聚焦重要概念 突破核心問題
——“發酵工程”專題復習策略

廣東 張錄璐 羅惠峰

《普通高中生物學課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)重視以學科大概念為核心，使課程內容結構化；以主題為引領，使課程內容情境化；促進學科核心素養的落實。大概念是在若干重要概念基礎上形成的，而重要概念能夠“向上”提煉大概念、“向下”統領次位概念，故重要概念是連接生物學課程知識與生物學學科核心素養的橋梁，能較好地統攝與整合學生在關鍵能力、必備品格和價值觀念這三個方面的發展。因此，聚焦重要概念組織教學，通過核心問題對重要概念進行剖析，可以促進學生明確次位概念、重要概念和大概念，促進學生建構三者之間的內在邏輯體系，從而更好地發展生物學學科核心素養。以“發酵工程”專題復習為例，筆者結合高考試題的分析和教學實踐，提出“聚焦重要概念、突破核心問題”的復習策略。

1.基于重要概念考查的試題分析

2021年廣東省普通高中學業水平選擇性考試生物學試題第21題以糖蜜、餐廚垃圾等廢棄原料生產可降解材料為科研探索情境，以可降解材料的發酵生產為對象，鼓勵考生將所學的生物學原理和方法運用到生產中，解決實際的工程技術問題。

【例1】(2021年，廣東卷，第21題)中國科學家運用合成生物學方法構建了一株嗜鹽單胞菌H，以糖蜜(甘蔗榨糖后的廢棄液，含較多蔗糖)為原料，在實驗室發酵生產PHA等新型高附加值可降解材料，期望提高甘蔗的整體利用價值。工藝流程如圖1所示?；卮鹣铝袉栴}：

圖1 開放式發酵系統

(1)為提高菌株H對蔗糖的耐受能力和利用效率，可在液體培養基中將蔗糖作為________，并不斷提高其濃度，經多次傳代培養(指培養一段時間后，將部分培養物轉入新配的培養基中繼續培養)以獲得目標菌株。培養過程中定期取樣并用________的方法進行菌落計數，評估菌株增殖狀況。此外，選育優良菌株的方法還有________等。(答出兩種方法即可)

(2)基于菌株H嗜鹽、酸堿耐受能力強等特性，研究人員設計了一種不需要滅菌的發酵系統，其培養基鹽濃度設為60 g/L，pH為10，菌株H可正常持續發酵60 d以上。該系統不需要滅菌的原因是________。(答出兩點即可)

(3)研究人員在工廠進行擴大培養，在適宜的營養物濃度、溫度、pH條件下發酵，結果發現發酵液中菌株H細胞增殖和PHA產量均未達到預期，并產生了少量乙醇等物質，說明發酵條件中________可能是高密度培養的限制因素。

(4)菌株H還能通過分解餐廚垃圾(主要含蛋白質、淀粉、油脂等)來生產PHA，說明其能分泌________。

試題聚焦重要概念“3.1獲得純凈的微生物培養物是發酵工程的基礎”和“3.2發酵工程為人類提供多樣的生物產品”。主要考查微生物的篩選、培養基的成分、微生物計數、選育優良菌株的方法、滅菌和酶專一性等必備知識，需要考生在深刻理解微生物培養與應用理論的基礎上，結合酶、細胞呼吸及育種等知識，根據新情境進行分析判斷，辯證地分析問題、解決問題?；谏鲜鰧Ω呖颊骖}的分析，明晰高考的命題常著眼于科技前沿，鼓勵考生積極主動嘗試將所學的生物學原理和方法應用到生產中，解決實際的工程技術問題。為此筆者嘗試了如下專題復習策略。

2.專題復習策略

2.1明確重要概念 錨定復習目標

基于單元整體備課策略，復習前依據《課程標準》明確單元重要概念，如發酵工程的內容要求為“發酵工程利用微生物的特定功能規?；a對人類有用的產品”。此大概念包含2個重要概念和8個次位概念(表1)。

表1 概念的層級

接著，結合各層級的概念、學生的知識背景和學習能力確立專題復習目標：(1)通過微生物的純化培養，體驗和理解滅菌技術、無菌操作技術、培養基及其配制；(2)闡明平板劃線法和稀釋涂布平板法等分離方法的原理及應用，理解獲得純凈的微生物培養物是發酵工程的前提；(3)通過分離目的菌的實驗，體驗科研探究過程，概述稀釋涂布平板法和顯微鏡計數法是測定微生物數量的常用方法；(4)通過果酒、果醋制作等活動，體驗發酵技術在食品生產中的應用；(5)通過發酵工程在醫藥、食品等工業生產中的應用實例，闡明發酵工程的概念。

2.2提煉核心任務 突破核心問題

確立專題復習目標后，應如何組織教學，提升學生的關鍵能力，進而提高學生解決實際問題的能力呢？筆者以教材“發酵工程”的基本環節：菌種的選育、擴大培養、培養基的配制、滅菌、接種、發酵、產品分離、提純等為主線對各知識進行串聯(圖2)，提煉出本專題的三個核心任務，進一步對核心任務進行解構，設計系列指向重要概念的問題串(表2)，并一一加以突破。

圖2 發酵工程的關鍵環節與需解決的問題

表2 核心任務和問題串

通過上述的問題串，引導學生經歷分析、判斷、綜合、評估、提問、爭議、質疑、證明等一系列深度學習過程。在解決問題的過程中，學生既能形成解決問題的基本思路和方法，又培養了其應對困難和挑戰的必備品格與關鍵能力。

2.3厘清邏輯關系 建構知識體系

圍繞核心任務組織教學，設計系列問題串讓學生對學習的重難點加以突破，但任務之間或知識點之間往往存在著內在的邏輯關系，因此最終必須將單一、零散的知識構建成系統的網絡體系，建構大單元圖譜(圖3)。

圖3 大單元圖譜

2.4指向重要概念 發展學科核心素養

在復習完單元內容后，為加強對重要概念的深度理解和對知識的遷移應用，還需設計著力于解決真實情境中問題的試題。

【例2】普通釀酒酵母菌的酒精發酵超過40℃就基本停止。研究人員以釀酒所用高溫酒曲為研究對象，以期選育出優良的耐高溫酵母菌，應用于工業生產。回答下列問題：

(1)已知酵母菌培養基的組分中含有1%酵母膏、2%蛋白胨、2%葡萄糖等，其中能為酵母菌提供氮源的組分是________，對培養基滅菌的方法是________。

(2)根據菌落的________(寫出2點)等特征，分離篩選得到3株純種耐高溫酵母菌，分別標記為S1、S2、S3。

(3)將已知菌數的S1、S2、S3菌株懸浮液接種至麥芽汁培養基中，取若干個樣品，設置系列溫度梯度(45～54 ℃)，經過相同時間培養后，通過________法統計酵母菌的存活數，以檢測酵母菌的耐熱性。結果表明菌株S1、S2和S3的最適生長溫度分別為45 ℃、51 ℃和48 ℃。在此基礎上，可進一步做________條件下酵母菌產酒精能力的測定，以獲得所需的目的菌種。

(4)在相對高溫的工業生產中，與普通釀酒酵母菌相比，應用耐高溫酵母菌能進一步提高出酒率，其原因是________(寫出1點)。

(5)長期以來，高溫菌株的選育主要集中在自然界篩選和高溫馴化。此外，還可以通過________(至少寫出1種)等方法進一步改良酵母菌的耐熱性，提高發酵能力。

【參考答案】

(1)酵母膏和蛋白胨 高壓蒸汽滅菌法

(2)形狀、大小、隆起程度、顏色(任意2點)

(3)稀釋涂布平板 無氧、高溫

(4)耐高溫酵母菌能夠適應高溫環境，相應的酒精發酵過程旺盛；反應物的利用率更高；在高溫環境下雜菌數量減少(任意1點)

(5)誘變育種、細胞融合、基因改造(任意1點)

【分析】本題以篩選耐高溫酵母菌的過程為線索，將微生物的培養、無菌技術等知識貫穿其中，重視核心主干知識，強調在實際情境中考查學生對微生物技術流程的理解與應用。從而落實《生物技術與工程》重要概念。

指向重要概念的試題，往往是通過生活中某一特定的生物技術進行考查，遵循“生物學—生活—生物技術”三個方面的內容展開。如酵母菌的生物學內容包括結構特點、代謝類型、生態學位置等；生活內容包括食用(發面、釀酒)，藥用(富含微生物和酶)，飼料用(蛋白質含量30%～40%)等，從而可涉及釀酒、微生物培養、果膠酶、固定化細胞、蛋白質的分離純化等生物技術；考查內容包括酵母菌作為高等真核生物是人類基因組研究的模式生物；單細胞真核生物的酵母菌具有比較完備的基因表達調控機制和對表達產物的加工修飾能力。通過設計新的問題情境考查學生知識的遷移應用能力，最終達成對重要概念的落實。

綜上所述，以重要概念統攝的主題化單元教學的深度教學模式強調讓學生經歷完整的學習過程，使書本上零散的知識內化為結構化體系，避免知識點之間的孤立，從聚焦重要概念的整體感知，到指向核心問題的分步學習，然后建構大單元圖譜，逐步形成學科核心素養、發展必備品格和關鍵能力。