基于探究式學習的項目化教學設計
——以“葡萄酒的制作”為例

張建波

(湖北省襄陽市第四中學 湖北襄陽 441021)

探究式學習旨在基于學生已有的認知基礎,通過創設情境,以問題驅動為導向,引導學生獨立自主發現問題、分析問題、解決問題,逐步讓學生從被動地接受學習轉化為主動地探究式學習。

實驗教學是生物學教學環節中的重要組成部分,下文以“葡萄酒的制作”為實驗教學載體,采用探究式教學進行教學設計,對釀制葡萄酒的安全性和可口性進行深入探究,引導學生通過動手操作、調研文獻等方式深入體驗探究式學習,在深入探究的過程中逐漸解決問題,提高學生的科學思維與科學探究的能力。

1 教材和學情分析

1.1 教材分析

“葡萄酒的制作”屬于人教版高中《生物學·選修3·生物技術與工程》第1 章第1 節“傳統發酵技術的應用”中的相關內容,教材介紹了相關操作的實驗原理、實驗菌種等基礎知識、操作環節中的注意事項,以及簡略的實驗設計方案,留給學生自主探究的空間較大。在探究過程中,學生可對實驗中的一些操作過程和發酵裝置進行改進和優化,有利于培養學生的科學思維和社會責任,提高科學探究能力。

1.2 學情分析

學生在《生物學·必修1·分子與細胞》第3章第3 節中已學習和掌握了酵母菌的呼吸作用方式,對于酵母菌在生產酒的應用上有所了解,并表現出了極大的興趣。在生物學課程學習中,學生已多次動手做過教材中的實驗,具備一定的實驗動手能力,但所做的實驗均基于較為成熟的實驗設計,允許學生自主探究和進一步拓展的空間有限。因此,通過讓學生以小組合作的形式開展探究式實驗學習,不僅能提高學生的合作意識和溝通交流的能力,更能加深學生對于自我價值的肯定,激發學生對生物學學科的學習熱情。

2 教學設計思路

本節的整體教學設計思路如圖1所示。其中,以探究家庭釀制葡萄酒的安全性和可口性為總項目,細分成3 個子項目,分別為雜菌污染的探究分析、發酵裝置的改進探究分析、提高發酵產物品質的探究分析,按照發現問題、分析問題、解決問題的科學步驟,教師逐步引導學生進行合作探究分析,培養學生的科學思維與科學探究能力,項目的具體設計如圖2所示。

圖1 “葡萄酒的制作”整體教學設計

圖2 “葡萄酒的制作”項目化內容

3 教學過程

3.1 雜菌污染的探究分析

教師在課堂上帶領學生學習完葡萄酒制作的基礎知識后,引導學生以小組合作的形式動手探究實踐制作葡萄酒,制作完成后進行展示。其中有小組的葡萄酒出現了污染現象,教師進一步引導學生結合自己釀制葡萄酒的操作步驟展開探究,分析引起雜菌污染的原因并提出相應的改進措施。

(1)雜菌污染的原因分析

通過小組合作進行探究分析后,學生提出了可能引發雜菌污染的原因:①清洗葡萄時操作不嚴謹,如未能清洗干凈葡萄導致有雜菌殘留,或未嚴格按照清洗后再去除枝梗的操作順序,導致葡萄破損引發雜菌污染;②手上的雜菌導致在捏碎葡萄時使葡萄被污染;③發酵過程中的排氣操作有雜菌進入;④發酵使用的簡易發酵裝置有雜菌污染。

(2)防止雜菌污染的改進分析

針對上述可能引發雜菌污染的原因,學生提出了相應的解決方案,如嚴格按照操作要求清洗葡萄和去除枝梗,使用酒精對操作者的雙手進行消毒或戴一次性手套進行實驗操作,對發酵裝置使用酒精或高壓蒸汽進行滅菌,以及設計合適的發酵裝置來避免排氣過程引起的雜菌污染。

3.2 發酵裝置的改進探究分析

圍繞如何改進發酵裝置,教師引導班級的興趣小組成員利用課余的時間,通過查閱資料,從發酵裝置的排氣、防雜菌污染、便于取樣、制作材料的獲取等方面展開了深入探究分析,并在課堂上展示本組的改進思路。

(1)圍繞發酵裝置排氣和防雜菌污染的改進探究分析

通過查閱資料,有成員提出生物學中制作泡菜時使用的液封發酵裝置和巴斯德鵝頸瓶實驗裝置(圖3a、b)可實現排氣的同時防止雜菌污染,也有成員提出了利用化學題目中見到的實驗裝置(圖3c)來進行改進,還有成員想到可考慮使用物理學上的單向閥(圖3d)進行改進,整個思維的過程實現了跨學科的碰撞,但上述的裝置并不便于取樣,且需要特定的裝置來進行改進。

圖3 發酵裝置改進分析圖

(2)圍繞發酵裝置取樣和制作材料獲取的改進探究分析

為便于取樣,小組成員開展了市場調研,發現市場上在售的大體積發酵裝置的下方有一個水龍頭便于取樣,但這樣的裝置價格較貴,且并不適合排氣,在綜合各方考慮后,小組成員決定利用身邊的常見材料動手制作發酵裝置。經小組成員調查發現,日常生活中的“尖叫”飲料瓶瓶塞有個特殊的膜,可保證當瓶內壓強變大時膜被撐開進行排氣,通過將其與5 L 礦泉水瓶結合,再連接一個水龍頭,就得到了一個簡易的發酵裝置。此外,小組成員還了解到學校實驗室有相應的玻璃瓶,下方的出口可滿足取樣的要求,而上方瓶子和瓶塞的孔對齊后可滿足排氣的要求,錯開后具有防止雜菌污染的作用。

3.3 提高發酵產物品質的探究分析

由于發酵裝置安全并不能保證發酵產物安全和可口,圍繞如何提高發酵產物的品質,教師首先介紹國家標準文件中對于葡萄酒的評價標準,并通過查閱文獻提煉出了評價葡萄酒品質的酒精度、糖度、pH 這三個重要指標。隨后,教師引導班級的興趣小組成員利用學校實驗室的儀器檢測了學生所釀制的葡萄酒在上述三個評價指標上的表現,最后引導小組成員通過查閱文獻探究分析影響發酵產物品質的可能因素。

(1)圍繞葡萄和酵母菌品種的探究分析

利用中國知網查閱資料,小組成員發現不同品種的葡萄釀制出的葡萄酒口感差別很大,通過在購物網站上檢索得知,不同產地種植的同一品種的葡萄釀制出的葡萄酒的品質和價格也有很大的差異。此外,小組成員還注意到不同果酒發酵利用的酵母菌品種并不相同。因此,小組成員建議可通過更換葡萄品種和接種專業的釀酒酵母來提高發酵產物的品質。

(2)圍繞發酵條件和處理方式的探究分析

由于葡萄酒發酵利用的是酵母菌的無氧呼吸,小組成員聯想到可通過控制發酵條件中的溫度和pH 來提高發酵產物的品質。由于發酵過程中發酵液的pH會發生變化,因此探究分析主要圍繞發酵溫度展開。隨后小組成員通過文獻檢索得知,溫度確實會影響發酵產物的品質。此外,小組成員在檢索文獻后發現,清洗完葡萄后的處理方式,如榨汁或手捏的處理不充分,會導致大量的多糖殘余從而使得發酵不充分進而影響發酵產物的品質,國內外的眾多研究會在果酒的釀制中添加果膠酶進行處理,不僅可提高發酵產物品質,還有利于果汁的澄清和提高出汁率。因此,為提高發酵產物的品質,小組成員建議可通過設置溫度梯度實驗來摸索釀制葡萄酒的最適溫度,以及可考慮在葡萄酒的釀制過程中添加果膠酶來進一步探究。

4 教學反思

基于探究式學習的理念,本節課設置了多個不同的探究性學習子項目,通過小組合作、討論分析、查閱資料、動手實踐和展示成果等過程,讓學生在小組合作中提高溝通能力,在討論分析中培養科學思維,在查閱資料中將理論與實踐相結合,在動手實踐中提高科學探究能力,在展示成果時歷練表達能力。在整個過程中,知識在實踐中得到了落實與應用,能力在探究中得到了提高與鍛煉,素養在合作中得到了培養和提升,有效落實了新高考評價體系中對于生物學學科核心素養中的生命觀念、科學思維、科學探究、社會責任的培養要求。