STEM理念下傳統(tǒng)發(fā)酵工程系列實驗項目式教學(xué)

宋金艷　馬金剛　呂樂

摘要 以“葡萄酒中優(yōu)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(xué)在高中生物學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用。本項目以真實情境為驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生運用生物學(xué)知識、技術(shù)和數(shù)學(xué)方法，小組合作開展科學(xué)探究活動，充分發(fā)揮實驗教學(xué)在提升學(xué)生核心素養(yǎng)方面的作用。

關(guān)鍵詞 STEM理念項目式教學(xué) 葡萄酒 酵母菌

中圖分類號C633. 91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

STEM教育最早出現(xiàn)于美國的大學(xué)教育中，是科學(xué)（science）、技術(shù)（technology）、工程（engineering）和數(shù)學(xué)（mathematics）四門學(xué)科英文首字母的縮寫，強調(diào)跨學(xué)科的融合。倡導(dǎo)以工程設(shè)計過程為主導(dǎo)，以學(xué)生的主動實踐為中心，通過合作完成在真實情境中的學(xué)習(xí)。

下面以人教版高中生物學(xué)選修教材中的傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)為基礎(chǔ)，制作葡萄酒，分離純化酵母菌，測定生長曲線，結(jié)合現(xiàn)代基因測序，進(jìn)行菌種鑒定為例。嘗試運用STEM理念，借助項目式教學(xué)的方法，以真實情境作為問題驅(qū)動，通過小組合作學(xué)習(xí)的方式開展融合各學(xué)科知識的項目探究，以期提升學(xué)生創(chuàng)新性思維、科學(xué)探究、社會責(zé)任等學(xué)科核心素養(yǎng)。項目探究過程中生成性問題的出現(xiàn)，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(yōu)勢菌種的分離、純化與鑒定是選修模塊傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)專題，同時運用微生物的實驗室培養(yǎng)及現(xiàn)代基因工程技術(shù)，完成制作葡萄酒，測定酒精含量，對葡萄酒中的菌種進(jìn)行培養(yǎng)、分離、純化與測定。嘗試用平板劃線法和稀釋布法進(jìn)行酵母菌和乳酸菌的分離與純化，顯微鏡計數(shù)法和分光光度計法測定酵母菌種群數(shù)量，建立數(shù)學(xué)模型結(jié)束變動規(guī)律，并對菌種進(jìn)行分子鑒定。這既是對必修內(nèi)容的擴展和應(yīng)用，又是對生物工程和技術(shù)的認(rèn)識和理解。實踐環(huán)節(jié)是幫助學(xué)生達(dá)成教學(xué)目標(biāo)的關(guān)鍵，學(xué)生自己設(shè)計實踐方案并進(jìn)行實驗，完成項目學(xué)習(xí)，能夠?qū)⑸飳W(xué)理論與生物技術(shù)進(jìn)行有機結(jié)合。同時，基因工程、發(fā)酵工程都是生物技術(shù)的重要內(nèi)容，更是高中生物學(xué)習(xí)的重點與難點，也是高頻考點。課程實驗與理論同時開設(shè)，理論學(xué)習(xí)后可及時操作驗證，分析實驗結(jié)果后進(jìn)一步完善實驗方案，理解理論知識，建立生物科學(xué)素養(yǎng)的生命觀念、科學(xué)探究能力。

1.2 項目目標(biāo)

小組能夠設(shè)計葡萄酒中優(yōu)勢菌種的分離、純化與鑒定的整體方案，闡明發(fā)酵技術(shù)、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(yōu)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(jìn)行撰寫報告，相互討論，借助互聯(lián)網(wǎng)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(jié)果在互聯(lián)網(wǎng)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(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊合作意識和積極參與探究、熱愛生物科學(xué)的情感體驗。

1.3 項目內(nèi)容及任務(wù)分解

在任務(wù)驅(qū)動下，興趣小組查閱了發(fā)酵工程、基因工程與微生物培養(yǎng)的相關(guān)論文，充分交流后，明確：發(fā)酵工程與基因工程的原理;優(yōu)勢菌種的分離、純化、培養(yǎng)與鑒定的技術(shù)？成功制作葡萄酒的條件;優(yōu)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(shù)支持：傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)、微生物的實驗室培養(yǎng)，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(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)實驗資資源、實驗過程、數(shù)據(jù)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(jìn)學(xué)生形成科學(xué)思維，培養(yǎng)科學(xué)探究能力，發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

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(yōu)勢菌種的分離與純化一測定酵母菌種群數(shù)量變化一優(yōu)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(zhì);再緩慢晃動洗清其表面污垢，保護(hù)葡萄表面天然的酵母菌，最后再用涼開水清洗。

發(fā)酵裝置采用運動型瓶蓋飲料瓶、帶進(jìn)出氣體軟管的發(fā)酵罐與玻璃發(fā)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(jìn)入，來源廣泛，成本低廉，可廣泛用于中學(xué)實驗。帶進(jìn)出氣體軟管的發(fā)酵罐，可直接在排氣管水封中滴加溴麝香草酚藍(lán)（BTB）檢測發(fā)酵產(chǎn)物二氧化碳，溶液由藍(lán)變綠再變黃，玻璃發(fā)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(fā)酵條件對酒精含量的影響，以及酵母菌無氧呼吸產(chǎn)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(fā)酵程度，且隨著接種量增多，發(fā)酵速度變快，發(fā)酵周期會縮短。實踐發(fā)現(xiàn)，500mL葡萄液接種酵母1.0-1.5 g為宜。這樣可保證發(fā)酵充分進(jìn)行，現(xiàn)象明顯易觀察，且發(fā)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(jié)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(yōu)勢菌種的分離與純化

酵母菌作為微生物的實驗室培養(yǎng)材料，安全易得，為學(xué)生生活中常見菌種。根據(jù)微生物的代謝需求，分析培養(yǎng)基配制的知識，設(shè)計相關(guān)培養(yǎng)程序，對未添加酵母菌組用豆芽汁葡萄糖培養(yǎng)基選擇培養(yǎng)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(jìn)行分離與純化。挑選初步得到了菌株進(jìn)行簡單染色，顯微鏡觀察菌種形態(tài)并計數(shù)。

選擇培養(yǎng)后，有三角形、大圓形和小圓形三種形態(tài)菌落，再次接種到豆芽汁葡萄糖液體培養(yǎng)基中，30℃、200 rpm，培養(yǎng)2d。重復(fù)上述培養(yǎng)以獲得酵母菌純菌株分別進(jìn)行顯微鏡與電鏡下觀察酵母菌形態(tài)結(jié)構(gòu)及出芽生殖并計數(shù)。在此過程中，學(xué)生能夠熟練掌微生物培養(yǎng)與顯微技術(shù)的一般方法，更好地觀察酵母菌菌落、個體的形態(tài)以及出芽生殖現(xiàn)象，同時說明生命活動的維持包括物質(zhì)代謝和能量代謝。

2.3 繪制酵母菌種群數(shù)量變化曲線

采用無菌操作技術(shù)向每個100 mL豆芽汁葡萄糖培養(yǎng)基的三角瓶中試管準(zhǔn)確加入酵母菌懸液1mL，輕輕振蕩混勻，設(shè)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(yǎng)。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(yǎng)物（標(biāo)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(yǎng)菌液中搖勻各取5 mL，將酵母菌培養(yǎng)液進(jìn)行適當(dāng)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(yǎng)基調(diào)零點，在680 nm波長，從最稀濃度的菌懸液開始，依次進(jìn)行測定OD值，計算酵母菌數(shù)量，并繪制曲線，結(jié)果如圖1所示。其中，三角形、大圓形和小圓形三種形態(tài)菌落分別標(biāo)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(nèi)呈對數(shù)增長，12-30 h增長緩慢，30 h后數(shù)量開始下降。符合種群增長“S”型曲線規(guī)律，30 h后種群數(shù)量開始下降與培養(yǎng)基營養(yǎng)物質(zhì)減少，培養(yǎng)瓶內(nèi)達(dá)到最大環(huán)境容納量。在實驗數(shù)據(jù)的處理上，學(xué)生用數(shù)學(xué)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(zhì)和規(guī)律。

2.4 葡萄酒中優(yōu)勢菌種的鑒定

對分離的菌種分別進(jìn)行基因組DNA的提取，進(jìn)行18S rDNA片段的PCR擴增，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(chǎn)物進(jìn)行序列測序，將所測序列進(jìn)行BLAST分析，獲得菌株信息（圖2）。

經(jīng)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(jié)分析匯報，分析結(jié)果并得出結(jié)論，實現(xiàn)知識體系構(gòu)建。探究實驗成果展示是實驗報告與產(chǎn)品結(jié)合，鍛煉了學(xué)生的文字表達(dá)能力，提高學(xué)生藝術(shù)審美能力，并在組間進(jìn)行實驗評價。學(xué)生對自制的葡萄酒進(jìn)行分裝、品嘗與分享，在做科學(xué)的過程中品味到科學(xué)的有趣和快樂。從科學(xué)本質(zhì)出發(fā)，去探究與解決實際問題，關(guān)注生物技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，通過解決實際生產(chǎn)生活問題，落實社會責(zé)任。

項目實施過程中產(chǎn)生了更多的問題。例如，如何提高發(fā)酵中酒精的產(chǎn)量？為了提高酒精產(chǎn)量，是否可以通過改變培養(yǎng)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(fā)酵菌？在完成項目的時候，通常會產(chǎn)生更多的問題。借助這些不斷生成的問題，學(xué)生會繼續(xù)進(jìn)行探究、解決和運用，實現(xiàn)了在創(chuàng)造性思維、科學(xué)探究等生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)方面的進(jìn)步。

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