張建波

(湖北省襄陽(yáng)市第四中學(xué) 湖北襄陽(yáng) 441021)

探究式學(xué)習(xí)旨在基于學(xué)生已有的認(rèn)知基礎(chǔ),通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境,以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)為導(dǎo)向,引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立自主發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題,逐步讓學(xué)生從被動(dòng)地接受學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為主動(dòng)地探究式學(xué)習(xí)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是生物學(xué)教學(xué)環(huán)節(jié)中的重要組成部分,下文以“葡萄酒的制作”為實(shí)驗(yàn)教學(xué)載體,采用探究式教學(xué)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì),對(duì)釀制葡萄酒的安全性和可口性進(jìn)行深入探究,引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)動(dòng)手操作、調(diào)研文獻(xiàn)等方式深入體驗(yàn)探究式學(xué)習(xí),在深入探究的過(guò)程中逐漸解決問(wèn)題,提高學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)探究的能力。

1 教材和學(xué)情分析

1.1 教材分析

“葡萄酒的制作”屬于人教版高中《生物學(xué)·選修3·生物技術(shù)與工程》第1 章第1 節(jié)“傳統(tǒng)發(fā)酵技術(shù)的應(yīng)用”中的相關(guān)內(nèi)容,教材介紹了相關(guān)操作的實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)菌種等基礎(chǔ)知識(shí)、操作環(huán)節(jié)中的注意事項(xiàng),以及簡(jiǎn)略的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案,留給學(xué)生自主探究的空間較大。在探究過(guò)程中,學(xué)生可對(duì)實(shí)驗(yàn)中的一些操作過(guò)程和發(fā)酵裝置進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化,有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和社會(huì)責(zé)任,提高科學(xué)探究能力。

1.2 學(xué)情分析

學(xué)生在《生物學(xué)·必修1·分子與細(xì)胞》第3章第3 節(jié)中已學(xué)習(xí)和掌握了酵母菌的呼吸作用方式,對(duì)于酵母菌在生產(chǎn)酒的應(yīng)用上有所了解,并表現(xiàn)出了極大的興趣。在生物學(xué)課程學(xué)習(xí)中,學(xué)生已多次動(dòng)手做過(guò)教材中的實(shí)驗(yàn),具備一定的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力,但所做的實(shí)驗(yàn)均基于較為成熟的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),允許學(xué)生自主探究和進(jìn)一步拓展的空間有限。因此,通過(guò)讓學(xué)生以小組合作的形式開(kāi)展探究式實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí),不僅能提高學(xué)生的合作意識(shí)和溝通交流的能力,更能加深學(xué)生對(duì)于自我價(jià)值的肯定,激發(fā)學(xué)生對(duì)生物學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)熱情。

2 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

本節(jié)的整體教學(xué)設(shè)計(jì)思路如圖1所示。其中,以探究家庭釀制葡萄酒的安全性和可口性為總項(xiàng)目,細(xì)分成3 個(gè)子項(xiàng)目,分別為雜菌污染的探究分析、發(fā)酵裝置的改進(jìn)探究分析、提高發(fā)酵產(chǎn)物品質(zhì)的探究分析,按照發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的科學(xué)步驟,教師逐步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行合作探究分析,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)探究能力,項(xiàng)目的具體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 “葡萄酒的制作”整體教學(xué)設(shè)計(jì)

圖2 “葡萄酒的制作”項(xiàng)目化內(nèi)容

3 教學(xué)過(guò)程

3.1 雜菌污染的探究分析

教師在課堂上帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)完葡萄酒制作的基礎(chǔ)知識(shí)后,引導(dǎo)學(xué)生以小組合作的形式動(dòng)手探究實(shí)踐制作葡萄酒,制作完成后進(jìn)行展示。其中有小組的葡萄酒出現(xiàn)了污染現(xiàn)象,教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合自己釀制葡萄酒的操作步驟展開(kāi)探究,分析引起雜菌污染的原因并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

(1)雜菌污染的原因分析

通過(guò)小組合作進(jìn)行探究分析后,學(xué)生提出了可能引發(fā)雜菌污染的原因:①清洗葡萄時(shí)操作不嚴(yán)謹(jǐn),如未能清洗干凈葡萄導(dǎo)致有雜菌殘留,或未嚴(yán)格按照清洗后再去除枝梗的操作順序,導(dǎo)致葡萄破損引發(fā)雜菌污染;②手上的雜菌導(dǎo)致在捏碎葡萄時(shí)使葡萄被污染;③發(fā)酵過(guò)程中的排氣操作有雜菌進(jìn)入;④發(fā)酵使用的簡(jiǎn)易發(fā)酵裝置有雜菌污染。

(2)防止雜菌污染的改進(jìn)分析

針對(duì)上述可能引發(fā)雜菌污染的原因,學(xué)生提出了相應(yīng)的解決方案,如嚴(yán)格按照操作要求清洗葡萄和去除枝梗,使用酒精對(duì)操作者的雙手進(jìn)行消毒或戴一次性手套進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作,對(duì)發(fā)酵裝置使用酒精或高壓蒸汽進(jìn)行滅菌,以及設(shè)計(jì)合適的發(fā)酵裝置來(lái)避免排氣過(guò)程引起的雜菌污染。

3.2 發(fā)酵裝置的改進(jìn)探究分析

圍繞如何改進(jìn)發(fā)酵裝置,教師引導(dǎo)班級(jí)的興趣小組成員利用課余的時(shí)間,通過(guò)查閱資料,從發(fā)酵裝置的排氣、防雜菌污染、便于取樣、制作材料的獲取等方面展開(kāi)了深入探究分析,并在課堂上展示本組的改進(jìn)思路。

(1)圍繞發(fā)酵裝置排氣和防雜菌污染的改進(jìn)探究分析

通過(guò)查閱資料,有成員提出生物學(xué)中制作泡菜時(shí)使用的液封發(fā)酵裝置和巴斯德鵝頸瓶實(shí)驗(yàn)裝置(圖3a、b)可實(shí)現(xiàn)排氣的同時(shí)防止雜菌污染,也有成員提出了利用化學(xué)題目中見(jiàn)到的實(shí)驗(yàn)裝置(圖3c)來(lái)進(jìn)行改進(jìn),還有成員想到可考慮使用物理學(xué)上的單向閥(圖3d)進(jìn)行改進(jìn),整個(gè)思維的過(guò)程實(shí)現(xiàn)了跨學(xué)科的碰撞,但上述的裝置并不便于取樣,且需要特定的裝置來(lái)進(jìn)行改進(jìn)。

圖3 發(fā)酵裝置改進(jìn)分析圖

(2)圍繞發(fā)酵裝置取樣和制作材料獲取的改進(jìn)探究分析

為便于取樣,小組成員開(kāi)展了市場(chǎng)調(diào)研,發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)上在售的大體積發(fā)酵裝置的下方有一個(gè)水龍頭便于取樣,但這樣的裝置價(jià)格較貴,且并不適合排氣,在綜合各方考慮后,小組成員決定利用身邊的常見(jiàn)材料動(dòng)手制作發(fā)酵裝置。經(jīng)小組成員調(diào)查發(fā)現(xiàn),日常生活中的“尖叫”飲料瓶瓶塞有個(gè)特殊的膜,可保證當(dāng)瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)變大時(shí)膜被撐開(kāi)進(jìn)行排氣,通過(guò)將其與5 L 礦泉水瓶結(jié)合,再連接一個(gè)水龍頭,就得到了一個(gè)簡(jiǎn)易的發(fā)酵裝置。此外,小組成員還了解到學(xué)校實(shí)驗(yàn)室有相應(yīng)的玻璃瓶,下方的出口可滿足取樣的要求,而上方瓶子和瓶塞的孔對(duì)齊后可滿足排氣的要求,錯(cuò)開(kāi)后具有防止雜菌污染的作用。

3.3 提高發(fā)酵產(chǎn)物品質(zhì)的探究分析

由于發(fā)酵裝置安全并不能保證發(fā)酵產(chǎn)物安全和可口,圍繞如何提高發(fā)酵產(chǎn)物的品質(zhì),教師首先介紹國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)文件中對(duì)于葡萄酒的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),并通過(guò)查閱文獻(xiàn)提煉出了評(píng)價(jià)葡萄酒品質(zhì)的酒精度、糖度、pH 這三個(gè)重要指標(biāo)。隨后,教師引導(dǎo)班級(jí)的興趣小組成員利用學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的儀器檢測(cè)了學(xué)生所釀制的葡萄酒在上述三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)上的表現(xiàn),最后引導(dǎo)小組成員通過(guò)查閱文獻(xiàn)探究分析影響發(fā)酵產(chǎn)物品質(zhì)的可能因素。

(1)圍繞葡萄和酵母菌品種的探究分析

利用中國(guó)知網(wǎng)查閱資料,小組成員發(fā)現(xiàn)不同品種的葡萄釀制出的葡萄酒口感差別很大,通過(guò)在購(gòu)物網(wǎng)站上檢索得知,不同產(chǎn)地種植的同一品種的葡萄釀制出的葡萄酒的品質(zhì)和價(jià)格也有很大的差異。此外,小組成員還注意到不同果酒發(fā)酵利用的酵母菌品種并不相同。因此,小組成員建議可通過(guò)更換葡萄品種和接種專業(yè)的釀酒酵母來(lái)提高發(fā)酵產(chǎn)物的品質(zhì)。

(2)圍繞發(fā)酵條件和處理方式的探究分析

由于葡萄酒發(fā)酵利用的是酵母菌的無(wú)氧呼吸,小組成員聯(lián)想到可通過(guò)控制發(fā)酵條件中的溫度和pH 來(lái)提高發(fā)酵產(chǎn)物的品質(zhì)。由于發(fā)酵過(guò)程中發(fā)酵液的pH會(huì)發(fā)生變化,因此探究分析主要圍繞發(fā)酵溫度展開(kāi)。隨后小組成員通過(guò)文獻(xiàn)檢索得知,溫度確實(shí)會(huì)影響發(fā)酵產(chǎn)物的品質(zhì)。此外,小組成員在檢索文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn),清洗完葡萄后的處理方式,如榨汁或手捏的處理不充分,會(huì)導(dǎo)致大量的多糖殘余從而使得發(fā)酵不充分進(jìn)而影響發(fā)酵產(chǎn)物的品質(zhì),國(guó)內(nèi)外的眾多研究會(huì)在果酒的釀制中添加果膠酶進(jìn)行處理,不僅可提高發(fā)酵產(chǎn)物品質(zhì),還有利于果汁的澄清和提高出汁率。因此,為提高發(fā)酵產(chǎn)物的品質(zhì),小組成員建議可通過(guò)設(shè)置溫度梯度實(shí)驗(yàn)來(lái)摸索釀制葡萄酒的最適溫度,以及可考慮在葡萄酒的釀制過(guò)程中添加果膠酶來(lái)進(jìn)一步探究。

4 教學(xué)反思

基于探究式學(xué)習(xí)的理念,本節(jié)課設(shè)置了多個(gè)不同的探究性學(xué)習(xí)子項(xiàng)目,通過(guò)小組合作、討論分析、查閱資料、動(dòng)手實(shí)踐和展示成果等過(guò)程,讓學(xué)生在小組合作中提高溝通能力,在討論分析中培養(yǎng)科學(xué)思維,在查閱資料中將理論與實(shí)踐相結(jié)合,在動(dòng)手實(shí)踐中提高科學(xué)探究能力,在展示成果時(shí)歷練表達(dá)能力。在整個(gè)過(guò)程中,知識(shí)在實(shí)踐中得到了落實(shí)與應(yīng)用,能力在探究中得到了提高與鍛煉,素養(yǎng)在合作中得到了培養(yǎng)和提升,有效落實(shí)了新高考評(píng)價(jià)體系中對(duì)于生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、社會(huì)責(zé)任的培養(yǎng)要求。