基于PBL理念的“甜酒制作”STEM活動設計

馬聲秀　閆春更　秦璐　周寶石　周青

摘要：創設“甜酒制作”活動的真實情境，設計了以啟動、計劃、實施、評價四環節為主線的活動體系，以問題為學習的起點，使學生在問題驅動下通過團隊合作解決問題，融問題解決、知識運用、新知建構于一體，將有機化學為主的科學知識、技術知識、工程知識和數學知識跨學科多元融合，發揮了PBL教學模式的優勢，彰顯了STEM教育的價值和意義。

關鍵詞：新課標;甜酒;情境;STEM;PBL

文章編號：1008-0546（ 2019）08-0072-05

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2019.08.023

一、前言

《普通高中化學課程標準（2017年版）》[1]（以下簡稱“新課標”）在課程性質與基本理念中明確提出，“倡導真實問題情境的創設，開展以化學實驗為主的多種探究活動，重視教學內容的結構化設計，激發學生學習化學的興趣，促進學生學習方式的轉變，培養創新能力和實踐能力”。情境教學，特別是以真實生產生活問題情境創設為載體的化學學科教學活動，能夠讓學生經歷從復雜情境中提取關鍵信息.提出問題、形成研究方法或解決方案、實施系統化實踐探索的體驗過程，不僅有助于改善學生實際問題解決能力不強、學科知識結構的可利用性較差等問題，還有助于學生在問題解決的過程中更好地建構化學知識，最終形成從化學視角認識世界、改造世界的基本意識和能力。

在有機化學教學中，如何聯系學生已有經驗降低學習難度，讓學生在生動有趣的教學活動中實現對有機化學重難點知識的突破，一直是化學教學實踐與研究的重要方向。本研究以“甜酒制作”作為主題情境素材，充分挖掘該素材所具有的STEM（Science.Technolo-gy，Engineering，Mathematics）教育價值，并以PBL（Prob-lem-Based Leaming）理念為指導思想創設真實的探究問題序列，引導學生從生活經驗出發，發現問題，運用有機化學知識，整合相關的科學、技術、工程和數學知識，提出實踐和研究的方案，通過團隊合作解決實際問題，促進對學生化學學科核心素養的培育。

二、情境素材分析

教師挖掘優秀傳統文化作為化學學習的源頭活水，可以促進學生的全面發展[2]。我國釀酒歷史源遠而流長，《齊民要術》中系統記載了44例釀酒工藝，對現代釀酒仍具有指導意義[3][4]。甜酒也稱醪糟、甜酒釀，是釀酒技術生活化的產物。它以糯米為主原料，其家庭制作工藝簡便[5]，而工廠釀造工藝分為大罐和小罐兩種[6]。

“甜酒制作”蘊含豐富的有機化學知識，涉及高中化學課程必修課程、選擇性必修模塊和選修課程的多處內容（見表1），與新課標中“釀酒技術”“官能團檢驗”“糧食釀酒”等建議不謀而合。它既來源于生活經驗，又涉及釀酒技術與釀酒工程。另外，創新能力、團隊合作能力、解決問題的能力是從研究性學習和實踐學習中來的，在高中課程中有計劃地、科學地安排研究性學習活動是必要的[7]。

三、學生分析

“甜酒制作”活動在學習《有機化學基礎》之后開展。學生對醇、醛、酸、酯等重要有機物有了一定的了解，掌握了基本的化學實驗操作技能，具備了一定的團隊合作意識，但基于實際問題情境進行問題表征、自主探究、數據分析以及拓展創新的能力還有待提高。

四、活動目標

《教育信息化“十三五”規劃》中倡導積極探索信息技術在跨學科學習中的應用[8];新課標在選修課程系列1學業要求中提出，學生要“能設計有效記錄實驗過程、現象和結果的記錄單”“知道如何規范地撰寫實驗報告”“學習如何進行實驗匯報展示”;合理設計寫作任務也有助于學生達成既定的、清晰的學習目標[9]，。據此，本活動目標設計如下：

（1）了解酒在日常生活中的應用以及與人類健康的關系，了解我國傳統的釀酒技術和現代釀酒工藝，激發化學學習興趣。能制定活動計劃并設計記錄單，熟練進行基本化學實驗操作，通過團隊合作制作甜酒，分析比較常用的酒精度和酸度測定方法，優選方法測定酒精度和酸度。

（2）通過回顧烴的衍生物性質，預測“香味”的可能成分，并進行常見官能團的檢驗;能透過甜酒釀造時的變化、甜酒變質的現象，推測該化學變化本質是淀粉糖化、葡萄糖轉化為乙醇、醇氧化得醛最后變成酸的過程。

（3）能準確測量、計算，對酒精度進行溫度校正;會借助信息技術處理實驗數據，制作表格，繪制酒精度、酸度與時間的關系曲線圖;分別探究酒精度、酸度與時間的關系，得出食用甜酒的最佳時間段，解決生活實際問題;通過撰寫活動報告與匯報，增強科學表達的能力。

五、活動過程

1.發布任務，搜集資料

發布任務：如何制作一壇美味的甜酒？學生帶著“如何制作甜酒”“釀酒技術有哪些”“工藝路線有哪些”等問題展開活動。全班分為5個小組，分別負責查閱5個方面的資料：釀酒技術、傳統釀酒工藝、甜酒家庭制作工藝、甜酒工廠制作工藝和甜酒創新工藝。各組選定組長并分工搜集資料.一周后匯報。

學生以與生活相關的問題作為學習的起點，通過研讀資料獨立思考如何制作甜酒。涉及的知識有：酒餅是釀甜酒常用的酒曲，主要含根霉、酵母等微生物，具有酒化酶活性，可以分解有機物質;在發酵過程中不斷加進熟的、浸泡過的谷物，可以提高酒的酒精濃度[10];酒精度測定方法有密度瓶法、酒精計法、氣相色譜法和數字密度計法[11]（見表2），酸度測定方法有酚酞指示劑法、pH計法和電位滴定法[12]，糖度測定方法有DNS法和糖度計法等（見表3）;普通甜酒最佳工藝參數為：加曲量0.25%、發酵溫度300C、發酵時間60 h[13];各種甜酒釀造工藝[14-16]（見表4）是前期儲備知識的重點，學生整合生活經驗、科學和技術知識以理解工藝路線的步驟和原理，為制定活動方案奠定基礎。可能出現的問題：資料不足，分工不明確。任務發布的第二天，組長向教師簡單匯報組內分工和查資料進展，教師給予建議。教師提供《食品安全標準》、《齊民要術》相關文獻，以及香菇甜酒[17]、靈芝甜酒[18]、莜麥糯米酒[19]、板栗糯米甜酒[20]、綠豆糯米甜酒[21]釀造工藝的文獻。

2.小組匯報，研討方案

全班聽取各小組匯報：教師引導學生凝練出“甜酒制作”的基本步驟——蒸糯米飯、拌酒曲、密封發酵，明確其中的化學變化本質，推測甜酒香味來源于哪幾類物質并提出鑒定方法，思考什么樣的甜酒才是品質優良的，研討后得出基本的“工作思路及要求”。學生結合實際條件選擇原料、器材和藥品，優選酒精度、酸度測定方法，借鑒釀酒技術、釀酒工藝和甜酒制作工藝，以工程的思維制定活動計劃，設計合理的活動記錄單，最終形成活動方案。明確比賽的評判標準：除了得到美味的甜酒之外，還要盡可能詳細地梳理出甜酒制作過程中每個關鍵環節所對應的原理，同時對甜酒制作過程中所運用到和所形成的化學、技術、數學等知識盡可能多地歸納總結。

設計方案并優化，涉及的知識有：釀造過程中淀粉糖化，葡萄糖轉化為乙醇，同時還生成乙酸;甜酒變質的過程中，大量的乙醇連續氧化得乙酸;乙醇與乙酸發生酯化反應得到乙酸乙酯，散發出香味，可能還有其它有機物散發的香味，如亞油酸乙酯（奶香味）、十六酸乙酯（奶香味）、丁酸丁酯（蘋果香）、苯乙醇（玫瑰花香）[22];官能團的鑒別方法，如用銀氨溶液或新制氫氧化銅鑒定醛基、三氯化鐵鑒定酚;選定酒精計法測定酒精度、酚酞指示劑法測定酸度（糖度測定的設備要求較高，較難實踐）;參考多種釀造工藝，如借鑒傳統釀酒技術“多次投料”的辦法提高酒精度。以板栗糯米甜酒為例，呈現活動計劃和活動記錄單（見表5、表6）。可能出現的問題：過于追求創新，步驟表述含糊。若學生計劃添加其它原料，教師認定為合理方案后再著手準備材料;引導學生使活動計劃具體化，步驟簡潔化，把官能團檢驗和酒精度、酸度測定納入活動過程中。

3.分組比賽，制作甜酒

學生分小組平行開展比賽，觀察并詳細記錄甜酒的變化，記錄過程中發現的問題和產生的困惑，組內、組間討論，尋求解決方案。教師是學生學習的促進者、監督者和評價者[23]，協助學生整合化學知識、數學知識、實驗操作技術、釀酒技術、信息技術、釀酒工程完成活動;確保學生準確完成活動過程中的比例控制、測量、讀數、計算、溫度校正;引導學生梳理各環節的原理，完成活動報告;講授Microsoft Excel處理實驗數據的方法，開放化學實驗室，提供實驗室器材、糯米飯和酒餅。

在發酵過程中，學生發現甜酒中有氣泡冒出，起初速度較緩慢，然后變快，后來又變慢了，第5天之后就看不到氣泡冒出了（原料不同時長可能不同）;糯米米粒的顏色逐漸變得光亮透明，酒香漸濃，口感漸佳、酸甜美味，每天持續測定酒精度、酸度，發現酒精度增大，且速度先慢后快然后又變慢，酸度略有增大。發酵結束后，甜酒變渾濁、變酸，測定酒精度和酸度后發現酒精度逐漸降低，酸度明顯增大。學生繪制酒精度與時間關系的曲線圖、酸度與時間關系的曲線圖，分析數據，解釋曲線圖，推出甜酒最佳食用時間段。

4.匯報結果，總結評價

匯報階段，各組代表匯報甜酒制作的成果，全班研討后形成最終的甜酒制作問題與知識結構圖。評價既重視過程性評價，也重視總結性評價：對學生在制作甜酒過程中的表現、甜酒的品質、活動報告情況（科學性、準確性、條理性、完整性）、匯報情況，首先由學生進行自評，再由組內互評、組間互評，最后由教師進行評價。綜合考慮三方面的評價，選出最佳活動小組。“活動報告”示例見表7。

六、結語

活動過程中，教師給予學生適當的幫助，包括原料、儀器設備、場所、小組研討與分工、資料查閱與方案優選、行動計劃、活動記錄等，為學生提供一些問題解決的工具，以保障整體活動的質量和效率。學生合力制定計劃，在真實情景中就遇到的問題及時交流和討論，學習活動背后蘊含的知識，解決生活實際問題，形成一定的獨立思考能力、團隊合作能力、解決問題能力和創新能力。活動結束后，學生在科學知識上鞏固舊知（有機化學）、拓展新知（酒精度、酸度的測定），釀酒技術、計算機技術知識得到深化，數學思維和工程思維得到訓練。

采用新課標的建議將“甜酒制作”引入高中課堂，以問題為學習的起點，活動包括啟動、計劃、實施和評價四個環節（見圖1），打破學科知識與生活經驗、生活實踐之間的“藩籬”，融問題解決、知識運用、新知建構于一體，充分發揮了PBL教學模式的功能價值;創設“甜酒制作”的真實情境，體現了“做中學”的教育思想，使學生在問題的驅動下通過團隊合作解決問題，將有機化學為主的科學知識、技術知識、工程知識和數學知識跨學科多元融合，彰顯了STEM教育的價值和意義[24]。

參考文獻

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