基于《科技探索之路》栏目创设复习教学情境——以“发酵工程”复习为例

 

王钊　黄巍
福建省福州高级中学

摘要：以“发酵工程”的复习教学为例，基于《科技探索之路》栏目创设高三复习教学情境路径，以葡萄酒酿造技术演进为载体，通过课前建构知识图谱、课堂还原技术历程、沿发展脉络梳理知识、依托真实情境强化实践应用等教学活动，旨在促进学生打破模块“壁垒”，重构知识体系，深化对生命科学本质的理解，提升核心素养。

《普通高中生物学课程标准（2017年版2025年修订）》（下文简称“课程标准”）明确提出“充分利用科学史开展教学，理解科学本质和科学研究的思路和方法”，为高三生物学复习指明了方向。人教版高中教科书《生物学·选择性必修3·生物技术与工程》（下文简称“教材”）每章起始的《科技探索之路》栏目，生动再现了生物技术从理论到应用的演进历程。笔者尝试以教材第1章“发酵工程”复习教学为例，以《科技探索之路》栏目蕴含的历史线索与问题情境作为复习教学载体，探索如何基于该栏目创设高三复习教学情境，旨在促进学生打破模块“壁垒”，重构知识体系，提升生物学学科核心素养。

1 “发酵工程”教学内容与教学要求

教材以发酵技术发展为主线编排有关“发酵工程”内容，其中传统发酵技术部分，虽因学生具备一定的生活经验而对“发酵”有所认知，但对微生物代谢机制、发酵条件控制原理等知识了解尚浅。而发酵工程部分涵盖微生物纯培养、菌种选育、发酵过程控制、产品分离提纯等多个复杂环节，还涉及诸如转基因技术、自动化控制等快速发展的前沿科学技术。该部分生物学概念多且跨度大，要求学生具备整合跨模块知识及实践应用能力。其中《科技探索之路》栏目从传统发酵技术到发酵工程，呈现了人类对发酵技术不断探索的历程，这与葡萄酒酿造技术的演进紧密相关，同时也遵循课程标准的相关教学要求（表1）。

表1《科技探索之路》栏目内容与课程标准内容要求

《科技探索之路》栏目内容	葡萄酒酿造技术的演进	课程标准内容要求
古代对发酵现象的观察和发酵经验的积累	偶然发现葡萄汁自然发酵成酒,逐渐积累葡萄采摘时机、酿造方式等经验,靠感官判断发酵进程	举例说明日常生活中的哪些食品是运用传统发酵技术生产的,认识发酵技术与生活的联系
巴斯德将酵母菌与发酵联系起来	认识到葡萄酒发酵是酵母菌等微生物作用的结果,了解酵母菌的形态结构,但对其代谢机制认识有限	说出微生物在发酵中的作用,概述常见发酵微生物的基本结构和功能
科学家对发酵本质的研究,揭示发酵是微生物的代谢活动	明确酶在酵母菌发酵中的作用,通过无氧呼吸将糖类转化为酒精,为控制发酵提供理论基础	说出发酵的生物学本质,阐明细胞呼吸等相关知识在发酵中的应用
纯培养技术发展	采用纯种酵母菌进行葡萄酒发酵,提高发酵稳定性和产品质量	概述微生物纯培养的原理和方法,分析其对发酵工程的重要意义
诱变育种、基因工程等技术兴起,实现菌种改造	利用诱变育种、基因工程等技术对酵母菌进行改造,推动葡萄酒发酵的高效化和精准化	说出诱变育种、基因工程的原理和操作流程,举例说明其在发酵工程菌种改良中的应用
发酵生产的工艺和设备不断完善,实现发酵过程的自动化控制	利用自动化设备实时监测葡萄酒发酵过程中酵母菌数量、酒精浓度、温度、溶解氧等参数变化,实现精准调控和规模化生产	分析发酵条件对产物的影响,阐述自动化设备在发酵工程中的应用,提出初步的工程学构想,尝试设计发酵罐

2 “发酵工程”教学目标

基于课程标准的内容要求制订“发酵工程”教学目标：（1）借助《科技探索之路》栏目资料，梳理整合传统发酵技术和发酵工程的相关知识，概述两者的原理、流程及应用，比较、归纳两者优缺点，建构传统发酵技术和发酵工程的概念。（2）分析葡萄酒酿造技术演进中的关键问题，运用归纳、推理、批判性思维等方法提出解决问题的方案，完成模拟探究活动，提升科学探究能力，形成严谨的科学态度。（3）分析并解决葡萄酒生产中的相关问题，从工程学角度阐述发酵工程基本环节，认识工程的复杂性，运用系统分析方法完成生产流程优化建议，发展工程思维。

本次复习以《科技探索之路》栏目为依托，围绕葡萄酒酿造技术的演进，将科技发展线索融入复习教学各环节，通过自主探究、合作交流，构建发酵工程知识体系，发展技术思维和工程思维，彰显高三复习教学注重知识整合与素养能力提升的特点。

3 依托《科技探索之路》栏目的复习教学过程

3.1 课前准备：借助栏目资料，建构知识图谱

提前在班级学习平台发布葡萄酒酿造技术的相关资料，引导学生以《科技探索之路》栏目提供的历史脉络为线索，梳理发酵技术演进与生物学核心知识的关联，并借助AI图谱生成的工具“board mix”绘制“双维度图谱”，即横轴按时间顺序标注葡萄酒酿造技术演进的关键节点，纵轴对应标注各节点涉及的生物学核心知识。学生进行手动优化和补充，初步完成知识图谱的自主建构，明确复习重点，以及技术发展和科学知识之间的支撑关系，提高主动学习能力。

3.2 课堂导入：还原技术演进，锚定复习主题

利用生成式人工智能（AI）工具“即梦”，以“从传统发酵技术到发酵工程”的科技探索之路为素材制作一段视频，动态展示葡萄酒酿造从传统作坊到现代工业化生产的历程，着重突出每个阶段的科学发现与技术革新，展示葡萄酒酿造技术演进过程的关键节点，以此激发学生复习的兴趣。学生思考与讨论：科学发现如何推动技术的突破，又如何让发酵从经验手艺发展为系统工程？问题能帮助学生明确科技进步与发酵工程发展的联系，锚定复习主题“发酵工程知识体系构建”，为后续知识梳理埋下线索。

3.3 知识梳理：结合发展脉络，构建知识体系

3.3.1 传统酿造活动：经验积累与初识微生物

教师以《科技探索之路》栏目中古埃及人酿酒场景为切入点，聚焦“凭感官判断发酵进程”“依赖季节和环境控制”等传统操作，让学生了解古代酿酒师在实践中逐渐摸索出的葡萄汁自然发酵成酒经验，并创设问题情境：当时人们对发酵的认知存在哪些局限？学生讨论后得出：当时人们对发酵仅停留在现象观察和感性认知层面，不了解其本质，无法解释不同环境下发酵结果的差异。教师再指导学生阅读相关资料：显微镜的发明让人类得以观察到酵母菌等微生物，为传统发酵向现代发酵工程的发展奠定了基础。通过关联生活经验与科学发现，让学生体验感性认知向科学认知的过渡，以及实践经验向科学发现的发展。

3.3.2 发酵本质揭秘：科学突破与代谢原理

教师围绕《科技探索之路》栏目中“巴斯德将酵母菌与发酵联系起来”的内容，指导学生观察巴斯德鹅颈瓶实验装置图及实验数据，了解巴斯德证明发酵是微生物代谢活动的过程。学生讨论：巴斯德如何推翻发酵是纯粹化学过程的观点，证明发酵是微生物的代谢活动？通过讨论促进学生明确微生物是发酵的关键因素。教师进一步创设问题情境：古人为何需要通过控制温度、密封容器等操作酿造葡萄酒？这些操作涉及哪些与微生物相关的原理？学生基于酶的特性和酵母菌细胞呼吸原理进行分析，得出结论：温度影响酵母菌呼吸酶的活性，密封则创造无氧环境，使酵母菌能够进行无氧呼吸产生酒精。借此复习细胞呼吸、酶等相关概念和原理在发酵中的应用，深化学生对发酵本质的理解，培养学生的技术思维。

3.3.3 微生物纯培养：单一菌种与发酵可控

根据《科技探索之路》栏目中“科学家在了解了发酵的本质后，通过微生物分离和纯化技术的应用，推动发酵技术迈入可控阶段”的内容，创设如下问题情境：人们在知道发酵的本质之后，为何酿酒有时还是会失败？教师引导学生分析：自然环境中还存在醋酸菌等多种微生物，若氧气充足时，醋酸菌会将酒精氧化为醋酸，导致酒变酸。教师再指导学生阅读有关微生物的纯培养资料，比较分析传统自然发酵产品与纯培养发酵产品的风味表现及其原因，帮助学生明确纯培养技术通过分离单一菌种，显著减少杂菌干扰，使得发酵过程更可控，进一步设问：如何获得单一、纯净的发酵微生物，避免杂菌污染影响发酵效果？师生通过NOBOOK仿真虚拟实验复习微生物纯培养技术的原理和操作要点，并思考与讨论：在葡萄酒酿造中，纯培养技术的应用还带来了哪些改变？以问题促使学生明确：纯培养技术不仅能够获取纯净的酵母菌，还可用于筛选优良酵母菌，替代传统自然发酵中随机的微生物群落，提高发酵过程的可控性和葡萄酒品质的稳定性。通过问题驱动、资料分析与虚拟实验，复习纯培养技术的原理、操作过程与意义，使得学生认同纯培养技术是实现发酵过程可控的关键环节，为后续精准调控发酵条件奠定基础，同时促进学生掌握科学方法。

3.3.4 育种技术突破：菌种改良与安全争议

基于《科技探索之路》栏目中有关诱变育种、基因工程等技术开启了菌种定向改良的新篇章，引导学生思考与讨论：纯种酵母菌仍然存在发酵风味不稳定、温度敏感导致发酵停滞等问题，可以尝试应用什么技术解决？学生结合基因突变、基因重组等概念和相关育种技术，分析得出：可利用基因工程定向改造使得酵母菌稳定产生特定代谢产物，利用诱变育种扩大酵母菌对环境条件的适应范围。进一步追问：菌种改造中可能面临哪些伦理争议？学生小组讨论后认为：生物技术在造福人类的同时，也可能带来安全与伦理问题，部分消费者对转基因食品安全性存在担忧。教师组织学生以“生物技术应用的边界”为主题开展小辩论。通过链接前沿技术，拓宽学生的视野，领悟科技在推动发酵工程创新发展中的力量，深化对科技与社会关系的理解，提升批判性思维能力、解决实际问题的能力及社会责任感。

3.3.5 控制技术革新：发酵条件与精准调控

教师指导学生阅读《科技探索之路》栏目提供的有关发酵技术从经验化调控到精准化控制的演进资料，思考并讨论：结合酵母菌的代谢需求，分析现代发酵工程为何要精准控制发酵过程中温度、溶解氧、糖分、酒精浓度等参数变化？以问题促进学生理解：温度影响酵母菌活性，溶解氧决定其呼吸方式，糖分则是发酵的底物，这些参数直接影响酒精产量和风味。发酵条件的精准控制是发酵工程的核心。进一步提问：如何自动记录和控制发酵过程的参数？学生结合相关资料的学习与讨论，认为可以利用智能发酵罐等自动化控制设备实时监测参数变化并自动调节，如温度过高时启动降温装置，溶解氧不足时通气等，确保发酵环境稳定。教师再组织学生设计智能发酵罐，并标注不同发酵阶段的关键参数及对应控制措施，让学生尝试提出初步的工程学构想，强化工程思维，体验科技进步对科学的推动作用^[4]。

3.4 知识应用：创设问题情境，强化实践应用

根据《科技探索之路》栏目提供的真实场景，借助AI创设问题情境：一家酒庄在生产葡萄酒的过程中出现杂菌污染、发酵速度过慢、产品风味不佳等问题。教师指导学生在课余以小组为单位，结合所学知识利用AI辅助进行可行性分析，提出解决方案：第一，针对杂菌污染，建议加强发酵设备灭菌、优化空气过滤系统、添加抑菌剂或筛选抗杂菌的酵母菌菌种。第二，针对发酵速度过慢，可采取调整发酵温度、优化培养基配方、增加接种量等措施。第三，针对风味不佳，可利用基因编辑技术修饰酵母菌代谢途径、调整发酵时间或陈酿条件等。各小组将解决方案上传至班级学习平台，其他小组对方案进行评价和补充。通过尝试解决生产实践中的实际问题，强化学生对发酵工程知识的理解和应用，提高解决实际问题的能力及批判性思维能力，树立团队协作精神。

4 结语

“发酵工程”复习教学深度挖掘《科技探索之路》栏目的教育价值，围绕“从传统发酵技术到发酵工程”的情境素材与资料，创设系列问题情境，以葡萄酒酿造为载体串联相关生物学知识，引导学生通过归纳推理、辩证分析等思维活动解决实际问题，使生物技术发展的历史线索与发酵相关核心知识有机融合，帮助学生构建完整的发酵工程知识体系，提升技术思维和工程思维。但受限于课堂时长，笔者对发酵工程前沿技术的拓展深度有限，未能让学生充分感受技术前沿与学科知识的紧密关联。教师可在课外推送相关资料，引导学生利用所学生物学知识并借助AI辅助进行深入探索，进一步拓宽学科视野，深化对知识与技术融合的理解，提升复习效果。

来源：王钊,黄巍.基于《科技探索之路》栏目创设复习教学情境——以“发酵工程”复习为例[J].中学生物教学,2026,(16)24-27.