施慶濤

摘要 針對新疆在發(fā)展中遇到的尋找草原替代物以發(fā)展畜牧業(yè)的問題，由內(nèi)高班學(xué)生與本地學(xué)生組成小組，通過查閱文獻(xiàn)、訪談?wù){(diào)查說明棉花秸稈飼料化的意義、限制因素，結(jié)合發(fā)酵工程、生態(tài)工程相關(guān)知識以及相關(guān)資料嘗試解決棉稈飼料化利用難題，并介紹新疆實踐應(yīng)用情況。本設(shè)計在解決實際問題的過程中，既能提升學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究能力，又能促進(jìn)內(nèi)高生更加關(guān)心家鄉(xiāng)發(fā)展，增強本地生對新疆的了解，發(fā)展社會責(zé)任素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 秸稈 飼料 微生物 復(fù)習(xí)課

中圖分類號G633. 91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B

潞河中學(xué)是全國首批承辦內(nèi)地新疆高中班（以下簡稱內(nèi)高班）的學(xué)校，內(nèi)高班學(xué)生愿意嘗試用所學(xué)知識解決家鄉(xiāng)人民現(xiàn)實中的問題。近年，作為全國第二大牧區(qū)的新疆維吾爾自治區(qū)（以下簡稱新疆）一直在貫徹落實“新發(fā)展理念”，走“兩個可持續(xù)”發(fā)展之路，因此，天然草原的生態(tài)功能得到強化，而畜牧業(yè)生產(chǎn)功能則被弱化。尋找草原替代物成為了發(fā)展新疆畜牧業(yè)的一項重要任務(wù)，而農(nóng)作物的秸稈就是最好的替代物。加大開發(fā)利用秸稈資源，對減少環(huán)境污染、發(fā)展農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)、增加農(nóng)民收入有重大意義。

潞河中學(xué)每個生物教學(xué)班內(nèi)約10名內(nèi)高班學(xué)生（以下簡稱內(nèi)高生）。以新疆棉花秸稈（以下簡稱棉稈）飼料化作為高三復(fù)習(xí)課的單元教學(xué)背景，由內(nèi)高生與本地學(xué)生組成小組，運用發(fā)酵工程、生態(tài)工程相關(guān)知識嘗試解決這一現(xiàn)實問題，既能落實新課程標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)學(xué)生“認(rèn)識到生物學(xué)在堅持人與自然和諧共處……等方面的重要貢獻(xiàn)……善于從實踐的層面探討或嘗試解決現(xiàn)實生活問題;具有開展生物學(xué)實踐活動的意愿和社會責(zé)任感”的課程目標(biāo)，又能發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 對教學(xué)內(nèi)容的分析

解決現(xiàn)實社會中存在的實際問題，不僅需要學(xué)生具備科學(xué)思維、技術(shù)思維，更需要具備工程學(xué)思維。面對秸稈飼料化利用這一現(xiàn)實問題，教師引導(dǎo)學(xué)生從以下幾個問題角度思考：是否應(yīng)當(dāng)進(jìn)行農(nóng)作物秸稈的飼料化利用（新疆農(nóng)作物秸稈利用現(xiàn)狀如何、哪種秸稈具有飼料化利用的潛力、飼料化利用與現(xiàn)有利用方式的利弊）？限制飼料化利用的因素是什么？如何進(jìn)行飼料化利用？飼料化利用是否有成功的案例？除了飼料化利用還有沒有其他有益的利用途徑？在這些問題中，與科學(xué)思維高度相關(guān)的，應(yīng)該是“如何進(jìn)行飼料化利用”。

2 教學(xué)活動的組織

內(nèi)高生與本地學(xué)生組成4個小組，領(lǐng)取不同的問題（如何進(jìn)行飼料化利用這個問題留待課上解決）。內(nèi)高生通過訪談、調(diào)查問卷等方式，了解自己家鄉(xiāng)的情況;本地學(xué)生主要負(fù)責(zé)文獻(xiàn)資料查閱，在對上述問題進(jìn)行回答的過程中尋找、設(shè)計解決方案。

2.1 新疆農(nóng)作物秸稈飼料化利用的現(xiàn)狀和意義

2.1.1 新疆農(nóng)作物秸稈利用現(xiàn)狀

第一組調(diào)查發(fā)現(xiàn)：新疆有556.8萬ha耕地播種面積，秸稈資源量巨大。新疆2015年秸稈總量近3 000萬t，棉稈占到了秸稈產(chǎn)量的1/3左右。據(jù)第一次全國農(nóng)業(yè)污染源普查結(jié)果（2010年），新疆農(nóng)作物秸稈飼料化利用占總量53.04%，但主要是玉米和小麥的秸稈，棉稈的飼料化利用尚未大規(guī)模推廣。學(xué)生還調(diào)查到，農(nóng)民中選擇將棉稈“直接粉碎還田”的占絕大多數(shù)（大于70%），少數(shù)選擇“焚燒”或“廢棄”，二者總比例達(dá)到近90%?？梢?，新疆棉稈利用潛力巨大。

2.1.2棉稈飼料化利用的意義

秸稈還田可以增加土壤通透性，提高土壤肥力，節(jié)省空間。但是也有部分學(xué)者認(rèn)為秸稈還田后為病原菌的生長與繁殖提供了有利的環(huán)境，使病原菌初始菌源量增加，病害加重。

學(xué)生經(jīng)調(diào)查、訪談得出種植棉花的投入與產(chǎn)出（表1）?？梢?，棉稈直接還田在一定程度上影響了農(nóng)民的收入。

棉稈飼料化利用，既可以過腹還田，仍然可以提高土壤肥力，且能減輕病蟲害;又可以緩解飼料短缺的問題，從而帶來更好的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

2.2 棉稈飼料化利用的限制因素

第二組經(jīng)文獻(xiàn)查閱、訪談?wù){(diào)查，發(fā)現(xiàn)：與玉米、水稻、小麥秸稈相比，棉稈飼料化利用的制約因素主要是棉稈中的游離棉酚對動物具有一定的毒性，會導(dǎo)致動物生長受阻、繁殖力下降，甚至導(dǎo)致死亡;而且棉稈中的纖維素含量很高，木質(zhì)化程度高，適口性差，消化率低。

學(xué)生還發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)農(nóng)戶希望對棉稈進(jìn)行利用，并希望通過對棉稈的利用降低自身農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的成本，但并未在實際中對棉稈加以較深程度的資源化利用。主要原因是農(nóng)戶并不具備更高階段的棉稈資源化利用所必備的科學(xué)技術(shù)支撐。此外，農(nóng)戶的社會觀念，如環(huán)保教育、政策導(dǎo)向也在一定程度上限制了棉稈的飼料化利用。

2.3 棉稈飼料化利用的方法

學(xué)生認(rèn)識到，棉稈的飼料化利用，除了受農(nóng)戶的觀念、當(dāng)?shù)卣叩纫蛩赜绊懲?，還需要解決技術(shù)問題。于是，課堂教學(xué)就聚焦于如何解決棉稈飼料化利用過程中的技術(shù)問題。

2.3.1 菌種的獲取、分離、鑒定

學(xué)生在高二時，對纖維素分解菌的分離和鑒定有一定的了解，首先想到了如何降低纖維素的含量。在教師引導(dǎo)下，學(xué)生以纖維素分解菌菌種的獲取、分離、選擇及鑒別培養(yǎng)，復(fù)習(xí)發(fā)酵工程相關(guān)知識：培養(yǎng)基的配制、滅菌方法的選擇、接種方法的選擇、對照平板的設(shè)置的目的及處理方法（陰性對照、陽性對照、平行重復(fù)等）、培養(yǎng)條件的控制、雜菌的篩選、分解能力強的目的菌株的篩選（教師提供資料）。通過這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)、討論，學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究能力得到進(jìn)一步提升。

學(xué)生通過以上步驟，得到了相應(yīng)的菌株，認(rèn)為大功告成了。此時，教師提供不同細(xì)菌的生長狀況資料。學(xué)生分析資料，體會到透明圈與菌落直徑的比值并不是菌株篩選的唯一依據(jù)，從而培養(yǎng)批判性思維。學(xué)生繼續(xù)思考其他的依據(jù)，如酶活的高低，并借鑒“亞硝酸鹽含量測定”的方法來測定酶活，練習(xí)知識遷移、應(yīng)用能力。

以上為第一課時的內(nèi)容。課后，教師引導(dǎo)學(xué)生借鑒第一課時的思路，以小組為單位，通過查閱文獻(xiàn)，設(shè)計方案，降低棉稈中的棉酚含量。

在第二課時中，學(xué)生經(jīng)討論認(rèn)為，相較于物理、化學(xué)方法，生物發(fā)酵法更適合用于降低棉酚含量。加之，教師建議學(xué)生借鑒第一課時的思路，所以所有的小組方案均是獲取棉酚分解菌。課上，各組介紹本組實驗方案，并討論實驗方案的優(yōu)缺點。

2.3.2 確定合適的菌種混合比例

得到棉酚分解菌、纖維素分解菌后，學(xué)生經(jīng)討論，認(rèn)為應(yīng)當(dāng)將不同的菌種混合使用，以取得更好的棉稈發(fā)酵效果。教師出示科研人員將不同菌種按照不同比例混合，進(jìn)行棉稈發(fā)酵實驗的結(jié)果。學(xué)生依據(jù)樣品中游離棉酚的含量粗纖維含量等指標(biāo)挑選出合適的菌種混合比例。

2.4 實踐檢驗

第三組學(xué)生介紹科研人員的小規(guī)模實驗結(jié)果以及新疆大規(guī)模實踐案例。

2.4.1 小規(guī)模實驗

科研人員分析產(chǎn)朊假絲酵母復(fù)合制劑在棉稈發(fā)酵應(yīng)用中的檢測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)棉秸稈發(fā)酵飼料感官評分、游離棉酚、粗纖維含量均顯著下降，粗蛋白質(zhì)含量均顯著提升。

科研人員以棉稈微生物發(fā)酵飼料對同群荷斯坦育成牛進(jìn)行的飼喂試驗，發(fā)現(xiàn)：試驗組牛增重快、毛色光亮，未發(fā)現(xiàn)不良反應(yīng);適口性好，采食量大，飼喂效果好，經(jīng)濟(jì)效益明顯（試驗組牛頭日增重0.88 kg，比對照組牛頭日增重的0.58 kg多增重0.3 kg，2個月累計每頭牛多增18 kg，可多收入500元左右）。

2.4.2 大規(guī)模實踐

學(xué)生查閱資料，得知：某公司以加工棉稈的形式緩解飼料周期性短缺的現(xiàn)狀，激發(fā)了農(nóng)戶養(yǎng)殖積極性，提高了農(nóng)戶家庭經(jīng)濟(jì)狀況;某公司通過微生物發(fā)酵技術(shù)、棉稈脫毒技術(shù)，將棉花、辣椒及番茄等農(nóng)作物的副產(chǎn)品加工成商品草和精飼料等，并銷售給養(yǎng)殖戶，在一定程度上通過本地傳統(tǒng)農(nóng)作物廢棄物的再利用緩解了地區(qū)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展中飼草料不足的現(xiàn)狀。

2.5 棉稈的其他利用途徑

第四組介紹新疆進(jìn)行棉稈基料化、能源化、原料化的現(xiàn)狀及存在的一些問題。學(xué)生認(rèn)識到現(xiàn)實問題的復(fù)雜性，嘗試從不同角度思考問題。

最后，教師設(shè)置問題：部分農(nóng)村地區(qū)牛羊飼養(yǎng)量少，而雞飼養(yǎng)量大，棉稈飼料化是否可用于養(yǎng)雞？如何利用？教師以此開放性問題開拓學(xué)生思維，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神，并為后續(xù)的基因工程復(fù)習(xí)課埋下伏筆。

3 總結(jié)與反思

本單元的教學(xué)利用科研人員的科研資料以及學(xué)生的調(diào)查資料，設(shè)計“以解決問題為中心”的教學(xué)過程，設(shè)置一個真實的情境——新疆棉稈飼料化利用不足，而新疆的飼料又面臨短缺，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和求知欲;引導(dǎo)學(xué)生從情境中發(fā)現(xiàn)一個真實的生物學(xué)問題——棉稈飼料化利用的制約因素。圍繞這一問題，結(jié)合教師及同學(xué)提供的資料，學(xué)生調(diào)動已有知識、方法，最終形成解決問題的方法。學(xué)生通過實踐應(yīng)用成果，認(rèn)識到生物學(xué)知識在生產(chǎn)實踐中的作用;與同學(xué)一起探討棉稈利用的其他途徑，以提供解決問題的可能的、更好的思路和方法。本單元教學(xué)的情境設(shè)置貼近學(xué)生的現(xiàn)實生活，尤其是在學(xué)校有內(nèi)高生的情況下，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。同時，學(xué)生通過本單元的學(xué)習(xí)，能夠?qū)W會因地制宜解決問題，能夠認(rèn)識到保護(hù)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系，思考農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)（農(nóng)業(yè)廢棄物資源化）與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)系，思考如何運用生物學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)規(guī)律來指導(dǎo)生產(chǎn)活動，從而樹立可持續(xù)發(fā)展的意識，提升社會責(zé)任素養(yǎng)。

通過本單元的學(xué)習(xí)，學(xué)生既能夠鞏固知識，又能將所學(xué)知識用于解決現(xiàn)實生活中的問題。此過程提升了學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究能力，促進(jìn)內(nèi)高生更加關(guān)心家鄉(xiāng)發(fā)展，增強本地生對新疆的了解，發(fā)展了社會責(zé)任素養(yǎng)。

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