基于探究式学习的项目化教学设计——以“葡萄酒的制作”为例

张建波

(湖北省襄阳市第四中学 湖北襄阳 441021)

探究式学习旨在基于学生已有的认知基础,通过创设情境,以问题驱动为导向,引导学生独立自主发现问题、分析问题、解决问题,逐步让学生从被动地接受学习转化为主动地探究式学习。

实验教学是生物学教学环节中的重要组成部分,下文以“葡萄酒的制作”为实验教学载体,采用探究式教学进行教学设计,对酿制葡萄酒的安全性和可口性进行深入探究,引导学生通过动手操作、调研文献等方式深入体验探究式学习,在深入探究的过程中逐渐解决问题,提高学生的科学思维与科学探究的能力。

1 教材和学情分析

1.1 教材分析

“葡萄酒的制作”属于人教版高中《生物学·选修3·生物技术与工程》第1 章第1 节“传统发酵技术的应用”中的相关内容,教材介绍了相关操作的实验原理、实验菌种等基础知识、操作环节中的注意事项,以及简略的实验设计方案,留给学生自主探究的空间较大。在探究过程中,学生可对实验中的一些操作过程和发酵装置进行改进和优化,有利于培养学生的科学思维和社会责任,提高科学探究能力。

1.2 学情分析

学生在《生物学·必修1·分子与细胞》第3章第3 节中已学习和掌握了酵母菌的呼吸作用方式,对于酵母菌在生产酒的应用上有所了解,并表现出了极大的兴趣。在生物学课程学习中,学生已多次动手做过教材中的实验,具备一定的实验动手能力,但所做的实验均基于较为成熟的实验设计,允许学生自主探究和进一步拓展的空间有限。因此,通过让学生以小组合作的形式开展探究式实验学习,不仅能提高学生的合作意识和沟通交流的能力,更能加深学生对于自我价值的肯定,激发学生对生物学学科的学习热情。

2 教学设计思路

本节的整体教学设计思路如图1所示。其中,以探究家庭酿制葡萄酒的安全性和可口性为总项目,细分成3 个子项目,分别为杂菌污染的探究分析、发酵装置的改进探究分析、提高发酵产物品质的探究分析,按照发现问题、分析问题、解决问题的科学步骤,教师逐步引导学生进行合作探究分析,培养学生的科学思维与科学探究能力,项目的具体设计如图2所示。

图1 “葡萄酒的制作”整体教学设计

图2 “葡萄酒的制作”项目化内容

3 教学过程

3.1 杂菌污染的探究分析

教师在课堂上带领学生学习完葡萄酒制作的基础知识后,引导学生以小组合作的形式动手探究实践制作葡萄酒,制作完成后进行展示。其中有小组的葡萄酒出现了污染现象,教师进一步引导学生结合自己酿制葡萄酒的操作步骤展开探究,分析引起杂菌污染的原因并提出相应的改进措施。

(1)杂菌污染的原因分析

通过小组合作进行探究分析后,学生提出了可能引发杂菌污染的原因:①清洗葡萄时操作不严谨,如未能清洗干净葡萄导致有杂菌残留,或未严格按照清洗后再去除枝梗的操作顺序,导致葡萄破损引发杂菌污染;②手上的杂菌导致在捏碎葡萄时使葡萄被污染;③发酵过程中的排气操作有杂菌进入;④发酵使用的简易发酵装置有杂菌污染。

(2)防止杂菌污染的改进分析

针对上述可能引发杂菌污染的原因,学生提出了相应的解决方案,如严格按照操作要求清洗葡萄和去除枝梗,使用酒精对操作者的双手进行消毒或戴一次性手套进行实验操作,对发酵装置使用酒精或高压蒸汽进行灭菌,以及设计合适的发酵装置来避免排气过程引起的杂菌污染。

3.2 发酵装置的改进探究分析

围绕如何改进发酵装置,教师引导班级的兴趣小组成员利用课余的时间,通过查阅资料,从发酵装置的排气、防杂菌污染、便于取样、制作材料的获取等方面展开了深入探究分析,并在课堂上展示本组的改进思路。

(1)围绕发酵装置排气和防杂菌污染的改进探究分析

通过查阅资料,有成员提出生物学中制作泡菜时使用的液封发酵装置和巴斯德鹅颈瓶实验装置(图3a、b)可实现排气的同时防止杂菌污染,也有成员提出了利用化学题目中见到的实验装置(图3c)来进行改进,还有成员想到可考虑使用物理学上的单向阀(图3d)进行改进,整个思维的过程实现了跨学科的碰撞,但上述的装置并不便于取样,且需要特定的装置来进行改进。

图3 发酵装置改进分析图

(2)围绕发酵装置取样和制作材料获取的改进探究分析

为便于取样,小组成员开展了市场调研,发现市场上在售的大体积发酵装置的下方有一个水龙头便于取样,但这样的装置价格较贵,且并不适合排气,在综合各方考虑后,小组成员决定利用身边的常见材料动手制作发酵装置。经小组成员调查发现,日常生活中的“尖叫”饮料瓶瓶塞有个特殊的膜,可保证当瓶内压强变大时膜被撑开进行排气,通过将其与5 L 矿泉水瓶结合,再连接一个水龙头,就得到了一个简易的发酵装置。此外,小组成员还了解到学校实验室有相应的玻璃瓶,下方的出口可满足取样的要求,而上方瓶子和瓶塞的孔对齐后可满足排气的要求,错开后具有防止杂菌污染的作用。

3.3 提高发酵产物品质的探究分析

由于发酵装置安全并不能保证发酵产物安全和可口,围绕如何提高发酵产物的品质,教师首先介绍国家标准文件中对于葡萄酒的评价标准,并通过查阅文献提炼出了评价葡萄酒品质的酒精度、糖度、pH 这三个重要指标。随后,教师引导班级的兴趣小组成员利用学校实验室的仪器检测了学生所酿制的葡萄酒在上述三个评价指标上的表现,最后引导小组成员通过查阅文献探究分析影响发酵产物品质的可能因素。

(1)围绕葡萄和酵母菌品种的探究分析

利用中国知网查阅资料,小组成员发现不同品种的葡萄酿制出的葡萄酒口感差别很大,通过在购物网站上检索得知,不同产地种植的同一品种的葡萄酿制出的葡萄酒的品质和价格也有很大的差异。此外,小组成员还注意到不同果酒发酵利用的酵母菌品种并不相同。因此,小组成员建议可通过更换葡萄品种和接种专业的酿酒酵母来提高发酵产物的品质。

(2)围绕发酵条件和处理方式的探究分析

由于葡萄酒发酵利用的是酵母菌的无氧呼吸,小组成员联想到可通过控制发酵条件中的温度和pH 来提高发酵产物的品质。由于发酵过程中发酵液的pH会发生变化,因此探究分析主要围绕发酵温度展开。随后小组成员通过文献检索得知,温度确实会影响发酵产物的品质。此外,小组成员在检索文献后发现,清洗完葡萄后的处理方式,如榨汁或手捏的处理不充分,会导致大量的多糖残余从而使得发酵不充分进而影响发酵产物的品质,国内外的众多研究会在果酒的酿制中添加果胶酶进行处理,不仅可提高发酵产物品质,还有利于果汁的澄清和提高出汁率。因此,为提高发酵产物的品质,小组成员建议可通过设置温度梯度实验来摸索酿制葡萄酒的最适温度,以及可考虑在葡萄酒的酿制过程中添加果胶酶来进一步探究。

4 教学反思

基于探究式学习的理念,本节课设置了多个不同的探究性学习子项目,通过小组合作、讨论分析、查阅资料、动手实践和展示成果等过程,让学生在小组合作中提高沟通能力,在讨论分析中培养科学思维,在查阅资料中将理论与实践相结合,在动手实践中提高科学探究能力,在展示成果时历练表达能力。在整个过程中,知识在实践中得到了落实与应用,能力在探究中得到了提高与锻炼,素养在合作中得到了培养和提升,有效落实了新高考评价体系中对于生物学学科核心素养中的生命观念、科学思维、科学探究、社会责任的培养要求。