基于主题式情境教学的高三二轮复习实践探索

董清 王美娟

摘要以“酵母菌”为载体，“乙醇燃料发酵条件优化”为主线，以真实情境驱动科学探究思路，以定量数据强化科学思维的推理论证，以变式训练深入科学原理的本质内核，以模拟运用体悟科学实践的社会价值，将众多知识与主题情境融合，以期为高三的二轮复习提供可行路径。

关键词 主题式情境 二轮复习 乙醇燃料 酵母菌

中图分类号G633. 91文献标志码B

《中国高考评价体系说明》提出：高考评价体系中“一核”即高考的核心功能之一是引导教学；“四层”即考查内容和“四翼”即考查要求，要以充分体现核心价值的问题情境作为载体，即通过选取适宜的素材，再现科学理论产生的场景或是呈现现实中的问题情境，让学生在真实的背景下发挥核心价值的引领作用，运用必备知识和关键能力去解决实际问题，全面综合展现学科素养水平。这就要求一线教师将真实情境应用在平时的教学中，但在常规的课堂中，情境往往沦为教学导入中激发学生学习兴趣的手段。于是，笔者根据《普通高中生物学课程标准（2017年版）》，充分挖掘情境，利用主题式情境教学，展开了以“乙醇燃料发酵条件优化”为主线的“酵母菌专题”高三二轮复习教学。主题式情境教学是指围绕某一生物学主题进行教学，创设主题鲜明、贯穿课堂始终的、具体可感知的教学情境，并设计一系列由浅至深、进阶式的学习任务，促使学生生物学学科核心素养落地的教学模式。

1教学目标

①通过观看视频“乙醇汽油”，增强节约能源、保护环境的意识。

②基于讨论“哪些因素可以影响乙醇燃料发酵？”，进行科学探究并描述实验思路。

③基于真实的科学资料，运用归纳和概括获取有用信息，从现象与本质的联系观角度探索原因，总结出乙醇燃料发酵的最优条件。

④通过设计“利用秸秆等废弃物作为原料生产燃料乙醇”的生产工艺，尝试综合运用所学知识来解决生活中的实际问题。

2教学环节

“酵母菌专题”教学环节如图1所示。

3教学过程设计

3.1以真实情境驱动科学探究的实验思路

教师播放视频：相较于普通汽油，乙醇汽油不影响汽车性能且更环保。传统的乙醇燃料生产通常以淀粉类植物为原料，利用微生物进行发酵，蒸馏提纯后，最终形成乙醇燃料。在进行工业发酵生产前，工厂通常会先在实验室对发酵的条件进行优化。并提出问题，引导学生思考：①利用什么微生物进行乙醇燃料发酵？②关于酵母菌，你了解多少？③淀粉属于哪类物质？酵母菌能够直接利用淀粉吗？为什么吗？④可能有哪些因素会影响发酵结果？⑤设计实验，探究种龄、接种量、底物浓度、温度、pH对发酵的影响，写出实验思路。

学生联系酵母菌无氧呼吸的反应式，提出底物浓度、温度、pH可以影响发酵结果。教师进行适当的引导后，学生还提出接种量、接种时酵母菌的生长时期即种龄也可以影响发酵结果。经过充分的讨论，学生能够写出实验思路，教师与学生共同总结出探究实验的一般思路包括：自变量分组、无关变量控制以及因变量的检测。

设计意图：教师以“乙醇燃料发酵条件优化”为切入点，使学生了解了乙醇汽油的使用比普通的化石燃料更环保，增强了学生保护环境的社会责任感，也为本节复习课勾画了主题背景。学科知识是发展学生核心素养的必要基础，因此，教师继续通过问题串引导学生回忆酵母菌的相关的基础知识，又设置了“探究不同因素对乙醇发酵影响”的实验设计问题，为该真实情境任务的贯穿课堂始终做铺垫，从而促使学生整节课持续性地投入学习。

3.2以定量数据强化科学思维的推理论证

教师展示资料，提出问题：微生物培养过程中，把少量纯种单细胞接种到一定液体培养基中，适宜条件下，以细胞数目的对数值为纵坐标，生长时间为横坐标绘制出的曲线称为生长曲线（图2），可用来描述微生物群体生长规律。酵母菌的种群生长曲线可分为A延滞期（适应期）、B指数期、C稳定期和D衰亡期。延滞期的细胞由于刚进入新的环境，细胞中缺乏分解底物的酶以及相关的中间代谢产物，因此需要一段时间的适应。①在A延滞期，种群数量几乎没有发生变化的原因是什么？②从曲线变化看，指数期的细胞数量变化有什么特点？③从种群的数量特征角度分析，稳定期种群数量没有持续上升的原因是什么？④衰亡期种群数量出现了相应变化的原因是什么？

通过认真阅读材料结合曲线图分析，学生能够很快得出问题①、②的答案，但是对种群数量特征这部分知识已经遗忘。在解决问题③、④时，学生经过充分的讨论后，可以得出：由于营养物质有限，种内斗争加剧，所以酵母菌数量没有持续上升；当种群出生率等于死亡率时，酵母菌种群数量维持相对稳定，此时种群数量达到K值；当处于衰亡期，培养基消耗殆尽，细胞代谢废物积累，pH下降导致酵母菌种群下降。

教师提供资料，引导学生思考：研究表明接入不同种龄的等量酵母菌也会对最终乙醇的产量有影响，分别接种不同种龄的等量酵母菌液，发酵相等时间后，测定其乙醇含量如图（图3）。不同浓度的菌液或溶液的吸光度（OD值）不同，一定范围内，菌液中菌体数量越多或溶液的浓度越大、颜色越深，OD值越大。实验室在绘制生长曲线时，一般用OD值表示菌液中菌体数量作为纵坐标。①根据生长曲线找到该酵母菌的延滞期、对数期、稳定期所对应的时间。②乙醇发酵时，接入的最适种龄是多少？③若细胞处于衰亡期，测定的OD值能否表示培養基中实际活菌的数量？为什么？④测定酵母菌种群数量的方法除了测定菌液OD值，还有什么方法？

学生通过对科学材料的仔细阅读，对科学数据的认真分析很容易得出问题①、②的答案。问题③的解答需要学生分析所给情境资料中OD值的含义。学生经过讨论，提出：若细胞处于衰亡期，由于大部分菌体死亡，而OD值无法区别死菌和活菌。对问题④，学生经过回忆，提出可以通过显微计数法直接计数，也可以通过稀释涂布平板法进行计数。

教师提供资料，提出问题：两个研究小组分别用显微技术法（血细胞计数板计数）、稀释涂布平板法对同一发酵液的发酵过程中不同时期的酵母菌种群进行计数，结果发现两者在衰亡期时，测定的结果完全不同，请预测可能出现的结果，出现该结果的可能原因是什么？

学生讨论后，提出由于稀释涂布平板法只能测定活菌数，而显微计数法在没有染色的情况下，可能会将活菌和死菌的数量全部统计进去，所以会导致显微计数法测得的菌种数量偏大。

设计意图：学生通过对科学材料的阅读、关键信息的提取，实现了对情境背后种群的相关知识要点的回顾，同时帮助了解“种龄”的概念，为后面探究影响乙醇发酵的最适种龄做铺垫。教师围绕“影响乙醇发酵的因素”开展后续教学，一方面需要学生结合必修3培养液中酵母菌种群数量的变化曲线以及选修1中微生物计数的知识进行分析，还要求学生能从科学材料中提取有效信息，并对信息进行归纳梳理，旨在让学生自身将阅读提取的事实证据结合所学知识进行推理，得出自己的主张。主题式情境教学注重情境之间的联系，所有的子情境必须围绕主题情境来设置，这些情境具有递进的关系。最后一个资料继续挖掘酵母菌计数的两种方法的相关知识，要求学生能够准确说出两种微生物计数方法的区别，从实践出发，使学生产生思维冲突，激发学生的思考。

3.3以变式训练深入科学原理的本质内核

教师展示训练：某工厂实验室通过实验得出接种量、底物浓度、温度、初始pH对乙醇产量的影响（图4～图7）。①乙醇发酵最适温度和最适pH分别是多少？温度和pH分别是如何影响乙醇的发酵产量的？②乙醇发酵的最适酵母接种量是多少？为什么接种量高，乙醇含量反而低？③酵母菌发酵的最适底物浓度是多少？葡萄糖含量过高对乙醇产量有什么影响？为什么会出现这样的变化？

学生很难直接得出问题②的答案，但经过讨论，可以联想到前期酵母菌繁殖消耗大量营养物质，后期可以用于产乙醇的营养物质不足。解决问题③时，教师引导学生从渗透压的角度思考，学生就很可以联想到由于渗透压过高，导致细胞失水，代谢速率下降，乙醇浓度降低。

设计意图：该情境的设置锻炼了学生从图表中有效捕捉科学信息的能力，但又不局限于图表。教师引导学生进一步结合必修3与必修1中的相关知识，思考图中曲线变化的原因，促成高中生物知识的融会贯通，学生在解开迷思的过程中也明确了科学研究中不仅要知其然，更要知其所以然。

3.4以模拟运用体悟科学实践的社会价值

教师提供资料：中国人多地少，粮食安全的压力长期存在，以玉米等粮食作物作为生物燃料的来源则会出现“与人争粮，与粮争地”的现象。我们不可能以牺牲粮食安全为代价来发展能源作物。于是，出现了利用秸秆等废弃物作为原料生产燃料乙醇的生产工艺。但是，利用传统的化学（高温、酸化）工艺无法很好有效地将纤维素进行分解并利用。如何解决传统发酵不能有效分解纤维素的问题？

学生经过讨论后提出了多种想法：（1）通过基因工程的方法，将纤维素酶基因导入酵母菌，使酵母菌可以产生分解纤维素的酶；（2）筛选能够分解纤维素的菌种，然后与酵母菌进行混合发酵。教师引导学生从育种的角度思考其他方法。学生经过思考后提出，可以利用诱变育种的方式来进行筛选，但这种方法成功率比较低。

设计意图：该情境的设置打破课本章节之间的壁垒，激发学生的思维深度，从多角度分析问题。学生在体会到知识融合的乐趣的同时，还以造福人类的态度和价值观，参与社会问题的讨论，增强了社会责任，并感受到学以致用的成就感。

4评价与反思

在进行主题式情境教学时，教师需要注重情境的现实性与拓展性。对于学生而言，情境任务能否激发兴趣、持续诱发疑问、驱动迁移应用显得至关重要。正如上文的教学案例，采用学生一知半解的情境——乙醇汽油，有助于调动学生的学习兴趣，促进他们的学习热忱。案例中的情境资料都围绕“乙醇汽油的发酵条件优化”这一主题，既便于教学进程的有效铺展，也能够促进学生对现实科学问题的深度思考与社会责任的涵养。此外，学生在从复杂情境或图表信息中提取有效信息的能力有所欠缺，用书面化的语言对科学问题进行描述的能力更是不足。因此，本节课一方面從科学文献中搜集大量真实且复杂的情境资料，另一方面通过设置由浅入深、层层递进的问题，帮助学生找到已有知识和待解决问题的桥梁，唤醒学生注重学习积累与应用知识的意识，提高知识迁移和应用能力。