一、单元内容分析

1.     单元简介

本单元“发酵工程”出自上海科学技术出版社高中年级生物学教材选择性必修3第1章——发酵工程。本单元包括第1节“获得纯种微生物是发酵工程的基础”和第2节“发酵工程为人类提供多样化生物产品”两部分内容。根据《课程标准》教学提示中提出的活动要求，结合实际课时，本章安排了5个学生实验和1个学生活动。具体见表1-2。

发酵是微生物特有的现象。几千年前，人类就利用发酵来酿制酒类，制作酱油、泡菜等食品。发酵工程则通过现代工程技术手段大规模培养微生物，利用微生物的生理代谢来生产有用物质。现代发酵的形式不断多样化，发酵产品也不断涌现，如氨基酸、抗生素、酶制剂等。本章随着传统发酵与发酵工程话题的展开，引领学生走进发酵工程的世界，了解微生物的生长条件和营养需求，通过微生物实验学会分离、纯化目标微生物的方法，探索微生物工业化发酵的调控过程，深人了解发酵产品的应用。通过本章的学习，学生应能结合生活或生产中的发酵实例，基于相关的生命观念，用科学思维方法阐释发酵工程的基本原理和过程，并能关注发酵工程的发展以及发酵产品的生产和应用，尝试提出初步的工程学构想，设计和制作发酵食品。

2.     单元目标

         《课程标准》关于本章的学业要求是学生应该能够：结合生活或生产实例，举例说出发酵工程的基本原理；针对人类生产或生活的某一需求，在发酵工程中选取恰当的技术和方法，尝试提出初步的工程学构想，进行简单的设计和制作；面对日常生活或社会热点话题中与生物技术和工程有关的话题，基于证据运用生物学基本概念和原理，就生物技术与工程的安全与伦理问题表明自己的观点并展开讨论。对此，教材从以下几个方面进行落实。

（1）生命观念：通过第1节的学习，学会运用物质与能量观、结构与功能观等生命观念，阐释微生物培养基配方的设计依据，并能在新的问题情境中，选择运用不同类型的培养基分离和纯化目标菌种。通过第2节的学习，能以生命观念为指导，阐释微生物大规模发酵的调控过程，以及微生物发酵获得特定发酵产品的原理。

（2）科学思维：通过探究·实验1一2“酵母的分离和纯化"，能基于实验现象，归纳和概括平板划线法和稀释涂布平板法的实验结果丰通过探究·实验1一4“果酒和果醋的制作”和探究．实验1_5“酸奶的制作"，基于微生物的生命活动这一生物学事实，运用归纳和概括、演绎和推理等科学思维方式，阐释发酵工程的原理和调控过程，并通过对发酵工程产品的学习和了解，论述发酵工程与社会发展之间的关系。

（3）科学探究：通过探究·实验1一1“酵母浸粉胨葡萄糖培养基的配制”、探究．实验1一2“酵母的分离和纯化”和探究·实验1_3“土壤中分解尿素细菌的分离与计数”，学会熟练、规范地运用微生物实验方法进行微生物的分离、纯化和计数，如实记录实验数据。通过探究．实验1一4“果酒和果醋的制作”和探究．实验1一5“酸奶的制作”，能够按照实验步骤正确操作，并进行观察、收集数据，得出结论，并能够根据日常生活和生产中的真实情境，查阅相关资料，设计恰当可行的方案。

（4）社会责任：通过制作果酒、果醋、酸奶等传统发酵食品，了解传统发酵技术及其运用，在此基础上进一步学习现代发酵技术的原理和过程，关注发酵技术的发展历程、发酵工程与人类生产生活的联系，并主动关注发酵工程产品在医药、食品等领域的应用。

本单元的教学目标具体可以列为：

（1）   列举发酵工程不同发展阶段的发酵产品及其生产工艺，结合生活和生产中微生物发酵的实例，阐明发酵工程的原理，认识获取纯种微生物是发酵工程的关键。

（2）   能运用物质与能量观、结构与功能观等生命观念，设计合适的培养基，选用合适的方法分离和纯化目标微生物，并能运用归纳和概括等科学思维方式阐释发酵工程的调控过程。

（3）   能够针对特定情境提出可探究的生物学问题，对发酵技术在生产生活中的运用提出构想。

3.单元结构

本章分为两节，第1节阐述纯净的微生物培养物在发酵工程中的重要性及其制备方法，第2节阐述了发酵技术的发展和发酵过程的调控，列举了多种在各领域广泛应用的发酵产品。发酵工程是利用微生物的特定功能生产人类所需目标产物的技术，其建立和发展过程中有两个重要标志，即微生物纯培养技术的出现和大规模自动化发酵技术的建立。发酵工程中只有拥有了良好的菌种，才有可能通过改进发酵工艺和设备得到理想的发酵产品。因此，第1节和第2节主要就获取纯种微生物和发酵过程调控两个环节展开，两节内容既相对独立，又前后联系，可以较为全面认识和了解发酵工程。

二、教学内容分析

1.     教学内容

本课时获得纯种微生物是发酵工程的基础教学主要内容有“什么是发酵？”“什么是发酵工程？”“微生物的生长需要什么条件呢？”“不同的微生物使用的培养基是否相同？”四个主要问题组成。在本节课的教学设计中通过对这四个问题的层层递进的分析和思考，将“发酵”这一日常生活中常见的概念通过科学的方式重新描述，帮助学生重新认识“发酵”是什么，在生物学里它的重要作用等。在问题的解答过程中逐渐引入本节课的核心概念和相关生物学事实，将丰富的知识串联在一起，促进学生的统一理解和进一步学习。

教材分4目，从培养基的用途、类型到无菌技术的介绍，再到分离和纯化微生物常用的方法，最后介绍如何间接了解微生物的生长状况。而本节课的教学内容聚焦在第1目：培养基为微生物提供所需营养物质。以维生素B2发酵的一种培养基配方为例，说明微生物生长所需的营养物质，进而说明可根据不同微生物的特点及实验目的设计或选用合适的培养基，最后根据不同的分类依据说明不同培养基的特点和作用。

2.     地位作用

本课时的教学内容是本章节的第一部分，是后续学习的基础。学生在理解什么是发酵和发酵工程的基础上，才能在后续的学习过程中进一步学习在发酵过程中的无菌技术及其重要意义；也需要在学习和理解微生物生存所必须的营养物质类型的基础上，进一步理解培养基的组成和分类是需要根据培养微生物的所需营养和生活方式来选择和配置不同的培养基；进而运用平板划线法和稀释涂布平板法进行微生物的分离和纯化，并进行微生物数量的测定。可以说这一课时内容是本单元的基石。

三、学生学情分析

1.     学生的相关学习经验

学生在过去的学习过程中已经对生物新陈代谢的类型有较为充分的认识，能够较好的辨析同化作用和异化作用的概念并对不同生物的新陈代谢类型进行辨析。同时学生也已经学习和多轮复习细胞结构的相关内容，对单细胞生物的基本结构和生活方式等有了较为全面的认识；但是学生对于“工程”的概念较为陌生，对于理论和实际生产实践之间的隔阂不能很好的理解，在对于技术的理解上存在“课本上说”的天真理解，这对于选择性必修3的整册教材的学习都是一个巨大的难点，而相对基础和便于理解的发酵工程需要为学生后续的学习打下基础，帮助学生逐渐理解和认识到“工程”是什么。                                           

2.学生可能遇到的学习困难

对不同的微生物生长所需的相同营养物质和不同的营养物质获取渠道的辨析；对培养基的作用和类型的辨析；如何利用合适的选择培养基，有目的地培养某种微生物的方式。

四、教学目标

1.归纳和概括微生物所需营养物质和生长条件，进一步形成结构与功能等生命观念。

2.了解培养基的中各物质提供的营养物质，并能基于上述生命观念设计合适的培养基，有目的地培养纯种微生物。

五、教学重点和难点

重点：1.培养基为微生物提供所需营养物质，包含碳源、氮源、生长因子、无机盐和水。

2.培养基的分类。

难点：利用合适的选择培养基，有目的地培养某种微生物。

六、教学策略分析

1.  情境创设：创设与发酵有关的现实问题情境，让学生在情境中发现和认识与发酵有关的产品，进而引出微生物，探讨纯种微生物及其获取方法。利用网红“臭物”——鲱鱼罐头和蓝纹奶酪，帮助学生理解发酵的概念。利用抗生素作为导入情境。抗生素是一类人们熟知的抗菌药物，很多人可能知道青霉素、链霉素等几种主要的抗生素，但并不清楚它们是怎么获得的。沿着“抗生素的作用乛抗生素的来源，即生产菌种乛如何大量获取抗生素乛获得纯种微生物可以保证发酵的质量乛如何获得纯种微生物”这一思路说明获得纯净的微生物培养物是研究和应用微生物的前提，也是发酵工程的基础。

问题探究，设置“问题链”：通过“什么是发酵？”“什么是发酵工程？”“微生物的生长需要什么条件呢？”“不同的微生物使用的培养基是否相同？”四个层层递进的主要问题构建课堂的教学结构和体系，引导学生有条理的踏入发酵的知识体系中，找到最初的抓手，有方向有条理的开始探究学习。在4个大问题之下又设置若干小问题，例如“辨析①天然培养基②合成培养基，认识“牛肉膏”和“高氏1号”培养基”和“通过图示和比较，总结选择培养基配置的‘投其所好’和 ‘取其所抗’”等问题，进一步将一个大问题进行拆分，给予学生更加详细、具体的落脚点。最后留下课后探究问题：“从餐厨垃圾中分离具有高效降解能力的微生物，并制成菌制剂，用于餐厨垃圾高效无害化处理。”使学生将本节课的学习知识进行学以致用，初步走向“理论运用于实践”的路途上，并为后续的教学留下豁口，做好铺垫。

七、教学过程设计

八、课堂学习评价

情景分析：我校研究小组在学习了垃圾分类处理对于建立环境友好型社会的作用后，拟从餐厨垃圾中分离具有高效降解能力的微生物，并制成菌制剂，用于餐厨垃圾高效无害化处理。

设计实验如下：

    步骤一：取一定量的餐厨垃圾样品，筛除大块杂质后，装入无菌袋中密封，备用。

    步骤二：配制用于培养菌种的培养基，配方如下：

    步骤三：制备样品稀释液，并将不同浓度的样品稀释液涂布于平板培养基表面进行培养，48h后观察结果。培养后，培养基上长出了35个菌落，进行判断后确定是20种不同的菌种

    步骤四：对20种菌种进行分离纯化。为了比较这些菌种对餐厨垃圾的降解效果，分别配制含有餐厨垃圾主要成分（淀粉、蛋白质、脂肪和纤维素）的培养基，分别用于测定各菌种对其主要成分的降解效果，并进行测定。图表示其中4种菌种（X1-X4）在淀粉培养基上的培养结果，表为这四种菌的测定结果。备注：降解系数（D/D₀）越大，降解效果越明显。

1.根据配方可知，该培养基属于      培养基。

2.根据表中数据判断，降解餐厨垃圾能力最强的菌种是______________。

上海市第十中学教导处

2023.12