STEM理念下傳統發酵工程系列實驗項目式教學

宋金艷　馬金剛　呂樂

摘要 以“葡萄酒中優勢菌種的分離、純化與鑒定”為例，探討STEM理念下的項目式教學在高中生物學實驗教學中的應用。本項目以真實情境為驅動，引導學生運用生物學知識、技術和數學方法，小組合作開展科學探究活動，充分發揮實驗教學在提升學生核心素養方面的作用。

關鍵詞 STEM理念項目式教學 葡萄酒 酵母菌

中圖分類號C633. 91 文獻標志碼B

STEM教育最早出現于美國的大學教育中，是科學（science）、技術（technology）、工程（engineering）和數學（mathematics）四門學科英文首字母的縮寫，強調跨學科的融合。倡導以工程設計過程為主導，以學生的主動實踐為中心，通過合作完成在真實情境中的學習。

下面以人教版高中生物學選修教材中的傳統發酵技術為基礎，制作葡萄酒，分離純化酵母菌，測定生長曲線，結合現代基因測序，進行菌種鑒定為例。嘗試運用STEM理念，借助項目式教學的方法，以真實情境作為問題驅動，通過小組合作學習的方式開展融合各學科知識的項目探究，以期提升學生創新性思維、科學探究、社會責任等學科核心素養。項目探究過程中生成性問題的出現，會引出新的探究項目，因此將按時間順序介紹不同探究階段所確立的問題與項目。

1 前期項目探究

1.1 項目確立背景

葡萄酒中優勢菌種的分離、純化與鑒定是選修模塊傳統發酵技術專題，同時運用微生物的實驗室培養及現代基因工程技術，完成制作葡萄酒，測定酒精含量，對葡萄酒中的菌種進行培養、分離、純化與測定。嘗試用平板劃線法和稀釋布法進行酵母菌和乳酸菌的分離與純化，顯微鏡計數法和分光光度計法測定酵母菌種群數量，建立數學模型結束變動規律，并對菌種進行分子鑒定。這既是對必修內容的擴展和應用，又是對生物工程和技術的認識和理解。實踐環節是幫助學生達成教學目標的關鍵，學生自己設計實踐方案并進行實驗，完成項目學習，能夠將生物學理論與生物技術進行有機結合。同時，基因工程、發酵工程都是生物技術的重要內容，更是高中生物學習的重點與難點，也是高頻考點。課程實驗與理論同時開設，理論學習后可及時操作驗證，分析實驗結果后進一步完善實驗方案，理解理論知識，建立生物科學素養的生命觀念、科學探究能力。

1.2 項目目標

小組能夠設計葡萄酒中優勢菌種的分離、純化與鑒定的整體方案，闡明發酵技術、基因工程的原理與基本操作程序，實際操作完成制作果酒或泡菜、分離純化菌種、優勢菌種的基因組DNA的提取、PCR擴增、基因片段測序等實驗操作，操作方法正確，最終成功完成菌株的鑒定，并進行撰寫報告，相互討論，借助互聯網和手機的錄像功能，客觀地記錄實驗過程，將實驗過程和實驗結果在互聯網上分享，提高思辨能力和全面考慮問題的思維縝密性。通過小組合作探究學習，培養學生團隊合作意識和積極參與探究、熱愛生物科學的情感體驗。

1.3 項目內容及任務分解

在任務驅動下，興趣小組查閱了發酵工程、基因工程與微生物培養的相關論文，充分交流后，明確：發酵工程與基因工程的原理;優勢菌種的分離、純化、培養與鑒定的技術？成功制作葡萄酒的條件;優勢菌種的分離、純化與鑒定的步驟，并確定了此項目需要的基本技術支持：傳統發酵技術、微生物的實驗室培養，PCR擴增、電泳等。

1.4 項目探究過程

高二生物選考兩個班同步開展探究活動的項目小組。利用網絡，實現實驗資資源、實驗過程、數據等共享，制定工程計劃，集體討論方案的可行性，在討論中不斷完善方案，促進學生形成科學思維，培養科學探究能力，發展學生的生物學學科核心素養。

項目流程為：

制作葡萄酒一葡萄酒中酒精含量的測定一葡萄酒中優勢菌種的分離與純化一測定酵母菌種群數量變化一優勢菌種的基因組DNA的提取18S—rDNA片段的PCR擴增一基因片段測序，菌株鑒定一成果展示與交流。

2 項目實施

2.1 制作葡萄酒

用己消毒的剪刀將葡萄與果柄貼面處分離，保證葡萄完整，避免葡萄破裂被污染，在涼開水中放入一些面粉，面粉溶液能吸附葡萄表面的灰塵雜質;再緩慢晃動洗清其表面污垢，保護葡萄表面天然的酵母菌，最后再用涼開水清洗。

發酵裝置采用運動型瓶蓋飲料瓶、帶進出氣體軟管的發酵罐與玻璃發酵瓶。這三種裝置均能很好隔絕外界空氣，并防止微生物入侵。且運動型瓶蓋飲料瓶與普通飲料瓶相比，不用擰松瓶蓋放氣，也能防止空氣進入，來源廣泛，成本低廉，可廣泛用于中學實驗。帶進出氣體軟管的發酵罐，可直接在排氣管水封中滴加溴麝香草酚藍（BTB）檢測發酵產物二氧化碳，溶液由藍變綠再變黃，玻璃發酵罐有出料口，取樣方便。

實驗過程中探究了溫度、有機物等發酵條件對酒精含量的影響，以及酵母菌無氧呼吸產物的鑒定。其中，人工添加適量的酵母菌和蔗糖組不僅可增強發酵程度，且隨著接種量增多，發酵速度變快，發酵周期會縮短。實踐發現，500mL葡萄液接種酵母1.0-1.5 g為宜。這樣可保證發酵充分進行，現象明顯易觀察，且發酵速度快、周期短，果酒制作易成功。

2.2 不同品種的葡萄釀酒的酒精含量測定

用兩種不同的葡萄酒酒精計測定酒精含量。結果添加蔗糖組酒精含量更多，陽光青提、釀酒葡萄、玫瑰香、巨峰等不同品種，會影響果酒的顏色與口味，其中相同條件處理的葡萄，釀酒葡萄品種酒精含量更高。

2.3 果酒中優勢菌種的分離與純化

酵母菌作為微生物的實驗室培養材料，安全易得，為學生生活中常見菌種。根據微生物的代謝需求，分析培養基配制的知識，設計相關培養程序，對未添加酵母菌組用豆芽汁葡萄糖培養基選擇培養酵母菌，采用稀釋涂平板法和稀釋倒平板法對葡萄酒中的酵母菌進行分離與純化。挑選初步得到了菌株進行簡單染色，顯微鏡觀察菌種形態并計數。

選擇培養后，有三角形、大圓形和小圓形三種形態菌落，再次接種到豆芽汁葡萄糖液體培養基中，30℃、200 rpm，培養2d。重復上述培養以獲得酵母菌純菌株分別進行顯微鏡與電鏡下觀察酵母菌形態結構及出芽生殖并計數。在此過程中，學生能夠熟練掌微生物培養與顯微技術的一般方法，更好地觀察酵母菌菌落、個體的形態以及出芽生殖現象，同時說明生命活動的維持包括物質代謝和能量代謝。

2.3 繪制酵母菌種群數量變化曲線

采用無菌操作技術向每個100 mL豆芽汁葡萄糖培養基的三角瓶中試管準確加入酵母菌懸液1mL，輕輕振蕩混勻，設置空白對照組（不加酵母菌懸液）。將接種后的13組三角瓶置于搖床上，30℃，200 r/min，振蕩培養。每隔4h取樣，即0、4、8、12、16、20、24、28、32、36、40、44、48 h后，從搖床上將取下其中一瓶三角瓶培養物（標記時間），置4℃冰箱保存。

每組取13支干凈試管，從不同時間培養菌液中搖勻各取5 mL，將酵母菌培養液進行適當稀釋，使光密度在0.1-0.65之間，以沒有接種的空白對照組液體培養基調零點，在680 nm波長，從最稀濃度的菌懸液開始，依次進行測定OD值，計算酵母菌數量，并繪制曲線，結果如圖1所示。其中，三角形、大圓形和小圓形三種形態菌落分別標記為酵母菌1#、釀酒酵母2#、釀酒酵母3#。

綜合三種酵母菌的生長情況，篩選出的酵母菌在12 h內呈對數增長，12-30 h增長緩慢，30 h后數量開始下降。符合種群增長“S”型曲線規律，30 h后種群數量開始下降與培養基營養物質減少，培養瓶內達到最大環境容納量。在實驗數據的處理上，學生用數學折線圖來描述的生物模型，充分反映了研究對象的生命本質和規律。

2.4 葡萄酒中優勢菌種的鑒定

對分離的菌種分別進行基因組DNA的提取，進行18S rDNA片段的PCR擴增，采用質量分數為1%的瓊脂糖，在電壓IOOV下30 min，瓊脂糖凝膠電泳鑒定，將符合要求的PCR產物進行序列測序，將所測序列進行BLAST分析，獲得菌株信息（圖2）。

經測定，三角形菌落的酵母菌為釀酒酵母JM03，大圓形和小圓形菌落的酵母菌為嗜酒假絲酵母。

項目完成后各小組及時總結分析匯報，分析結果并得出結論，實現知識體系構建。探究實驗成果展示是實驗報告與產品結合，鍛煉了學生的文字表達能力，提高學生藝術審美能力，并在組間進行實驗評價。學生對自制的葡萄酒進行分裝、品嘗與分享，在做科學的過程中品味到科學的有趣和快樂。從科學本質出發，去探究與解決實際問題，關注生物技術在生產生活中的應用，通過解決實際生產生活問題，落實社會責任。

項目實施過程中產生了更多的問題。例如，如何提高發酵中酒精的產量？為了提高酒精產量，是否可以通過改變培養基糖和酸的成分，篩選具有耐高糖和耐酸特性的酵母菌作為理想的酒精發酵菌？在完成項目的時候，通常會產生更多的問題。借助這些不斷生成的問題，學生會繼續進行探究、解決和運用，實現了在創造性思維、科學探究等生物學學科核心素養方面的進步。

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