STEM教育理念下“果酒和果醋的制作”實(shí)驗(yàn)研究

安徽蕪湖市第十二中學(xué)（241000） 李金花 熊正和

生物學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，它來源于生活，應(yīng)用于生活。STEM 教育是一種集科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)知識(shí)于一體的跨學(xué)科綜合教育模式。STEM教育理念下的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)不同于傳統(tǒng)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，它不以實(shí)驗(yàn)結(jié)果的出現(xiàn)而終止探究，而是鼓勵(lì)學(xué)生積極開動(dòng)腦筋，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行討論，并提出改進(jìn)方案，進(jìn)行更深入的探究，以此加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，進(jìn)一步提高學(xué)生的能力。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是一種動(dòng)態(tài)的學(xué)習(xí)方法，通常以學(xué)習(xí)小組的形式進(jìn)行。學(xué)生通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)可以鍛煉創(chuàng)造能力、團(tuán)隊(duì)合作能力、動(dòng)手能力和項(xiàng)目執(zhí)行能力。本文以“果酒和果醋的制作”實(shí)驗(yàn)為例，探討STEM 教育理念下項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在高中生物技術(shù)實(shí)踐中的應(yīng)用。

一、研究?jī)?nèi)容

發(fā)酵是通過微生物的培養(yǎng)來大量生產(chǎn)各種代謝產(chǎn)物的過程，包括有氧發(fā)酵和無氧發(fā)酵。果酒和果醋是日常生活中常見的飲品，其發(fā)酵原理不同，果酒是無氧發(fā)酵，而果醋則是有氧發(fā)酵。果酒和果醋的制作不需要特殊的實(shí)驗(yàn)用具或器材，可操作性強(qiáng)，成本低。本課題以人教版教材選修1 專題1 中的“果酒和果醋的制作”實(shí)驗(yàn)為研究?jī)?nèi)容。

二、研究方法

受實(shí)驗(yàn)條件和時(shí)間等因素的限制，本課題僅能以興趣小組的形式安排部分學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)研究。具體研究方法有文獻(xiàn)研究法、實(shí)驗(yàn)研究法等。以任務(wù)驅(qū)動(dòng)開展課題研究的具體流程為：確定課題→設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)→進(jìn)行實(shí)驗(yàn)→分析交流→完善實(shí)驗(yàn)→總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。在STEM 教育理念下，學(xué)生以小組為單位，通過問題導(dǎo)向的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)方案，并據(jù)此開展實(shí)驗(yàn)探究，很好地培養(yǎng)了生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

三、研究過程

（一）實(shí)驗(yàn)原理

酵母菌是兼性厭氧型的單細(xì)胞真菌，在有氧條件下能進(jìn)行有氧呼吸，大量繁殖；在無氧條件下能將有機(jī)物分解為酒精和二氧化碳。醋酸菌是異養(yǎng)需氧型的單細(xì)胞細(xì)菌（原核生物），當(dāng)氧氣、糖源都充足時(shí)，可將葡萄糖分解成醋酸；當(dāng)缺少糖源時(shí)，可先將乙醇變?yōu)橐胰?，再將乙醛變?yōu)榇姿帷?/p>

（二）實(shí)驗(yàn)材料選擇和條件控制

蕪湖位于安徽省東南部，屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，全年光照充足，雨量充沛。本實(shí)驗(yàn)以蕪湖本地盛產(chǎn)的江北葡萄為實(shí)驗(yàn)材料，選用當(dāng)天采摘的和采摘一天后的葡萄進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。因?yàn)楦街谄咸哑ど系囊吧徒湍妇鷶?shù)量較少，且發(fā)酵過程中容易被混入的雜菌污染，影響發(fā)酵效果，所以可在發(fā)酵過程中接種適量酵母菌，以形成種群優(yōu)勢(shì)，保證實(shí)驗(yàn)成功。目前市場(chǎng)上很難購買到釀酒酵母，本實(shí)驗(yàn)用用于食品發(fā)酵的干酵母代替。前期控制無氧條件，通過厭氧發(fā)酵產(chǎn)生酒精，制作果酒；后期轉(zhuǎn)入有氧發(fā)酵，產(chǎn)生醋酸，制作果醋。

（三）分組實(shí)驗(yàn)

果酒和果醋的制作實(shí)驗(yàn)雖然操作簡(jiǎn)單，但是需要較長(zhǎng)的時(shí)間，在課堂中開展不切實(shí)際。為了有效實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，教師通常布置學(xué)生在家自行完成?；谝陨锨闆r，本實(shí)驗(yàn)分2個(gè)組開展，實(shí)驗(yàn)組1模擬實(shí)驗(yàn)室條件，以當(dāng)天采摘的新鮮葡萄為實(shí)驗(yàn)材料，采用果酒、果醋發(fā)酵裝置，并接種適量的酵母菌。實(shí)驗(yàn)組2 模擬家庭環(huán)境，以采摘一天后的葡萄為實(shí)驗(yàn)材料，采用家中普通的玻璃瓶為發(fā)酵裝置，接種適量的酵母菌并添加適量白糖。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組的葡萄均清洗干凈后去梗，并用榨汁機(jī)榨汁后倒入發(fā)酵裝置中。發(fā)酵6 天后過濾，轉(zhuǎn)入有氧條件，繼續(xù)進(jìn)行醋酸發(fā)酵。

（四）實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

表1 果酒制作

實(shí)驗(yàn)組1的果酒發(fā)酵24小時(shí)后，發(fā)酵液表面出現(xiàn)大量泡沫，能看見發(fā)酵液在翻騰，發(fā)酵瓶底部出現(xiàn)一層沉淀物。實(shí)驗(yàn)組2 的果酒發(fā)酵24 小時(shí)后現(xiàn)象不明顯，36 小時(shí)后可見發(fā)酵液表面有大量泡沫，發(fā)酵液在翻騰，發(fā)酵瓶底部有大量白色沉淀物。實(shí)驗(yàn)組1在24小時(shí)后就能聞到酒香味，實(shí)驗(yàn)組2在36小時(shí)后才聞到酒香味，可推測(cè)實(shí)驗(yàn)組2 的果酒發(fā)酵速度慢于實(shí)驗(yàn)組1。隨著發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組1和實(shí)驗(yàn)組2 的發(fā)酵液表面泡沫逐漸變少，聚集成塊，有的黏附在發(fā)酵瓶的瓶壁上，發(fā)酵液也不再翻騰，推測(cè)酵母菌在大量死亡，可聞到濃郁的酒香味。

若發(fā)酵初期發(fā)酵液翻騰，表面出現(xiàn)大量泡沫，可能是雜菌大量繁殖所致，也可能是接種的酵母菌數(shù)量過多，產(chǎn)生大量CO2氣體所致。本實(shí)驗(yàn)為保證成功，接種了適量的酵母菌以形成優(yōu)勢(shì)種群，故上述現(xiàn)象應(yīng)該是接種的酵母菌數(shù)量過多所致，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)時(shí)可適量減少酵母菌的接種數(shù)量。發(fā)酵瓶底部出現(xiàn)的白色沉淀物是被攪碎后的果肉和果核，屬于正?，F(xiàn)象，后期可進(jìn)行過濾去除。

有學(xué)生對(duì)發(fā)酵6 天后的果酒進(jìn)行過濾，然后提問：制作的果酒為何不像市場(chǎng)上賣的葡萄酒那樣色澤好看且澄清？查閱文獻(xiàn)及資料可知，添加適量的果膠酶可以使果汁變得澄清，故可在實(shí)驗(yàn)組1 和實(shí)驗(yàn)組2 的發(fā)酵液中添加適量果膠酶，改變實(shí)驗(yàn)條件，在有氧條件下，繼續(xù)進(jìn)行果醋發(fā)酵。醋酸發(fā)酵24 小時(shí)后觀察發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵液色澤紅亮透明，發(fā)酵瓶底部可見一層沉淀物，仍然可以聞到濃郁的酒香味，取少量發(fā)酵液品嘗，發(fā)現(xiàn)酒味中夾雜少許酸味。果醋發(fā)酵6 天后，色澤更加紅亮透明，取少許發(fā)酵液品嘗，發(fā)現(xiàn)醋味中夾雜少許酒味。

有學(xué)生提問：如果家中沒有榨汁機(jī)，是否可以直接用葡萄做實(shí)驗(yàn)？基于此增設(shè)實(shí)驗(yàn)組3：直接用未榨汁的葡萄做實(shí)驗(yàn)。手戴一次性手套，將葡萄捏破，使葡萄皮與果肉分離，并添加適量的葡萄糖，接種少許酵母菌；為了提高出汁率和果汁澄清度，添加適量的果膠酶。實(shí)驗(yàn)組3的果酒發(fā)酵24小時(shí)后，出現(xiàn)明顯分層，葡萄皮和果肉漂浮在發(fā)酵液上方，有少量氣泡從發(fā)酵瓶底部冒出；36 小時(shí)后，發(fā)酵液顏色變深，葡萄皮中的色素充分溶解在發(fā)酵液中，將上層果肉及果皮漂浮物去除，繼續(xù)進(jìn)行發(fā)酵。與實(shí)驗(yàn)組1 和實(shí)驗(yàn)組2 相比，實(shí)驗(yàn)組3 的發(fā)酵液顏色更紅，故帶皮發(fā)酵的葡萄酒色澤更濃。實(shí)驗(yàn)組3 因在果酒制作環(huán)節(jié)中已添加果膠酶，故果醋制作環(huán)節(jié)未添加果膠酶。實(shí)驗(yàn)組3果醋發(fā)酵6天后未見沉淀物，色澤紅但不透亮（如圖1），取少許發(fā)酵液品嘗，發(fā)現(xiàn)醋味中夾雜少許酒味。

圖1 果醋發(fā)酵6天后

在表達(dá)與交流環(huán)節(jié)，有學(xué)生指出：因空氣中的醋酸菌數(shù)量較少，又未添加醋酸菌種，所以影響果醋的發(fā)酵，使果醋口感變差。學(xué)生查閱資料后，提出改進(jìn)方案：人工接種醋酸菌，具體的方法是打開一瓶食醋，將其暴露在空氣中，一段時(shí)間后，醋的表面就會(huì)形成一層薄膜（主要是醋酸菌），可以用這層薄膜進(jìn)行接種。但學(xué)生經(jīng)過具體實(shí)驗(yàn)操作后發(fā)現(xiàn)，很難形成醋酸菌菌膜，于是決定購買釀醋醋酸菌進(jìn)行接種。在該實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上添加醋酸菌菌種，繼續(xù)發(fā)酵2天后進(jìn)行品嘗，發(fā)現(xiàn)醋味變濃。

（五）總結(jié)與評(píng)價(jià)

在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，學(xué)生提出家庭釀制果酒的優(yōu)化方案：挑選當(dāng)天采摘的較為成熟的紫紅色葡萄，因果皮中含有的單寧成分可增加葡萄酒的口感，故選果皮偏厚一點(diǎn)的葡萄更好。手戴一次性手套，人工捏碎葡萄，使果皮和果肉分離并擠壓出汁，加入適量活化的酵母菌、果膠酶、白糖或冰糖，攪拌均勻后裝入大的玻璃容器中密封，進(jìn)行自然發(fā)酵。在發(fā)酵過程中，葡萄皮中的色素溶解在發(fā)酵液中，使發(fā)酵液呈紫紅色。因?yàn)榘l(fā)酵過程中會(huì)產(chǎn)生氣體，所以玻璃容器中的葡萄不要裝得太滿，要留有一定的空間，定期放氣。發(fā)酵3～7 天，葡萄皮會(huì)全部漂浮上來且發(fā)酵液不再產(chǎn)生氣泡，此時(shí)發(fā)酵已結(jié)束。將果肉和果皮的漂浮物撈出后過濾，添加適量的果膠酶，繼續(xù)進(jìn)行發(fā)酵并儲(chǔ)存。

在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生不以實(shí)驗(yàn)結(jié)果的出現(xiàn)而結(jié)束探究，教師根據(jù)學(xué)生提出的問題，鼓勵(lì)學(xué)生不斷調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案，培養(yǎng)他們的質(zhì)疑精神和探究精神。讓學(xué)生通過搜集果酒釀制歷史，領(lǐng)略中華傳統(tǒng)文化，培養(yǎng)民族自豪感，樹立社會(huì)責(zé)任意識(shí)。鼓勵(lì)學(xué)生積極參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生在合作交流中探索未知，在發(fā)現(xiàn)、探究、操作的過程中獲得知識(shí)，體驗(yàn)成功的樂趣，培養(yǎng)科學(xué)探究能力。此外，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，還培養(yǎng)了學(xué)生收集和處理信息的能力、對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析和對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)的能力、用簡(jiǎn)單的生物學(xué)術(shù)語表述問題的能力以及利用已學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)思維。

在課程評(píng)價(jià)方面，不再以考試成績(jī)作為唯一標(biāo)準(zhǔn)，注重過程性評(píng)價(jià)和結(jié)果性評(píng)價(jià)相結(jié)合，既重視學(xué)生學(xué)習(xí)過程中獲取的知識(shí)，又注重學(xué)生的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂茖W(xué)素養(yǎng)。教師依據(jù)已制訂的課程評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)各小組的實(shí)驗(yàn)完成情況分別賦分，并納入學(xué)生的綜合素質(zhì)評(píng)價(jià)體系中，以落實(shí)“學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)促發(fā)展”的目標(biāo)。本課題對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要指向?qū)W生的信息收集和處理能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、工藝流程的優(yōu)化能力、小組合作能力、表達(dá)交流能力、動(dòng)手操作能力等，體現(xiàn)了從課堂的學(xué)習(xí)延伸到課外的實(shí)踐活動(dòng)，很好地落實(shí)了“嘗試解決生產(chǎn)生活中的生物學(xué)問題的擔(dān)當(dāng)和能力”這一社會(huì)責(zé)任素養(yǎng)的培養(yǎng)。在實(shí)驗(yàn)研究過程中，學(xué)生不再是被動(dòng)地接受知識(shí)，而是自主探究，合作交流，從中體會(huì)到了科學(xué)家進(jìn)行科研的艱辛，從而在心中埋下科研的種子。

四、實(shí)驗(yàn)研究反思

“果酒和果醋的制作”實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生的生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、社會(huì)責(zé)任等生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，讓學(xué)生養(yǎng)成良好的思維模式和學(xué)習(xí)習(xí)慣，為今后的學(xué)習(xí)奠定良好的基礎(chǔ)。

本課題的研究以學(xué)生為主體，以小組合作的方式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究、討論，促使學(xué)生逐步理解知識(shí)本質(zhì)。在實(shí)踐過程中，學(xué)生意識(shí)到“做課題”并不是一件稀奇的事情，從而為他們今后進(jìn)入大學(xué)學(xué)習(xí)、研究做好鋪墊。教師的任務(wù)不僅僅是傳授文化知識(shí)，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，讓他們學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、熱愛學(xué)習(xí)、敢于探究、懂得合作、善于表達(dá)，爭(zhēng)做創(chuàng)新型人才，勇?lián)鐣?huì)責(zé)任。

通過課題研究，教師也可以發(fā)現(xiàn)自己教學(xué)中存在的問題，并及時(shí)改進(jìn)，提升教學(xué)水平和能力，從而最大限度地促進(jìn)自己的專業(yè)發(fā)展。