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(shí)情境驅(qū)動(dòng)科學(xué)探究思路,以定量數(shù)據(jù)強(qiáng)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(yùn)用體悟科學(xué)實(shí)踐的社會(huì)價(jià)值,將眾多知識(shí)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(hào)G633. 91文獻(xiàn)標(biāo)志碼B
《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系說(shuō)明》提出:高考評(píng)價(jià)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(jià)值的問(wèn)題情境作為載體,即通過(guò)選取適宜的素材,再現(xiàn)科學(xué)理論產(chǎn)生的場(chǎng)景或是呈現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中的問(wèn)題情境,讓學(xué)生在真實(shí)的背景下發(fā)揮核心價(jià)值的引領(lǐng)作用,運(yùn)用必備知識(shí)和關(guān)鍵能力去解決實(shí)際問(wèn)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(shí)情境應(yīng)用在平時(shí)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(kāi)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(jì)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(guò)觀看視頻“乙醇汽油”,增強(qiáng)節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的意識(shí)。
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(shí)驗(yàn)思路。
③基于真實(shí)的科學(xué)資料,運(yùn)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(guò)設(shè)計(jì)“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(yùn)用所學(xué)知識(shí)來(lái)解決生活中的實(shí)際問(wèn)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(guò)程設(shè)計(jì)
3.1以真實(shí)情境驅(qū)動(dòng)科學(xué)探究的實(shí)驗(yàn)思路
教師播放視頻:相較于普通汽油,乙醇汽油不影響汽車(chē)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(huì)先在實(shí)驗(yàn)室對(duì)發(fā)酵的條件進(jìn)行優(yōu)化。并提出問(wèn)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(huì)影響發(fā)酵結(jié)果?⑤設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),探究種齡、接種量、底物濃度、溫度、pH對(duì)發(fā)酵的影響,寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)思路。
學(xué)生聯(lián)系酵母菌無(wú)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(shí)酵母菌的生長(zhǎng)時(shí)期即種齡也可以影響發(fā)酵結(jié)果。經(jīng)過(guò)充分的討論,學(xué)生能夠?qū)懗鰧?shí)驗(yàn)思路,教師與學(xué)生共同總結(jié)出探究實(shí)驗(yàn)的一般思路包括:自變量分組、無(wú)關(guān)變量控制以及因變量的檢測(cè)。
設(shè)計(jì)意圖:教師以“乙醇燃料發(fā)酵條件優(yōu)化”為切入點(diǎn),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(qiáng)了學(xué)生保護(hù)環(huán)境的社會(huì)責(zé)任感,也為本節(jié)復(fù)習(xí)課勾畫(huà)了主題背景。學(xué)科知識(shí)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(guò)問(wèn)題串引導(dǎo)學(xué)生回憶酵母菌的相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí),又設(shè)置了“探究不同因素對(duì)乙醇發(fā)酵影響”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題,為該真實(shí)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(qiáng)化科學(xué)思維的推理論證
教師展示資料,提出問(wèn)題:微生物培養(yǎng)過(guò)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(duì)數(shù)值為縱坐標(biāo),生長(zhǎng)時(shí)間為橫坐標(biāo)繪制出的曲線稱為生長(zhǎng)曲線(圖2),可用來(lái)描述微生物群體生長(zhǎng)規(guī)律。酵母菌的種群生長(zhǎng)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(shí)間的適應(yīng)。①在A延滯期,種群數(shù)量幾乎沒(méi)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(diǎn)?③從種群的數(shù)量特征角度分析,穩(wěn)定期種群數(shù)量沒(méi)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(guò)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(wèn)題①、②的答案,但是對(duì)種群數(shù)量特征這部分知識(shí)已經(jīng)遺忘。在解決問(wèn)題③、④時(shí),學(xué)生經(jīng)過(guò)充分的討論后,可以得出:由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有限,種內(nèi)斗爭(zhēng)加劇,所以酵母菌數(shù)量沒(méi)有持續(xù)上升;當(dāng)種群出生率等于死亡率時(shí),酵母菌種群數(shù)量維持相對(duì)穩(wěn)定,此時(shí)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(huì)對(duì)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(shí)間后,測(cè)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(shí)驗(yàn)室在繪制生長(zhǎng)曲線時(shí),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(zhǎng)曲線找到該酵母菌的延滯期、對(duì)數(shù)期、穩(wěn)定期所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。②乙醇發(fā)酵時(shí),接入的最適種齡是多少?③若細(xì)胞處于衰亡期,測(cè)定的OD值能否表示培養(yǎng)基中實(shí)際活菌的數(shù)量?為什么?④測(cè)定酵母菌種群數(shù)量的方法除了測(cè)定菌液OD值,還有什么方法?
學(xué)生通過(guò)對(duì)科學(xué)材料的仔細(xì)閱讀,對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)的認(rèn)真分析很容易得出問(wèn)題①、②的答案。問(wèn)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(guò)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(wú)法區(qū)別死菌和活菌。對(duì)問(wèn)題④,學(xué)生經(jīng)過(guò)回憶,提出可以通過(guò)顯微計(jì)數(shù)法直接計(jì)數(shù),也可以通過(guò)稀釋涂布平板法進(jìn)行計(jì)數(shù)。
教師提供資料,提出問(wèn)題:兩個(gè)研究小組分別用顯微技術(shù)法(血細(xì)胞計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù))、稀釋涂布平板法對(duì)同一發(fā)酵液的發(fā)酵過(guò)程中不同時(shí)期的酵母菌種群進(jìn)行計(jì)數(shù),結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者在衰亡期時(shí),測(cè)定的結(jié)果完全不同,請(qǐng)預(yù)測(cè)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(cè)定活菌數(shù),而顯微計(jì)數(shù)法在沒(méi)有染色的情況下,可能會(huì)將活菌和死菌的數(shù)量全部統(tǒng)計(jì)進(jìn)去,所以會(huì)導(dǎo)致顯微計(jì)數(shù)法測(cè)得的菌種數(shù)量偏大。
設(shè)計(jì)意圖:學(xué)生通過(guò)對(duì)科學(xué)材料的閱讀、關(guān)鍵信息的提取,實(shí)現(xiàn)了對(duì)情境背后種群的相關(guān)知識(shí)要點(diǎn)的回顧,同時(shí)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(kāi)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(jì)數(shù)的知識(shí)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(duì)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(shí)證據(jù)結(jié)合所學(xué)知識(shí)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(lái)設(shè)置,這些情境具有遞進(jìn)的關(guān)系。最后一個(gè)資料繼續(xù)挖掘酵母菌計(jì)數(shù)的兩種方法的相關(guān)知識(shí),要求學(xué)生能夠準(zhǔn)確說(shuō)出兩種微生物計(jì)數(shù)方法的區(qū)別,從實(shí)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(shí)驗(yàn)室通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出接種量、底物濃度、溫度、初始pH對(duì)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(guò)高對(duì)乙醇產(chǎn)量有什么影響?為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的變化?
學(xué)生很難直接得出問(wèn)題②的答案,但經(jīng)過(guò)討論,可以聯(lián)想到前期酵母菌繁殖消耗大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),后期可以用于產(chǎn)乙醇的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不足。解決問(wèn)題③時(shí),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(guò)高,導(dǎo)致細(xì)胞失水,代謝速率下降,乙醇濃度降低。
設(shè)計(jì)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(shí),思考圖中曲線變化的原因,促成高中生物知識(shí)的融會(huì)貫通,學(xué)生在解開(kāi)迷思的過(guò)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(yùn)用體悟科學(xué)實(shí)踐的社會(huì)價(jià)值
教師提供資料:中國(guó)人多地少,糧食安全的壓力長(zhǎng)期存在,以玉米等糧食作物作為生物燃料的來(lái)源則會(huì)出現(xiàn)“與人爭(zhēng)糧,與糧爭(zhēng)地”的現(xiàn)象。我們不可能以犧牲糧食安全為代價(jià)來(lái)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(wú)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(wèn)題?
學(xué)生經(jīng)過(guò)討論后提出了多種想法:(1)通過(guò)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(guò)思考后提出,可以利用誘變育種的方式來(lái)進(jìn)行篩選,但這種方法成功率比較低。
設(shè)計(jì)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(wèn)題。學(xué)生在體會(huì)到知識(shí)融合的樂(lè)趣的同時(shí),還以造福人類的態(tài)度和價(jià)值觀,參與社會(huì)問(wèn)題的討論,增強(qiáng)了社會(huì)責(zé)任,并感受到學(xué)以致用的成就感。
4評(píng)價(jià)與反思
在進(jìn)行主題式情境教學(xué)時(shí),教師需要注重情境的現(xiàn)實(shí)性與拓展性。對(duì)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(wèn)、驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(duì)現(xiàn)實(shí)科學(xué)問(wèn)題的深度思考與社會(huì)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(shū)面化的語(yǔ)言對(duì)科學(xué)問(wèn)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(shí)且復(fù)雜的情境資料,另一方面通過(guò)設(shè)置由淺入深、層層遞進(jìn)的問(wèn)題,幫助學(xué)生找到已有知識(shí)和待解決問(wèn)題的橋梁,喚醒學(xué)生注重學(xué)習(xí)積累與應(yīng)用知識(shí)的意識(shí),提高知識(shí)遷移和應(yīng)用能力。