聚焦重要概念 突破核心问题——“发酵工程”专题复习策略

广东 张录璐 罗惠峰

《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称《课程标准》)重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化；以主题为引领，使课程内容情境化；促进学科核心素养的落实。大概念是在若干重要概念基础上形成的，而重要概念能够“向上”提炼大概念、“向下”统领次位概念，故重要概念是连接生物学课程知识与生物学学科核心素养的桥梁，能较好地统摄与整合学生在关键能力、必备品格和价值观念这三个方面的发展。因此，聚焦重要概念组织教学，通过核心问题对重要概念进行剖析，可以促进学生明确次位概念、重要概念和大概念，促进学生建构三者之间的内在逻辑体系，从而更好地发展生物学学科核心素养。以“发酵工程”专题复习为例，笔者结合高考试题的分析和教学实践，提出“聚焦重要概念、突破核心问题”的复习策略。

1.基于重要概念考查的试题分析

2021年广东省普通高中学业水平选择性考试生物学试题第21题以糖蜜、餐厨垃圾等废弃原料生产可降解材料为科研探索情境，以可降解材料的发酵生产为对象，鼓励考生将所学的生物学原理和方法运用到生产中，解决实际的工程技术问题。

【例1】(2021年，广东卷，第21题)中国科学家运用合成生物学方法构建了一株嗜盐单胞菌H，以糖蜜(甘蔗榨糖后的废弃液，含较多蔗糖)为原料，在实验室发酵生产PHA等新型高附加值可降解材料，期望提高甘蔗的整体利用价值。工艺流程如图1所示。回答下列问题：

图1 开放式发酵系统

(1)为提高菌株H对蔗糖的耐受能力和利用效率，可在液体培养基中将蔗糖作为________，并不断提高其浓度，经多次传代培养(指培养一段时间后，将部分培养物转入新配的培养基中继续培养)以获得目标菌株。培养过程中定期取样并用________的方法进行菌落计数，评估菌株增殖状况。此外，选育优良菌株的方法还有________等。(答出两种方法即可)

(2)基于菌株H嗜盐、酸碱耐受能力强等特性，研究人员设计了一种不需要灭菌的发酵系统，其培养基盐浓度设为60 g/L，pH为10，菌株H可正常持续发酵60 d以上。该系统不需要灭菌的原因是________。(答出两点即可)

(3)研究人员在工厂进行扩大培养，在适宜的营养物浓度、温度、pH条件下发酵，结果发现发酵液中菌株H细胞增殖和PHA产量均未达到预期，并产生了少量乙醇等物质，说明发酵条件中________可能是高密度培养的限制因素。

(4)菌株H还能通过分解餐厨垃圾(主要含蛋白质、淀粉、油脂等)来生产PHA，说明其能分泌________。

试题聚焦重要概念“3.1获得纯净的微生物培养物是发酵工程的基础”和“3.2发酵工程为人类提供多样的生物产品”。主要考查微生物的筛选、培养基的成分、微生物计数、选育优良菌株的方法、灭菌和酶专一性等必备知识，需要考生在深刻理解微生物培养与应用理论的基础上，结合酶、细胞呼吸及育种等知识，根据新情境进行分析判断，辩证地分析问题、解决问题。基于上述对高考真题的分析，明晰高考的命题常着眼于科技前沿，鼓励考生积极主动尝试将所学的生物学原理和方法应用到生产中，解决实际的工程技术问题。为此笔者尝试了如下专题复习策略。

2.专题复习策略

2.1明确重要概念 锚定复习目标

基于单元整体备课策略，复习前依据《课程标准》明确单元重要概念，如发酵工程的内容要求为“发酵工程利用微生物的特定功能规模化生产对人类有用的产品”。此大概念包含2个重要概念和8个次位概念(表1)。

表1 概念的层级

接着，结合各层级的概念、学生的知识背景和学习能力确立专题复习目标：(1)通过微生物的纯化培养，体验和理解灭菌技术、无菌操作技术、培养基及其配制；(2)阐明平板划线法和稀释涂布平板法等分离方法的原理及应用，理解获得纯净的微生物培养物是发酵工程的前提；(3)通过分离目的菌的实验，体验科研探究过程，概述稀释涂布平板法和显微镜计数法是测定微生物数量的常用方法；(4)通过果酒、果醋制作等活动，体验发酵技术在食品生产中的应用；(5)通过发酵工程在医药、食品等工业生产中的应用实例，阐明发酵工程的概念。

2.2提炼核心任务 突破核心问题

确立专题复习目标后，应如何组织教学，提升学生的关键能力，进而提高学生解决实际问题的能力呢？笔者以教材“发酵工程”的基本环节：菌种的选育、扩大培养、培养基的配制、灭菌、接种、发酵、产品分离、提纯等为主线对各知识进行串联(图2)，提炼出本专题的三个核心任务，进一步对核心任务进行解构，设计系列指向重要概念的问题串(表2)，并一一加以突破。

图2 发酵工程的关键环节与需解决的问题

表2 核心任务和问题串

通过上述的问题串，引导学生经历分析、判断、综合、评估、提问、争议、质疑、证明等一系列深度学习过程。在解决问题的过程中，学生既能形成解决问题的基本思路和方法，又培养了其应对困难和挑战的必备品格与关键能力。

2.3厘清逻辑关系 建构知识体系

围绕核心任务组织教学，设计系列问题串让学生对学习的重难点加以突破，但任务之间或知识点之间往往存在着内在的逻辑关系，因此最终必须将单一、零散的知识构建成系统的网络体系，建构大单元图谱(图3)。

图3 大单元图谱

2.4指向重要概念 发展学科核心素养

在复习完单元内容后，为加强对重要概念的深度理解和对知识的迁移应用，还需设计着力于解决真实情境中问题的试题。

【例2】普通酿酒酵母菌的酒精发酵超过40℃就基本停止。研究人员以酿酒所用高温酒曲为研究对象，以期选育出优良的耐高温酵母菌，应用于工业生产。回答下列问题：

(1)已知酵母菌培养基的组分中含有1%酵母膏、2%蛋白胨、2%葡萄糖等，其中能为酵母菌提供氮源的组分是________，对培养基灭菌的方法是________。

(2)根据菌落的________(写出2点)等特征，分离筛选得到3株纯种耐高温酵母菌，分别标记为S1、S2、S3。

(3)将已知菌数的S1、S2、S3菌株悬浮液接种至麦芽汁培养基中，取若干个样品，设置系列温度梯度(45～54 ℃)，经过相同时间培养后，通过________法统计酵母菌的存活数，以检测酵母菌的耐热性。结果表明菌株S1、S2和S3的最适生长温度分别为45 ℃、51 ℃和48 ℃。在此基础上，可进一步做________条件下酵母菌产酒精能力的测定，以获得所需的目的菌种。

(4)在相对高温的工业生产中，与普通酿酒酵母菌相比，应用耐高温酵母菌能进一步提高出酒率，其原因是________(写出1点)。

(5)长期以来，高温菌株的选育主要集中在自然界筛选和高温驯化。此外，还可以通过________(至少写出1种)等方法进一步改良酵母菌的耐热性，提高发酵能力。

【参考答案】

(1)酵母膏和蛋白胨 高压蒸汽灭菌法

(2)形状、大小、隆起程度、颜色(任意2点)

(3)稀释涂布平板 无氧、高温

(4)耐高温酵母菌能够适应高温环境，相应的酒精发酵过程旺盛；反应物的利用率更高；在高温环境下杂菌数量减少(任意1点)

(5)诱变育种、细胞融合、基因改造(任意1点)

【分析】本题以筛选耐高温酵母菌的过程为线索，将微生物的培养、无菌技术等知识贯穿其中，重视核心主干知识，强调在实际情境中考查学生对微生物技术流程的理解与应用。从而落实《生物技术与工程》重要概念。

指向重要概念的试题，往往是通过生活中某一特定的生物技术进行考查，遵循“生物学—生活—生物技术”三个方面的内容展开。如酵母菌的生物学内容包括结构特点、代谢类型、生态学位置等；生活内容包括食用(发面、酿酒)，药用(富含微生物和酶)，饲料用(蛋白质含量30%～40%)等，从而可涉及酿酒、微生物培养、果胶酶、固定化细胞、蛋白质的分离纯化等生物技术；考查内容包括酵母菌作为高等真核生物是人类基因组研究的模式生物；单细胞真核生物的酵母菌具有比较完备的基因表达调控机制和对表达产物的加工修饰能力。通过设计新的问题情境考查学生知识的迁移应用能力，最终达成对重要概念的落实。

综上所述，以重要概念统摄的主题化单元教学的深度教学模式强调让学生经历完整的学习过程，使书本上零散的知识内化为结构化体系，避免知识点之间的孤立，从聚焦重要概念的整体感知，到指向核心问题的分步学习，然后建构大单元图谱，逐步形成学科核心素养、发展必备品格和关键能力。