STEM理念下傳統(tǒng)發(fā)酵工程系列實驗項目式教學

宋金艷　馬金剛　呂樂

摘要 以“葡萄酒中優(yōu)勢菌種的分離、純化與鑒定”為例，探討STEM理念下的項目式教學在高中生物學實驗教學中的應(yīng)用。本項目以真實情境為驅(qū)動，引導學生運用生物學知識、技術(shù)和數(shù)學方法，小組合作開展科學探究活動，充分發(fā)揮實驗教學在提升學生核心素養(yǎng)方面的作用。

關(guān)鍵詞 STEM理念項目式教學 葡萄酒 酵母菌

中圖分類號C633. 91 文獻標志碼B

STEM教育最早出現(xiàn)于美國的大學教育中，是科學（science）、技術(shù)（technology）、工程（engineering）和數(shù)學（mathematics）四門學科英文首字母的縮寫，強調(diào)跨學科的融合。倡導以工程設(shè)計過程為主導，以學生的主動實踐為中心，通過合作完成在真實情境中的學習。

下面以人教版高中生物學選修教材中的傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)為基礎(chǔ)，制作葡萄酒，分離純化酵母菌，測定生長曲線，結(jié)合現(xiàn)代基因測序，進行菌種鑒定為例。嘗試運用STEM理念，借助項目式教學的方法，以真實情境作為問題驅(qū)動，通過小組合作學習的方式開展融合各學科知識的項目探究，以期提升學生創(chuàng)新性思維、科學探究、社會責任等學科核心素養(yǎng)。項目探究過程中生成性問題的出現(xiàn)，會引出新的探究項目，因此將按時間順序介紹不同探究階段所確立的問題與項目。

1 前期項目探究

1.1 項目確立背景

葡萄酒中優(yōu)勢菌種的分離、純化與鑒定是選修模塊傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)專題，同時運用微生物的實驗室培養(yǎng)及現(xiàn)代基因工程技術(shù)，完成制作葡萄酒，測定酒精含量，對葡萄酒中的菌種進行培養(yǎng)、分離、純化與測定。嘗試用平板劃線法和稀釋布法進行酵母菌和乳酸菌的分離與純化，顯微鏡計數(shù)法和分光光度計法測定酵母菌種群數(shù)量，建立數(shù)學模型結(jié)束變動規(guī)律，并對菌種進行分子鑒定。這既是對必修內(nèi)容的擴展和應(yīng)用，又是對生物工程和技術(shù)的認識和理解。實踐環(huán)節(jié)是幫助學生達成教學目標的關(guān)鍵，學生自己設(shè)計實踐方案并進行實驗，完成項目學習，能夠?qū)⑸飳W理論與生物技術(shù)進行有機結(jié)合。同時，基因工程、發(fā)酵工程都是生物技術(shù)的重要內(nèi)容，更是高中生物學習的重點與難點，也是高頻考點。課程實驗與理論同時開設(shè)，理論學習后可及時操作驗證，分析實驗結(jié)果后進一步完善實驗方案，理解理論知識，建立生物科學素養(yǎng)的生命觀念、科學探究能力。

1.2 項目目標

小組能夠設(shè)計葡萄酒中優(yōu)勢菌種的分離、純化與鑒定的整體方案，闡明發(fā)酵技術(shù)、基因工程的原理與基本操作程序，實際操作完成制作果酒或泡菜、分離純化菌種、優(yōu)勢菌種的基因組DNA的提取、PCR擴增、基因片段測序等實驗操作，操作方法正確，最終成功完成菌株的鑒定，并進行撰寫報告，相互討論，借助互聯(lián)網(wǎng)和手機的錄像功能，客觀地記錄實驗過程，將實驗過程和實驗結(jié)果在互聯(lián)網(wǎng)上分享，提高思辨能力和全面考慮問題的思維縝密性。通過小組合作探究學習，培養(yǎng)學生團隊合作意識和積極參與探究、熱愛生物科學的情感體驗。

1.3 項目內(nèi)容及任務(wù)分解

在任務(wù)驅(qū)動下，興趣小組查閱了發(fā)酵工程、基因工程與微生物培養(yǎng)的相關(guān)論文，充分交流后，明確：發(fā)酵工程與基因工程的原理;優(yōu)勢菌種的分離、純化、培養(yǎng)與鑒定的技術(shù)？成功制作葡萄酒的條件;優(yōu)勢菌種的分離、純化與鑒定的步驟，并確定了此項目需要的基本技術(shù)支持：傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)、微生物的實驗室培養(yǎng)，PCR擴增、電泳等。

1.4 項目探究過程

高二生物選考兩個班同步開展探究活動的項目小組。利用網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)實驗資資源、實驗過程、數(shù)據(jù)等共享，制定工程計劃，集體討論方案的可行性，在討論中不斷完善方案，促進學生形成科學思維，培養(yǎng)科學探究能力，發(fā)展學生的生物學學科核心素養(yǎng)。

項目流程為：

制作葡萄酒一葡萄酒中酒精含量的測定一葡萄酒中優(yōu)勢菌種的分離與純化一測定酵母菌種群數(shù)量變化一優(yōu)勢菌種的基因組DNA的提取18S—rDNA片段的PCR擴增一基因片段測序，菌株鑒定一成果展示與交流。

2 項目實施

2.1 制作葡萄酒

用己消毒的剪刀將葡萄與果柄貼面處分離，保證葡萄完整，避免葡萄破裂被污染，在涼開水中放入一些面粉，面粉溶液能吸附葡萄表面的灰塵雜質(zhì);再緩慢晃動洗清其表面污垢，保護葡萄表面天然的酵母菌，最后再用涼開水清洗。

發(fā)酵裝置采用運動型瓶蓋飲料瓶、帶進出氣體軟管的發(fā)酵罐與玻璃發(fā)酵瓶。這三種裝置均能很好隔絕外界空氣，并防止微生物入侵。且運動型瓶蓋飲料瓶與普通飲料瓶相比，不用擰松瓶蓋放氣，也能防止空氣進入，來源廣泛，成本低廉，可廣泛用于中學實驗。帶進出氣體軟管的發(fā)酵罐，可直接在排氣管水封中滴加溴麝香草酚藍（BTB）檢測發(fā)酵產(chǎn)物二氧化碳，溶液由藍變綠再變黃，玻璃發(fā)酵罐有出料口，取樣方便。

實驗過程中探究了溫度、有機物等發(fā)酵條件對酒精含量的影響，以及酵母菌無氧呼吸產(chǎn)物的鑒定。其中，人工添加適量的酵母菌和蔗糖組不僅可增強發(fā)酵程度，且隨著接種量增多，發(fā)酵速度變快，發(fā)酵周期會縮短。實踐發(fā)現(xiàn)，500mL葡萄液接種酵母1.0-1.5 g為宜。這樣可保證發(fā)酵充分進行，現(xiàn)象明顯易觀察，且發(fā)酵速度快、周期短，果酒制作易成功。

2.2 不同品種的葡萄釀酒的酒精含量測定

用兩種不同的葡萄酒酒精計測定酒精含量。結(jié)果添加蔗糖組酒精含量更多，陽光青提、釀酒葡萄、玫瑰香、巨峰等不同品種，會影響果酒的顏色與口味，其中相同條件處理的葡萄，釀酒葡萄品種酒精含量更高。

2.3 果酒中優(yōu)勢菌種的分離與純化

酵母菌作為微生物的實驗室培養(yǎng)材料，安全易得，為學生生活中常見菌種。根據(jù)微生物的代謝需求，分析培養(yǎng)基配制的知識，設(shè)計相關(guān)培養(yǎng)程序，對未添加酵母菌組用豆芽汁葡萄糖培養(yǎng)基選擇培養(yǎng)酵母菌，采用稀釋涂平板法和稀釋倒平板法對葡萄酒中的酵母菌進行分離與純化。挑選初步得到了菌株進行簡單染色，顯微鏡觀察菌種形態(tài)并計數(shù)。

選擇培養(yǎng)后，有三角形、大圓形和小圓形三種形態(tài)菌落，再次接種到豆芽汁葡萄糖液體培養(yǎng)基中，30℃、200 rpm，培養(yǎng)2d。重復上述培養(yǎng)以獲得酵母菌純菌株分別進行顯微鏡與電鏡下觀察酵母菌形態(tài)結(jié)構(gòu)及出芽生殖并計數(shù)。在此過程中，學生能夠熟練掌微生物培養(yǎng)與顯微技術(shù)的一般方法，更好地觀察酵母菌菌落、個體的形態(tài)以及出芽生殖現(xiàn)象，同時說明生命活動的維持包括物質(zhì)代謝和能量代謝。

2.3 繪制酵母菌種群數(shù)量變化曲線

采用無菌操作技術(shù)向每個100 mL豆芽汁葡萄糖培養(yǎng)基的三角瓶中試管準確加入酵母菌懸液1mL，輕輕振蕩混勻，設(shè)置空白對照組（不加酵母菌懸液）。將接種后的13組三角瓶置于搖床上，30℃，200 r/min，振蕩培養(yǎng)。每隔4h取樣，即0、4、8、12、16、20、24、28、32、36、40、44、48 h后，從搖床上將取下其中一瓶三角瓶培養(yǎng)物（標記時間），置4℃冰箱保存。

每組取13支干凈試管，從不同時間培養(yǎng)菌液中搖勻各取5 mL，將酵母菌培養(yǎng)液進行適當稀釋，使光密度在0.1-0.65之間，以沒有接種的空白對照組液體培養(yǎng)基調(diào)零點，在680 nm波長，從最稀濃度的菌懸液開始，依次進行測定OD值，計算酵母菌數(shù)量，并繪制曲線，結(jié)果如圖1所示。其中，三角形、大圓形和小圓形三種形態(tài)菌落分別標記為酵母菌1#、釀酒酵母2#、釀酒酵母3#。

綜合三種酵母菌的生長情況，篩選出的酵母菌在12 h內(nèi)呈對數(shù)增長，12-30 h增長緩慢，30 h后數(shù)量開始下降。符合種群增長“S”型曲線規(guī)律，30 h后種群數(shù)量開始下降與培養(yǎng)基營養(yǎng)物質(zhì)減少，培養(yǎng)瓶內(nèi)達到最大環(huán)境容納量。在實驗數(shù)據(jù)的處理上，學生用數(shù)學折線圖來描述的生物模型，充分反映了研究對象的生命本質(zhì)和規(guī)律。

2.4 葡萄酒中優(yōu)勢菌種的鑒定

對分離的菌種分別進行基因組DNA的提取，進行18S rDNA片段的PCR擴增，采用質(zhì)量分數(shù)為1%的瓊脂糖，在電壓IOOV下30 min，瓊脂糖凝膠電泳鑒定，將符合要求的PCR產(chǎn)物進行序列測序，將所測序列進行BLAST分析，獲得菌株信息（圖2）。

經(jīng)測定，三角形菌落的酵母菌為釀酒酵母JM03，大圓形和小圓形菌落的酵母菌為嗜酒假絲酵母。

項目完成后各小組及時總結(jié)分析匯報，分析結(jié)果并得出結(jié)論，實現(xiàn)知識體系構(gòu)建。探究實驗成果展示是實驗報告與產(chǎn)品結(jié)合，鍛煉了學生的文字表達能力，提高學生藝術(shù)審美能力，并在組間進行實驗評價。學生對自制的葡萄酒進行分裝、品嘗與分享，在做科學的過程中品味到科學的有趣和快樂。從科學本質(zhì)出發(fā)，去探究與解決實際問題，關(guān)注生物技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，通過解決實際生產(chǎn)生活問題，落實社會責任。

項目實施過程中產(chǎn)生了更多的問題。例如，如何提高發(fā)酵中酒精的產(chǎn)量？為了提高酒精產(chǎn)量，是否可以通過改變培養(yǎng)基糖和酸的成分，篩選具有耐高糖和耐酸特性的酵母菌作為理想的酒精發(fā)酵菌？在完成項目的時候，通常會產(chǎn)生更多的問題。借助這些不斷生成的問題，學生會繼續(xù)進行探究、解決和運用，實現(xiàn)了在創(chuàng)造性思維、科學探究等生物學學科核心素養(yǎng)方面的進步。

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