STEM教育理念下“果酒和果醋的制作”實驗研究

安徽蕪湖市第十二中學（241000） 李金花 熊正和

生物學是一門實驗科學，它來源于生活，應用于生活。STEM 教育是一種集科學、技術、工程、數學知識于一體的跨學科綜合教育模式。STEM教育理念下的生物學實驗教學不同于傳統的生物學實驗教學，它不以實驗結果的出現而終止探究，而是鼓勵學生積極開動腦筋，對實驗現象進行討論，并提出改進方案，進行更深入的探究，以此加深學生對知識的理解，進一步提高學生的能力。項目式學習是一種動態的學習方法，通常以學習小組的形式進行。學生通過項目式學習可以鍛煉創造能力、團隊合作能力、動手能力和項目執行能力。本文以“果酒和果醋的制作”實驗為例，探討STEM 教育理念下項目式學習在高中生物技術實踐中的應用。

一、研究內容

發酵是通過微生物的培養來大量生產各種代謝產物的過程，包括有氧發酵和無氧發酵。果酒和果醋是日常生活中常見的飲品，其發酵原理不同，果酒是無氧發酵，而果醋則是有氧發酵。果酒和果醋的制作不需要特殊的實驗用具或器材，可操作性強，成本低。本課題以人教版教材選修1 專題1 中的“果酒和果醋的制作”實驗為研究內容。

二、研究方法

受實驗條件和時間等因素的限制，本課題僅能以興趣小組的形式安排部分學生參與實驗研究。具體研究方法有文獻研究法、實驗研究法等。以任務驅動開展課題研究的具體流程為：確定課題→設計實驗→進行實驗→分析交流→完善實驗→總結經驗。在STEM 教育理念下，學生以小組為單位，通過問題導向的項目化學習，設計合理的實驗方案，并據此開展實驗探究，很好地培養了生物學學科核心素養。

三、研究過程

（一）實驗原理

酵母菌是兼性厭氧型的單細胞真菌，在有氧條件下能進行有氧呼吸，大量繁殖；在無氧條件下能將有機物分解為酒精和二氧化碳。醋酸菌是異養需氧型的單細胞細菌（原核生物），當氧氣、糖源都充足時，可將葡萄糖分解成醋酸；當缺少糖源時，可先將乙醇變為乙醛，再將乙醛變為醋酸。

（二）實驗材料選擇和條件控制

蕪湖位于安徽省東南部，屬于亞熱帶濕潤季風氣候，全年光照充足，雨量充沛。本實驗以蕪湖本地盛產的江北葡萄為實驗材料，選用當天采摘的和采摘一天后的葡萄進行對比實驗。因為附著在葡萄皮上的野生型酵母菌數量較少，且發酵過程中容易被混入的雜菌污染，影響發酵效果，所以可在發酵過程中接種適量酵母菌，以形成種群優勢，保證實驗成功。目前市場上很難購買到釀酒酵母，本實驗用用于食品發酵的干酵母代替。前期控制無氧條件，通過厭氧發酵產生酒精，制作果酒；后期轉入有氧發酵，產生醋酸，制作果醋。

（三）分組實驗

果酒和果醋的制作實驗雖然操作簡單，但是需要較長的時間，在課堂中開展不切實際。為了有效實現實驗教學目標，教師通常布置學生在家自行完成。基于以上情況，本實驗分2個組開展，實驗組1模擬實驗室條件，以當天采摘的新鮮葡萄為實驗材料，采用果酒、果醋發酵裝置，并接種適量的酵母菌。實驗組2 模擬家庭環境，以采摘一天后的葡萄為實驗材料，采用家中普通的玻璃瓶為發酵裝置，接種適量的酵母菌并添加適量白糖。兩個實驗組的葡萄均清洗干凈后去梗，并用榨汁機榨汁后倒入發酵裝置中。發酵6 天后過濾，轉入有氧條件，繼續進行醋酸發酵。

（四）實驗結果及分析

表1 果酒制作

實驗組1的果酒發酵24小時后，發酵液表面出現大量泡沫，能看見發酵液在翻騰，發酵瓶底部出現一層沉淀物。實驗組2 的果酒發酵24 小時后現象不明顯，36 小時后可見發酵液表面有大量泡沫，發酵液在翻騰，發酵瓶底部有大量白色沉淀物。實驗組1在24小時后就能聞到酒香味，實驗組2在36小時后才聞到酒香味，可推測實驗組2 的果酒發酵速度慢于實驗組1。隨著發酵時間延長，實驗組1和實驗組2 的發酵液表面泡沫逐漸變少，聚集成塊，有的黏附在發酵瓶的瓶壁上，發酵液也不再翻騰，推測酵母菌在大量死亡，可聞到濃郁的酒香味。

若發酵初期發酵液翻騰，表面出現大量泡沫，可能是雜菌大量繁殖所致，也可能是接種的酵母菌數量過多，產生大量CO2氣體所致。本實驗為保證成功，接種了適量的酵母菌以形成優勢種群，故上述現象應該是接種的酵母菌數量過多所致，優化實驗時可適量減少酵母菌的接種數量。發酵瓶底部出現的白色沉淀物是被攪碎后的果肉和果核，屬于正常現象，后期可進行過濾去除。

有學生對發酵6 天后的果酒進行過濾，然后提問：制作的果酒為何不像市場上賣的葡萄酒那樣色澤好看且澄清？查閱文獻及資料可知，添加適量的果膠酶可以使果汁變得澄清，故可在實驗組1 和實驗組2 的發酵液中添加適量果膠酶，改變實驗條件，在有氧條件下，繼續進行果醋發酵。醋酸發酵24 小時后觀察發現，發酵液色澤紅亮透明，發酵瓶底部可見一層沉淀物，仍然可以聞到濃郁的酒香味，取少量發酵液品嘗，發現酒味中夾雜少許酸味。果醋發酵6 天后，色澤更加紅亮透明，取少許發酵液品嘗，發現醋味中夾雜少許酒味。

有學生提問：如果家中沒有榨汁機，是否可以直接用葡萄做實驗？基于此增設實驗組3：直接用未榨汁的葡萄做實驗。手戴一次性手套，將葡萄捏破，使葡萄皮與果肉分離，并添加適量的葡萄糖，接種少許酵母菌；為了提高出汁率和果汁澄清度，添加適量的果膠酶。實驗組3的果酒發酵24小時后，出現明顯分層，葡萄皮和果肉漂浮在發酵液上方，有少量氣泡從發酵瓶底部冒出；36 小時后，發酵液顏色變深，葡萄皮中的色素充分溶解在發酵液中，將上層果肉及果皮漂浮物去除，繼續進行發酵。與實驗組1 和實驗組2 相比，實驗組3 的發酵液顏色更紅，故帶皮發酵的葡萄酒色澤更濃。實驗組3 因在果酒制作環節中已添加果膠酶，故果醋制作環節未添加果膠酶。實驗組3果醋發酵6天后未見沉淀物，色澤紅但不透亮（如圖1），取少許發酵液品嘗，發現醋味中夾雜少許酒味。

圖1 果醋發酵6天后

在表達與交流環節，有學生指出：因空氣中的醋酸菌數量較少，又未添加醋酸菌種，所以影響果醋的發酵，使果醋口感變差。學生查閱資料后，提出改進方案：人工接種醋酸菌，具體的方法是打開一瓶食醋，將其暴露在空氣中，一段時間后，醋的表面就會形成一層薄膜（主要是醋酸菌），可以用這層薄膜進行接種。但學生經過具體實驗操作后發現，很難形成醋酸菌菌膜，于是決定購買釀醋醋酸菌進行接種。在該實驗的基礎上添加醋酸菌菌種，繼續發酵2天后進行品嘗，發現醋味變濃。

（五）總結與評價

在上述實驗的基礎上，學生提出家庭釀制果酒的優化方案：挑選當天采摘的較為成熟的紫紅色葡萄，因果皮中含有的單寧成分可增加葡萄酒的口感，故選果皮偏厚一點的葡萄更好。手戴一次性手套，人工捏碎葡萄，使果皮和果肉分離并擠壓出汁，加入適量活化的酵母菌、果膠酶、白糖或冰糖，攪拌均勻后裝入大的玻璃容器中密封，進行自然發酵。在發酵過程中，葡萄皮中的色素溶解在發酵液中，使發酵液呈紫紅色。因為發酵過程中會產生氣體，所以玻璃容器中的葡萄不要裝得太滿，要留有一定的空間，定期放氣。發酵3～7 天，葡萄皮會全部漂浮上來且發酵液不再產生氣泡，此時發酵已結束。將果肉和果皮的漂浮物撈出后過濾，添加適量的果膠酶，繼續進行發酵并儲存。

在實驗過程中，學生不以實驗結果的出現而結束探究，教師根據學生提出的問題，鼓勵學生不斷調整實驗方案，培養他們的質疑精神和探究精神。讓學生通過搜集果酒釀制歷史，領略中華傳統文化，培養民族自豪感，樹立社會責任意識。鼓勵學生積極參與實驗設計，讓學生在合作交流中探索未知，在發現、探究、操作的過程中獲得知識，體驗成功的樂趣，培養科學探究能力。此外，在整個實驗中，還培養了學生收集和處理信息的能力、對實驗現象進行分析和對實驗結果進行評價的能力、用簡單的生物學術語表述問題的能力以及利用已學知識解決實際問題的能力，發展了學生的科學思維。

在課程評價方面，不再以考試成績作為唯一標準，注重過程性評價和結果性評價相結合，既重視學生學習過程中獲取的知識，又注重學生的動手實驗能力和科學素養。教師依據已制訂的課程評價指標，對各小組的實驗完成情況分別賦分，并納入學生的綜合素質評價體系中，以落實“學業評價促發展”的目標。本課題對學生的評價指標主要指向學生的信息收集和處理能力、實驗設計能力、工藝流程的優化能力、小組合作能力、表達交流能力、動手操作能力等，體現了從課堂的學習延伸到課外的實踐活動，很好地落實了“嘗試解決生產生活中的生物學問題的擔當和能力”這一社會責任素養的培養。在實驗研究過程中，學生不再是被動地接受知識，而是自主探究，合作交流，從中體會到了科學家進行科研的艱辛，從而在心中埋下科研的種子。

四、實驗研究反思

“果酒和果醋的制作”實驗教學主要培養學生的動手實驗能力，同時也培養學生的生命觀念、科學思維、科學探究、社會責任等生物學學科核心素養，讓學生養成良好的思維模式和學習習慣，為今后的學習奠定良好的基礎。

本課題的研究以學生為主體，以小組合作的方式引導學生進行探究、討論，促使學生逐步理解知識本質。在實踐過程中，學生意識到“做課題”并不是一件稀奇的事情，從而為他們今后進入大學學習、研究做好鋪墊。教師的任務不僅僅是傳授文化知識，更重要的是培養學生的學習能力，讓他們學會學習、熱愛學習、敢于探究、懂得合作、善于表達，爭做創新型人才，勇擔社會責任。

通過課題研究，教師也可以發現自己教學中存在的問題，并及時改進，提升教學水平和能力，從而最大限度地促進自己的專業發展。