发古至今,“酵”行天下

毕可雷

活动背景

中国具有悠久的酿酒历史，用酒曲酿酒是中国古代的伟大发明，酒曲中含有多种微生物，这种复式发酵一直沿用至今。高一科技社团的学生对发酵技术较为熟悉，酵母是发酵技术中学生熟知的发酵微生物。在生物课教学中，学生从分子与细胞水平上学习了酵母的微观结构和基本生命活动（如细胞代谢和细胞增殖），但是很少有学生能将生活中的发酵过程与酵母细胞的结构和功能联系起来，也就是说学生的生活与所学的科学知识之间是割裂的。跨学科实践就是构建学科知识与现实生活的桥梁，因此探究酵母的科学应用，既有文化传承，也有科技创新。

活动目标

本活动从中国酿酒文化引入，通过引导学生自主查阅文献，结合生活情境和科学知识，提出真实问题“为什么酿酒时先通气，后密闭？”学生对真实问题进行分解，分解出4 个驱动性的科学问题，在驱动性问题的引领下，体验科学探究的过程，并能综合运用物理、化学、生物等方法解决问题，促进科学思维的发展，进而能够构建核心概念，并能在实践中对概念进行迁移应用。

知识与技能

①学习中国古代酿酒的知识，能清晰阐述酿酒过程。②运用思维导图解释酵母细胞增殖与细胞代谢的关系。③掌握葡萄酒制作过程中无菌操作的技能。

过程与方法

①通过控制变量，设置对照实验，根据实验数据定量分析酵母增殖规律。②综合运用物理分光光度法、化学显色法、生物显微观察和计数等定量检测酵母增殖与酵母细胞代谢的产物。③通过解决4 个驱动性问题，体验科学探究的过程，包括提出问题、作出假设、实验设计、实验操作、结果分析、得出结论6 个环节。

情感态度与价值观

①通过查阅文献，提炼中国酿酒文化中的科学智慧，增强民族自豪感。②通过探究酵母增殖与代谢的关系，树立物质与能量观、结构与功能观的生命观念。③在解决真实问题的过程中，培养跨学科学习的理念。

活动对象

高一科技社团学生，学生通过自主报名后组建科技社团， 总人数35 人（ 试验阶段）。后期将精简活动内容，进入活动推广阶段，预期参与人数315 人（高一全体学生）。

活动设计理念

①以项目式学习的方式，运用跨学科知识解决真实问题。②以驱动性问题为引领，体验科学探究的过程，促进学生思维进阶。③以多维评价促综合能力发展。

活动过程

准备阶段（2021 年10 月11—30 日）

真实情境下引入学习主题通过搜集全国各地国庆假期家庭聚会的照片、视频，引出中国的饮酒文化，虽然中学生禁止饮酒，但教师可引导学生思考酿酒中的科学，是否可以运用高一所学的生物知识解释酿酒中的科学原理？

【设计意图】学生经常认为课堂所学知识无用武之地，从生活场景中引导学生思考如何将知识学以致用，激发学习动机。

查阅文献，掌握酿酒技术教师指导学生运用关键词进行文献检索，通过被引频次、下载次数、发表时间等对文献进行筛选，指导学生准备文献阅读报告及PPT 展示框架，同时布置学习任务：以小组为单位形成一份文献阅读文字报告或口述汇报，内容包括酿酒材料、酿酒步骤、酿酒条件和酿酒微生物的种类。

【设计意图】通过对文献的阅读、归纳与总结，培养学生的自主学习能力。在布置学习任务时，考虑个体差异，以书面或口头形式展示自学成果。

开展讲座，提出真实问题

首先组织学生进行文献阅读汇报，学生在汇报内容上比较全面，但深度不够，比如没有关注酿酒不同阶段通风条件的控制、温度的控制。然后，教师引导学生将问题聚焦，重点查阅文献中关于酿酒过程中通风条件的控制，通过文献的深入研读，师生共同提出真实问题“酿酒时为什么先通风后密闭？”

【设计意图】学生汇报有助于教师了解学生自主学习的程度、掌握了哪些知识。同时，基于已有知识进行更深层次的挖掘，将问题聚焦，提出真实的、有价值的问题。

实践阶段（2021年11月1日—12 月10 日）

问题分解，形成驱动性问题串，并逐一探究

针对第一阶段提出的真实问题“酿酒时为什么先通气，后密闭”，学生结合高一《生物学》“分子与细胞”的相关知识，进行了充分的讨论，基本可以提炼出：O2 影响酵母细胞的呼吸方式，有氧条件下酵母进行有氧呼吸，产物为H2O 和CO2，无氧条件下酵母进行无氧呼吸，产物为酒精和CO2。

● 驱动性问题1：酵母在酿酒过程中进行了哪些重要的生命活動？

提出假设 可能包括细胞代谢和细胞增殖，氧气可能更有利于酵母细胞增殖，因此通气能为接下来的密闭发酵积累更多的菌种。

设计实验验证 ①查阅文献，搜索测定酵母菌增殖速度的方法。经过集体讨论，选择分光光度法和显微观察计数法结合，测定酵母菌增殖速度。②培养酵母，分时段测定菌液在600 nm 的吸光值（ 简写OD600）。在通气和密闭条件下，以安琪酵母粉为菌种，以YPD 液体培养基为基质，进行酵母培养，每隔5 小时测定OD600 的值。

分析数据，得出结论 通过比较分析10 个小组测得的实验数据，去除无效数据，对有效数据取平均值，可粗略估算出酵母在有氧与无氧条件下的菌液浓度，进而反映出细胞增殖的快慢。

【设计意图】引导学生对一个真实问题进行拆解，用已有的学科知识进行合理的假设，并能针对具体问题，查找文献，运用跨学科的方法解决实际问题。同时，能对结果进行综合分析，有依据地对实验数据进行取舍。

● 驱动性问题2：为什么有氧条件下酵母增殖快？

提出假设 酵母增殖需要大量的能量（用于DNA 的复制和相关蛋白质的合成），有氧条件下酵母大量增殖的能量可能来源于酵母的有氧呼吸过程，推测酵母有氧呼吸产生的能量比无氧呼吸高。

设计实验验证 ①设计有氧呼吸与无氧呼吸的装置。学生根据教材提示，模仿教材的装置设计方法，运用三角瓶、胶塞、玻璃管、澄清石灰水等制作有氧和无氧呼吸的装置。②检测代谢产物。用澄清石灰水检测CO2 的产生情况。

分析结果，得出结论 实验装置可以通过澄清石灰水检测CO2 的产生，重铬酸钾检测酒精的产生，但都是定性检测，不能定量，也不能检测能量产生的多少。

【设计意图】学生动手操作一直是教学中的难点，制作一套装置更是对学生手脑并用的考验。因此，在学生思路还没打开时，可先模仿教材中的装置设计思路进行预实验，在实验中发现问题，可以激发学生更多的设计思路和灵感。教师要引导学生对“不正常”的实验结果进行反思，比如有氧呼吸装置澄清石灰水经过24 小时的反应后依然澄清，有的学生认为装置设计有问题，而有的学生会结合化学知识，认为是CO2 产生量太大，澄清石灰水先变浑浊，又变澄清。这样的辩论，会激发学生设计一套定量检测装置的迫切心情。

● 驱动性问题3：如何设计一套能定量检测酵母代谢产物的装置？

提出假设 CO2 是气体，气体的定量检测可以根据体积变化实现，因此选择大体积的注射器有可能达到定量检测的效果。

设计实验验证 ①制备除掉CO2 的空气：使用100 mL 注射器，先吸入10% 氢氧化钠溶液20 mL，再吸入40 mL 空气，密封放置10 分钟，__去除空气中的CO2。②制作有氧呼吸反应体系：100 mL 注射器中先吸入20 mL 酵母菌液，再吸入40 mL 除去CO2 的空气， 密封后放在摇床上反应60 分钟。③制作无氧呼吸反应体系：100 mL 注射器中只吸入20 mL 酵母菌液，密封后放在摇床上反应60 分钟。④反应60 分钟后，对比2 个反应体系中气体的净增加量。

分析结果， 得出结论 用注射器作为反应容器，可以定量检测有氧呼吸与无氧呼吸产生CO2 的体积。

【设计意图】学生通过讨论，提出了多种装置改进思路，比如用气球、量筒等作为反应容器，但是经过师生共同分析，发现了这些容器的不足之处，比如气压问题、装置气密性问题。这种思维碰撞的过程也是启发学生思路的过程，有的学生结合家庭环境（比如父母的职业是医生），提出用注射器作为反应容器，得到全体同学的支持。

● 驱动性问题4：如何通过定量比较CO2 的产生量推测产生的能量多少？

提出假设 无氧呼吸产生的能量少，可能有一部分没有释放，而是储存到代谢产物中， 代谢产物中的能量可能与燃烧热有关。

查阅文献验证 酒精的燃烧热很大，而CO2 和水的燃烧热可忽略不计。

得出结论 有氧呼吸分解有机物彻底，释放能量多；无氧呼吸分解有机物不彻底，释放能量少，大部分能量储存在酒精中。

【设计意图】对于物质与能量的辩正关系，学生的认识是割裂的，尤其对于比较抽象的能量，学生较难理解。如何用物质反映能量，就需要学生动用多学科知识，比如物理的能量守恒原理、化学的物质燃烧热等。教师要引导学生多讨论、多向其他学科教师请教，运用跨学科原理和知识解决问题。

归纳总结，构建核心概念

学生通过一系列驱动性问题的探究，可以总结出：酵母细胞的生存需要糖类等有机物，通过细胞呼吸作用分解有机物，释放能量；产生的能量可用于细胞增殖，产生大量的子代细胞，即细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖。

【设计意图】基于实验现象归纳科学本质，引导学生把酵母细胞看作一个完整的生命系统，从整体上建立物质与能量观、结构与功能观，并最终构建生物大概念。

展示阶段（2021 年12 月13—28 日）

学生独立进行科学写作教师提前指导学生撰写科学论文或报告的基本要求，应包括研究目的、研究方法、研究过程、结果分析与研究结论，并注重术语的表达和遵守学术伦理。每位学生提交一份实验报告，小组内互评后，教师再逐一评价。

学习小组汇报交流与分享

以小组为单位，进行实践活动汇报展示，小组成员整理综合全组学生的学习成果，教师提前做好每次社团活动的展示时间表，让学生有充分的时间准备，保证小组全员展示汇报。

?全体学生参与活动宣传，提高辐射面

全体学生共同讨论板报的题目和展示的内容，并分配任务，设立几个小组，包括文案组、图片组和排版组；小组分头整合资料，最后汇总，制作1 期宣传板报，向全校学生宣传展示学习成果。

拓展阶段（2022 年5—6 月）

自制葡萄酒，延展新问题

学生查阅相关文献和书籍，掌握葡萄酒的制作流程，并进行预实验，提前学习葡萄的前处理和发酵装置的密封等技术要点，待摸索好条件后再进行正式制作。在制作葡萄酒阶段，教师需要引导学生在实践中发现新问题，比如葡萄表面常常着生果蝇，这其中是否蕴含着一个生物链？

【设计意图】实践是检验真理的唯一标准，在实践中促进科学知识的迁移和应用；在实践中会产生新的问题，能激发学生终身学习的兴趣和动力。

实地参观深化实践，设计研学任务单

学生根据自己在酿制葡萄酒过程中产生的问题，设计参观葡萄酒厂研学任务单，为实地參观葡萄酒厂作好充分准备，带着问题参观，__提升参观的实效性。教师引导学生关注一些重点问题，比如重点参观葡萄酒厂的葡萄选材、材料前处理、发酵过程、储存条件等，对比家庭自制葡萄酒过程与工业化生产之间的区别和联系。

【设计意图】根据每位学生的水平和需求不同，在任务单上给予充分的提示，设置留白空间，引导学生将科学实验与生产、生活紧密联系，培养学生的社会责任感。

预期成果与呈现方式

文献阅读报告、活动体会、实验报告、研学任务单等文本材料；文献口头汇报、PPT 小组展示汇报、活动板报的影像材料；优化改进的“细胞呼吸装置”教具；自制葡萄酒的实物作品展示。

评价标准与方式

师生运用评价量表进行持续评价

运用评价量表进行评价时，多是针对可物化的指标，比如学生的文献阅读情况、科学写作、小组展示汇报与分享等，运用评价量表开展学生自评、生生互评、教师评价等多主体的评价，可对每位学生的学习成果进行梯度评价，在评价中促进学生取长补短，共同进步。

教师运用行为观察法对学生表现进行评价

在整个活动中，学生经常沉浸在对问题的探讨与解决中，对自己的行为和同伴的行为观察较少，因此需要教师运用行为观察法进行记录，包括小组合作能力、个人领导力、学习主动性、动手操作能力、与人沟通能力等，留下影像资料或文字记录，形成学生个人成长档案袋。通过观察学生的行为表现，映射出对教学目标设计的合理性、驱动性问题设计的逻辑性，从关注教师的教学方法转向关注学生的行为表现，反映了以学生为主体的教育站位，可以更好地促进教与学。

该项目参与了第36 届全国青少年科技创新大赛科技辅导员科教创新成果线上交流活动