STEM教育理念下“果酒和果醋的制作”实验研究

李金花 熊正和

[摘 要]文章以“果酒和果醋的制作”实验为例，探讨STEM教育理念下项目式学习在高中生物技术实践中的应用。开展项目式学习，能有效提升学生的团队合作能力，培养学生勇于创新、敢于探索的精神，提升学生的生物学学科核心素养。

[关键词]STEM教育理念;果酒和果醋的制作;项目式学习

[中图分类号]    G633.91        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2022）11-0094-03

生物学是一门实验科学，它来源于生活，应用于生活。STEM教育是一种集科学、技术、工程、数学知识于一体的跨学科综合教育模式。STEM教育理念下的生物学实验教学不同于传统的生物学实验教学，它不以实验结果的出现而终止探究，而是鼓励学生积极开动脑筋，对实验现象进行讨论，并提出改进方案，进行更深入的探究，以此加深学生对知识的理解，进一步提高学生的能力。项目式学习是一种动态的学习方法，通常以学习小组的形式进行。学生通过项目式学习可以锻炼创造能力、团队合作能力、动手能力和项目执行能力。本文以“果酒和果醋的制作”实验为例，探讨STEM教育理念下项目式学习在高中生物技术实践中的应用。

一、研究内容

发酵是通过微生物的培养来大量生产各种代谢产物的过程，包括有氧发酵和无氧发酵。果酒和果醋是日常生活中常见的饮品，其发酵原理不同，果酒是无氧发酵，而果醋则是有氧发酵。果酒和果醋的制作不需要特殊的实验用具或器材，可操作性强，成本低。本课题以人教版教材选修1专题1 中的“果酒和果醋的制作”实验为研究内容。

二、研究方法

受实验条件和时间等因素的限制，本课题仅能以兴趣小组的形式安排部分学生参与实验研究。具体研究方法有文献研究法、实验研究法等。以任务驱动开展课题研究的具体流程为：确定课题→设计实验→进行实验→分析交流→完善实验→总结经验。在STEM 教育理念下，学生以小组为单位，通过问题导向的项目化学习，设计合理的实验方案，并据此开展实验探究，很好地培养了生物学学科核心素养。

三、研究过程

（一）实验原理

酵母菌是兼性厌氧型的单细胞真菌，在有氧条件下能进行有氧呼吸，大量繁殖;在无氧条件下能将有机物分解为酒精和二氧化碳。醋酸菌是异养需氧型的单细胞细菌（原核生物），当氧气、糖源都充足时，可将葡萄糖分解成醋酸;当缺少糖源时，可先将乙醇变为乙醛，再将乙醛变为醋酸。

（二）实验材料选择和条件控制

芜湖位于安徽省东南部，属于亚热带湿润季风气候，全年光照充足，雨量充沛。本实验以芜湖本地盛产的江北葡萄为实验材料，选用当天采摘的和采摘一天后的葡萄进行对比实验。因为附着在葡萄皮上的野生型酵母菌数量较少，且发酵过程中容易被混入的杂菌污染，影响发酵效果，所以可在发酵过程中接种适量酵母菌，以形成种群优势，保证实验成功。目前市场上很难购买到酿酒酵母，本实验用用于食品发酵的干酵母代替。前期控制无氧条件，通过厌氧发酵产生酒精，制作果酒;后期转入有氧发酵，产生醋酸，制作果醋。

（三）分组实验

果酒和果醋的制作实验虽然操作简单，但是需要较长的时间，在课堂中开展不切实际。为了有效实现实验教学目标，教师通常布置学生在家自行完成。基于以上情况，本实验分2个组开展，实验组1模拟实验室条件，以当天采摘的新鲜葡萄为实验材料，采用果酒、果醋发酵装置，并接种适量的酵母菌。实验组2模拟家庭环境，以采摘一天后的葡萄为实验材料，采用家中普通的玻璃瓶为发酵装置，接种适量的酵母菌并添加适量白糖。两个实验组的葡萄均清洗干净后去梗，并用榨汁机榨汁后倒入发酵装置中。发酵6天后过滤，转入有氧条件，继续进行醋酸发酵。

（四）实验结果及分析

实验组1的果酒发酵24小时后，发酵液表面出现大量泡沫，能看见发酵液在翻腾，发酵瓶底部出现一层沉淀物。实验组2的果酒发酵24小时后现象不明显，36小时后可见发酵液表面有大量泡沫，发酵液在翻腾，发酵瓶底部有大量白色沉淀物。实验组1在24小时后就能闻到酒香味，实验组2在36小时后才闻到酒香味，可推测实验组2的果酒发酵速度慢于实验组1。随着发酵时间延长，实验组1和实验组2的发酵液表面泡沫逐渐变少，聚集成块，有的黏附在发酵瓶的瓶壁上，发酵液也不再翻腾，推测酵母菌在大量死亡，可闻到浓郁的酒香味。

若发酵初期发酵液翻腾，表面出现大量泡沫，可能是杂菌大量繁殖所致，也可能是接种的酵母菌数量过多，产生大量CO2气体所致。本实验为保证成功，接种了适量的酵母菌以形成优势种群，故上述现象应该是接种的酵母菌数量过多所致，优化实验时可适量减少酵母菌的接种数量。发酵瓶底部出现的白色沉淀物是被搅碎后的果肉和果核，属于正常现象，后期可进行过滤去除。

有学生对发酵6天后的果酒进行过滤，然后提问：制作的果酒为何不像市场上卖的葡萄酒那样色泽好看且澄清？查阅文献及资料可知，添加适量的果胶酶可以使果汁变得澄清，故可在实验组1和实验组2的发酵液中添加适量果胶酶，改变实验条件，在有氧条件下，继续进行果醋发酵。醋酸发酵24小时后观察发现，发酵液色泽红亮透明，发酵瓶底部可见一层沉淀物，仍然可以闻到浓郁的酒香味，取少量发酵液品尝，发现酒味中夹杂少许酸味。果醋发酵6天后，色泽更加红亮透明，取少许发酵液品尝，发现醋味中夹杂少许酒味。

有学生提问：如果家中没有榨汁机，是否可以直接用葡萄做实验？基于此增设实验组3：直接用未榨汁的葡萄做实验。手戴一次性手套，将葡萄捏破，使葡萄皮与果肉分离，并添加适量的葡萄糖，接种少许酵母菌;为了提高出汁率和果汁澄清度，添加适量的果胶酶。实验组3的果酒发酵24小时后，出现明显分层，葡萄皮和果肉漂浮在发酵液上方，有少量气泡从发酵瓶底部冒出;36小时后，发酵液颜色变深，葡萄皮中的色素充分溶解在发酵液中，将上层果肉及果皮漂浮物去除，继续进行发酵。与实验组1和实验组2相比，实验组3的发酵液颜色更红，故带皮发酵的葡萄酒色泽更浓。实验组3因在果酒制作环节中已添加果胶酶，故果醋制作环节未添加果胶酶。实验组3果醋发酵6天后未见沉淀物，色泽红但不透亮（如图1），取少許发酵液品尝，发现醋味中夹杂少许酒味。

在表达与交流环节，有学生指出：因空气中的醋酸菌数量较少，又未添加醋酸菌种，所以影响果醋的发酵，使果醋口感变差。学生查阅资料后，提出改进方案：人工接种醋酸菌，具体的方法是打开一瓶食醋，将其暴露在空气中，一段时间后，醋的表面就会形成一层薄膜（主要是醋酸菌），可以用这层薄膜进行接种。但学生经过具体实验操作后发现，很难形成醋酸菌菌膜，于是决定购买酿醋醋酸菌进行接种。在该实验的基础上添加醋酸菌菌种，继续发酵2天后进行品尝，发现醋味变浓。

（五）总结与评价

在上述实验的基础上，学生提出家庭酿制果酒的优化方案：挑选当天采摘的较为成熟的紫红色葡萄，因果皮中含有的单宁成分可增加葡萄酒的口感，故选果皮偏厚一点的葡萄更好。手戴一次性手套，人工捏碎葡萄，使果皮和果肉分离并挤压出汁，加入适量活化的酵母菌、果胶酶、白糖或冰糖，搅拌均匀后装入大的玻璃容器中密封，进行自然发酵。在发酵过程中，葡萄皮中的色素溶解在发酵液中，使发酵液呈紫红色。因为发酵过程中会产生气体，所以玻璃容器中的葡萄不要装得太满，要留有一定的空间，定期放气。发酵3～7天，葡萄皮会全部漂浮上来且发酵液不再产生气泡，此时发酵已结束。将果肉和果皮的漂浮物捞出后过滤，添加适量的果胶酶，继续进行发酵并储存。

在实验过程中，学生不以实验结果的出现而结束探究，教师根据学生提出的问题，鼓励学生不断调整实验方案，培养他们的质疑精神和探究精神。让学生通过搜集果酒酿制历史，领略中华传统文化，培养民族自豪感，树立社会责任意识。鼓励学生积极参与实验设计，让学生在合作交流中探索未知，在发现、探究、操作的过程中获得知识，体验成功的乐趣，培养科学探究能力。此外，在整个实验中，还培养了学生收集和处理信息的能力、对实验现象进行分析和对实验结果进行评价的能力、用简单的生物学术语表述问题的能力以及利用已学知识解决实际问题的能力，发展了学生的科学思维。

在课程评价方面，不再以考试成绩作为唯一标准，注重过程性评价和结果性评价相结合，既重视学生学习过程中获取的知识，又注重学生的动手实验能力和科学素养。教师依据已制订的课程评价指标，对各小组的实验完成情况分别赋分，并纳入学生的综合素质评价体系中，以落实“学业评价促发展”的目标。本课题对学生的评价指标主要指向学生的信息收集和处理能力、实验设计能力、工艺流程的优化能力、小组合作能力、表达交流能力、动手操作能力等，体现了从课堂的学习延伸到课外的实践活动，很好地落实了“尝试解决生产生活中的生物学问题的担当和能力”这一社会责任素养的培养。在实验研究过程中，学生不再是被动地接受知识，而是自主探究，合作交流，从中体会到了科学家进行科研的艰辛，从而在心中埋下科研的种子。

四、实验研究反思

“果酒和果醋的制作”实验教学主要培养学生的动手实验能力，同时也培养学生的生命观念、科学思维、科学探究、社会责任等生物学学科核心素养，让学生养成良好的思维模式和学习习惯，为今后的学习奠定良好的基础。

本课题的研究以学生为主体，以小组合作的方式引导学生进行探究、讨论，促使学生逐步理解知识本质。在实践过程中，学生意识到“做课题”并不是一件稀奇的事情，从而为他们今后进入大学学习、研究做好铺垫。教师的任务不仅仅是传授文化知识，更重要的是培养学生的学习能力，让他们学会学习、热爱学习、敢于探究、懂得合作、善于表达，争做创新型人才，勇担社会责任。

通过课题研究，教师也可以发现自己教学中存在的问题，并及时改进，提升教学水平和能力，从而最大限度地促进自己的专业发展。

[   参   考   文   献   ]

[1]  孙志燕.“果酒和果醋的制作”实验的改进[J].中学教学参考，2021（17）：93-94.

[2]  罗福海.基于STEM教育理念的实验改进：以果酒和果醋的制作实验改进为例[J].中国现代教学装备，2020（18）：60-62.

[3]  温颖飞.“果酒、果醋的制作”实验改进[J].中学生物教学，2017（13）：36.

[4]  余鸿婷.基于STEAM理念的生物实验教学：以“微生物的实验室培养”为例[J].实验教学与仪器，2020（6）： 18-20.

[5]  叶向阳，张云. 一种新型的果酒果醋两用发酵装置[J].实验教学与仪器，2020（1）：56-57.

（責任编辑 黄春香）