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(yīng)用于生活。STEM 教育是一種集科學、技術(shù)、工程、數(shù)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(tǒng)的生物學實驗教學，它不以實驗結(jié)果的出現(xiàn)而終止探究，而是鼓勵學生積極開動腦筋，對實驗現(xiàn)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(tài)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(chuàng)造能力、團隊合作能力、動手能力和項目執(zhí)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(shù)實踐中的應(yīng)用。

一、研究內(nèi)容

發(fā)酵是通過微生物的培養(yǎng)來大量生產(chǎn)各種代謝產(chǎn)物的過程，包括有氧發(fā)酵和無氧發(fā)酵。果酒和果醋是日常生活中常見的飲品，其發(fā)酵原理不同，果酒是無氧發(fā)酵，而果醋則是有氧發(fā)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(nèi)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(wù)驅(qū)動開展課題研究的具體流程為：確定課題→設(shè)計實驗→進行實驗→分析交流→完善實驗→總結(jié)經(jīng)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(shè)計合理的實驗方案，并據(jù)此開展實驗探究，很好地培養(yǎng)了生物學學科核心素養(yǎng)。

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(yǎng)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?yōu)橐胰?，再將乙醛變?yōu)榇姿帷?/p>

（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(chǎn)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(shù)量較少，且發(fā)酵過程中容易被混入的雜菌污染，影響發(fā)酵效果，所以可在發(fā)酵過程中接種適量酵母菌，以形成種群優(yōu)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(fā)酵的干酵母代替。前期控制無氧條件，通過厭氧發(fā)酵產(chǎn)生酒精，制作果酒；后期轉(zhuǎn)入有氧發(fā)酵，產(chǎn)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(xiàn)實驗教學目標，教師通常布置學生在家自行完成?；谝陨锨闆r，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(fā)酵裝置，并接種適量的酵母菌。實驗組2 模擬家庭環(huán)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(fā)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(fā)酵裝置中。發(fā)酵6 天后過濾，轉(zhuǎn)入有氧條件，繼續(xù)進行醋酸發(fā)酵。

（四）實驗結(jié)果及分析

表1 果酒制作

實驗組1的果酒發(fā)酵24小時后，發(fā)酵液表面出現(xiàn)大量泡沫，能看見發(fā)酵液在翻騰，發(fā)酵瓶底部出現(xiàn)一層沉淀物。實驗組2 的果酒發(fā)酵24 小時后現(xiàn)象不明顯，36 小時后可見發(fā)酵液表面有大量泡沫，發(fā)酵液在翻騰，發(fā)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(fā)酵速度慢于實驗組1。隨著發(fā)酵時間延長，實驗組1和實驗組2 的發(fā)酵液表面泡沫逐漸變少，聚集成塊，有的黏附在發(fā)酵瓶的瓶壁上，發(fā)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(fā)酵初期發(fā)酵液翻騰，表面出現(xiàn)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(shù)量過多，產(chǎn)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(yōu)勢種群，故上述現(xiàn)象應(yīng)該是接種的酵母菌數(shù)量過多所致，優(yōu)化實驗時可適量減少酵母菌的接種數(shù)量。發(fā)酵瓶底部出現(xiàn)的白色沉淀物是被攪碎后的果肉和果核，屬于正常現(xiàn)象，后期可進行過濾去除。

有學生對發(fā)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(fā)酵液中添加適量果膠酶，改變實驗條件，在有氧條件下，繼續(xù)進行果醋發(fā)酵。醋酸發(fā)酵24 小時后觀察發(fā)現(xiàn)，發(fā)酵液色澤紅亮透明，發(fā)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(fā)酵液品嘗，發(fā)現(xiàn)酒味中夾雜少許酸味。果醋發(fā)酵6 天后，色澤更加紅亮透明，取少許發(fā)酵液品嘗，發(fā)現(xiàn)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(shè)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(fā)酵24小時后，出現(xiàn)明顯分層，葡萄皮和果肉漂浮在發(fā)酵液上方，有少量氣泡從發(fā)酵瓶底部冒出；36 小時后，發(fā)酵液顏色變深，葡萄皮中的色素充分溶解在發(fā)酵液中，將上層果肉及果皮漂浮物去除，繼續(xù)進行發(fā)酵。與實驗組1 和實驗組2 相比，實驗組3 的發(fā)酵液顏色更紅，故帶皮發(fā)酵的葡萄酒色澤更濃。實驗組3 因在果酒制作環(huán)節(jié)中已添加果膠酶，故果醋制作環(huán)節(jié)未添加果膠酶。實驗組3果醋發(fā)酵6天后未見沉淀物，色澤紅但不透亮（如圖1），取少許發(fā)酵液品嘗，發(fā)現(xiàn)醋味中夾雜少許酒味。

圖1 果醋發(fā)酵6天后

在表達與交流環(huán)節(jié)，有學生指出：因空氣中的醋酸菌數(shù)量較少，又未添加醋酸菌種，所以影響果醋的發(fā)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(jīng)過具體實驗操作后發(fā)現(xiàn)，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(chǔ)上添加醋酸菌菌種，繼續(xù)發(fā)酵2天后進行品嘗，發(fā)現(xiàn)醋味變濃。

（五）總結(jié)與評價

在上述實驗的基礎(chǔ)上，學生提出家庭釀制果酒的優(yōu)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(fā)酵。在發(fā)酵過程中，葡萄皮中的色素溶解在發(fā)酵液中，使發(fā)酵液呈紫紅色。因為發(fā)酵過程中會產(chǎn)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(fā)酵3～7 天，葡萄皮會全部漂浮上來且發(fā)酵液不再產(chǎn)生氣泡，此時發(fā)酵已結(jié)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(xù)進行發(fā)酵并儲存。

在實驗過程中，學生不以實驗結(jié)果的出現(xiàn)而結(jié)束探究，教師根據(jù)學生提出的問題，鼓勵學生不斷調(diào)整實驗方案，培養(yǎng)他們的質(zhì)疑精神和探究精神。讓學生通過搜集果酒釀制歷史，領(lǐng)略中華傳統(tǒng)文化，培養(yǎng)民族自豪感，樹立社會責任意識。鼓勵學生積極參與實驗設(shè)計，讓學生在合作交流中探索未知，在發(fā)現(xiàn)、探究、操作的過程中獲得知識，體驗成功的樂趣，培養(yǎng)科學探究能力。此外，在整個實驗中，還培養(yǎng)了學生收集和處理信息的能力、對實驗現(xiàn)象進行分析和對實驗結(jié)果進行評價的能力、用簡單的生物學術(shù)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(fā)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(jié)果性評價相結(jié)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?zāi)芰涂茖W素養(yǎng)。教師依據(jù)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(zhì)評價體系中，以落實“學業(yè)評價促發(fā)展”的目標。本課題對學生的評價指標主要指向?qū)W生的信息收集和處理能力、實驗設(shè)計能力、工藝流程的優(yōu)化能力、小組合作能力、表達交流能力、動手操作能力等，體現(xiàn)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(chǎn)生活中的生物學問題的擔當和能力”這一社會責任素養(yǎng)的培養(yǎng)。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(yǎng)學生的動手實驗?zāi)芰?，同時也培養(yǎng)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(yǎng)，讓學生養(yǎng)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(chǔ)。

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(zhì)。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(wù)不僅僅是傳授文化知識，更重要的是培養(yǎng)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(chuàng)新型人才，勇?lián)鐣熑巍?/p>

通過課題研究，教師也可以發(fā)現(xiàn)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(yè)發(fā)展。