融合STEM理念的柚果酸奶發酵實驗教學探究

徐燕芬，黃飄平，胡位榮

（廣州大學生命科學學院，廣東廣州 510006）

酸奶是廣受學生喜歡的乳制品，不但包含了純牛奶所具備的營養素，不同風味的酸奶還能夠滿足人們不同的口感需求。“發酵工程利用微生物的特定功能規模化生產對人類有用的產品”是普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）生物技術與工程模塊中的一個大概念[1]，本文結合人教版選擇性必修3第1章第1節“傳統發酵技術的應用”，選取酸奶制作為本節課的實驗內容。相比教材中葡萄酒釀制和泡菜腌制，酸奶制作具有更省時的特點，便于在有限的實驗課時內完成實驗教學內容。我國各地的柚類品種（品系）多達200多種，柚果大、清甜爽口，而且果實耐貯藏（2-4個月）[2]。因此，結合柚果取材方便、學生對酸奶特別感興趣等因素，本實驗課開展利用乳酸菌釀制具有柚果芳香的酸奶。

生物學實驗課往往是教師唱主角，講解實驗原理并設計好實驗方案，學生被動聽講后按照既定的實驗方案展開實驗，這樣既不能很好地激發學生的內在學習動機，也無法將生物學理論知識與解決實際問題聯系起來，達不到理想的實驗教學效果。STEM教育理念強調科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）等跨學科的有機融合，突出“做中學”，注重思考、動手、實踐、過程和體驗，已成為國內外基礎教育課程改革的主要趨勢[3]。在開展柚果酸奶的釀制實驗中，融入STEM教育理念，讓學生在自己感興趣的探究方向基礎上成立實驗小組，圍繞實驗主題，根據給定的實驗條件，設計實驗方案，然后經過教師引導、小組再討論的形式，修訂出切實可行的實驗方案并實施實驗，并評價實驗產品、匯報實驗結果，讓學生在親自進行實驗操作的過程中感受生物科學的魅力。

一、材料與儀器設備

（一）實驗材料

原料：蜜柚果肉（圖1），市售全脂純牛奶。

圖1 蜜柚果肉

輔料：市售白砂糖。

菌種：市售五菌型乳菌粉（保加利亞乳桿菌、嗜熱鏈球菌、嗜酸乳桿菌、植物乳桿菌、干酪乳桿菌）。

（二）主要用具與儀器設備

100mL布丁瓶、食品保鮮膜、燒杯、量筒、榨汁機、電子天平、電磁爐、恒溫水浴鍋、恒溫培養箱。

二、融合STEM教育的柚果酸奶發酵實驗教學流程

（一）實物演示，導入實驗主題

為增加課堂趣味性，激發學生興趣，教師先展示一個柚果與一盒純牛奶，詢問學生這兩種食物各有哪些誘人之處，學生會根據生活經驗給出各種各樣的答案；接著，教師根據這些答案進一步提問學生，用什么生物技術方法可以把兩種食物融為一體，既能滿足口感，又不降低兩者的營養價值，從而引出本節實驗課的主題—— 發酵釀制柚果風味的酸奶。

（二）提出問題串，做出假設

隨后，教師提問學生影響柚果酸奶發酵的因素可能有哪些？設計探究柚果酸奶發酵的影響因素試驗方案時應遵循哪些實驗原則？柚果酸奶發酵的流程是什么？從哪些維度對所釀制的柚果酸奶進行質量評定……

學生結合已有知識儲備，可以想到柚果酸奶的發酵可能會受柚果汁添加量、乳酸菌接種量、加糖量的影響。老師做補充，提示學生發酵時間和發酵溫度也會影響柚果酸奶的品質。

（三）小組協作，設計實驗方案

學生在做出假設的基礎上，選擇自己感興趣的探究因素，成立實驗探究小組（表1）。經過協調，5個實驗小組通過查閱資料，設計實驗方案初稿。針對學生在設計過程中容易忽略乳酸菌是厭氧菌的特點，以及在計算實驗材料配比時存在疑問，教師應給予及時的提醒和指導。在教師的指導下，各小組再次討論，對實驗方案進行修改、完善，設計出切實可行的實驗方案。

表1 各實驗小組探究的單因素試驗

（四）組內分工合作，體驗探究過程

為確保實驗得以有序開展，學生小組內成員分工合作，依據擬定的實驗方案，按照實驗步驟和實驗內容開展實驗（表2）。教師、實驗員巡視學生的實驗操作，并適時給予適當指導。各實驗小組做好實驗現象的觀察（圖2）和相關記錄工作。

圖2 發酵中的柚果酸奶

表2 探究實驗的步驟和內容

（五）產品展示，結果評定

各實驗小組展示實驗產品，小組間采用加權評分法對所釀制柚果酸奶的口感、乳清析出狀態等感官質量進行綜合評定（表3）；各小組對評分加以統計，結果取平均值。

表3 感官評定指標和評分

全班共享實驗數據，根據評定結果得出：

1.乳酸菌接種量、柚果汁添加量和加糖量主要影響柚果酸奶的口感：乳酸菌接種量過高，則酸奶口感偏酸，接種量為6%所得評分最高。加糖量過少或柚果汁添加量過高會導致柚果酸奶偏苦，兩者添加量分別為8%和19%釀制出來的柚果酸奶有柚果的芳香，且甜度適中。

2.發酵溫度和發酵時間則主要影響柚果酸奶的乳清析出和組織狀態：發酵溫度過低或發酵時間過短，酸奶有較多乳清析出，凝乳效果不好。以40℃持續發酵8h效果最佳，釀制成的紅肉蜜柚果肉酸奶呈淡淡的粉紅色（圖3）。

圖3 發酵完成的紅肉蜜柚酸奶（淡粉色）

全班同學經過對實驗結果進行評定和數據的統計，得到了影響柚果酸奶發酵因素的最佳實驗條件，從而制定出一個完整的柚果酸奶釀制實驗方案。

（六）思維拓展，表達交流

完成實驗探究后，教師接著啟發學生，除了柚果酸奶，還可以釀制哪些風味的酸奶？添加不同的水果要考慮的因素可能有哪些？針對可能存在的問題，在生產過程中該如何去解決？（比如釀制香蕉酸奶的時候，為了達到更好的感官效果，可能要考慮防褐變等問題；為了解決火龍果汁酸奶穩定性較差的問題，在釀制過程中可能要添加適量穩定劑；釀制百香果酸奶是否需要去籽；工廠化大規模生產柚果酸奶時還需考慮或解決哪些問題等）。教師利用這一系列問題進一步激發學生對發酵技術的好奇心，發散學生的思維，并鼓勵他們課后繼續查閱資料，主動學習更多生物技術與工程的知識。

三、柚果酸奶發酵實驗教學中融合STEM教育理念的啟示

（一）在解決問題中提升科學（S）素養

生物學是研究生命現象和生命活動規律的科學。在本次實驗探究中，為了解決人們對純牛奶與柚果組合后口感佳、富營養的問題，學生提出了釀制柚果酸奶的想法，然后確定探究方向、分小組制定實驗方案、進行實驗探究、并對實驗產品進行評價和結果匯報，從而確定最佳工藝條件。學生在動手制作柚果酸奶的體驗中，會思考諸如為什么要將相關器具滅菌？加入的白砂糖到哪兒去了？乳酸菌粉為什么不能進行高溫滅菌？純牛奶變成酸奶的“酸”是哪里來的？為什么要將制成的酸奶放在2-6℃冰箱中冷藏12h？對這些問題的思考可以幫助學生鞏固理解糖酵解這種生命現象所蘊含的生化知識。同時，在這個過程中，學生也學習了科學實驗的一般方法；進一步加深理解生物學大概念“發酵工程利用微生物的特定功能規模化生產對人類有用的產品”，并養成科學思維的習慣。

（二）在實驗操作中提升技術（T）素養

生物學是一門以實驗為基礎的學科，要求在實驗探究中培養學生的操作技能。在釀制柚果酸奶實驗過程中，學生需要學會正確開展器具的高溫滅菌和恒溫水浴鍋加熱的巴氏滅菌，使用電子天平精確稱量實驗材料，密封瓶口以創造適合厭氧菌種進行生命活動所需的環境，使用恒溫培養箱、低溫冰箱控制發酵進程，并觀察、記錄發酵過程中的現象及產品感官評價。學生通過動手做實驗，才能體驗到規范操作用具、儀器設備和實驗室安全的重要性，形成嚴謹的科學實驗態度。

（三）在知識運用中提升工程（E）素養

工程是基于科學、技術和數學方面的知識，優化技術參數，從而生產出預想中的人造產品的過程[3]。本實驗教學中，教師或實驗員可以采用學生所得5個因素的最佳條件組合來發酵釀制紅肉蜜柚酸奶，供學生們品嘗，讓他們進一步理解學習生物技術在實際生活中的應用，懂得生物技術結合工程設計與人們的美好生活有著密切聯系。教師還可啟發學生思考通過發酵技術可以生產出更多滿足人們不同需求的產品，如制作泡菜、釀制葡萄酒和果醋；詢問學生根據營養價值和勞動技術給這瓶制作的柚果酸奶定價多少為宜？在工廠化大規模生產柚果酸奶時，本實驗中哪些操作方法可以進一步改善以優化生產技術？以此鍛煉學生的工程思維。讓學生在這過程中懂科學、用科學。

（四）在數據處理中提升數學（M）素養

在生物學實驗中，學生需要運用一定的數學思維。本實驗中，從需要懂得計算實驗材料配比的原則，以配制出比例正確的實驗組分；運用數學知識繪制發酵過程中乳酸菌增殖的數量模型；到實驗產品感官評分的賦值、得分的統計分析，從而得出最佳的實驗工藝條件，以及產品成本和能耗的計算，都需要科學性與準確性。這個過程可發散學生的邏輯思維，提升數學素養[4]。

（五）在探究實驗過程中整合科學、技術、工程和數學思維

STEM教育不僅是跨學科的，而且是整合相關學科的。在引導學生提出釀制柚果酸奶這一真實情境問題的基礎上，學生進行了確定探究方向、提出假設、分組討論并設計實驗方案、實施探究實驗、展示產品和結果評價的各個環節，合作解決柚果酸奶的最佳發酵工藝條件這一問題。在這實驗過程中，學生需要發揮一定的數學和工程思維能力，運用科學實驗的技術方法等有機地整合了不同學科的知識和技能[5]。

四、結束語

在本探究實驗教學中，教師結合教學目標，融合STEM教育理念，通過激發學生期望達成“柚果+牛奶”新產品的主觀能動性，逐步引導學生提出問題、分析問題，設計出科學可行的實驗方案，鍛煉學生解決問題的能力，以此培養學生的科學思維，建構微生物在物質代謝和能量代謝中的生命觀念；學生小組協作完成影響發酵產品質量的不同因素的探究實驗，并掌握了規范使用實驗工具和操作規程的方法以保障實驗順利開展，培養小組合作精神和科學探究能力；對發酵產品的評價、工藝優化，讓學生體會到工程觀念在生物學知識運用中的重要性，建構微生物在物質代謝和能量代謝中的生命觀念；而拓展學生思考發酵技術在日常生產生活中的便利應用及規模化生產酸奶中涉及的工程問題，可以增強學生的社會責任感。可見，發酵工程利用微生物特定功能方面的探究性實驗教學，能達成鍛煉學生跨學科的應用能力和培養生物學科核心素養的目標。