版滬科技版高中生物學選擇性必修3生物技術與工程《第1章發酵工程》大單元整體教學設計[2020課標]一、內容分析與整合二、《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》分解三、學情分析四、大主題或大概念設計五、大單元目標敘寫六、大單元教學重點七、大單元教學難點八、大單元整體教學思路九、學業評價十、大單元實施思路及教學結構圖十一、大情境、大任務創設十二、單元學歷案十三、學科實踐與跨學科學習設計十四、大單元作業設計十五、“教-學-評”一致性課時設計十六、大單元教學反思一、內容分析與整合（一）教學內容分析本單元的教學內容為高中生物學選擇性必修3《生物技術與工程》的第1章《發酵工程》。發酵工程作為現代生物技術的重要組成部分，其核心是利用微生物的特定功能進行規模化生產，為人類提供多樣化的生物產品。本章內容涵蓋了發酵工程的基礎理論、實驗技能以及實際應用，具體包括以下幾個部分：獲得純種微生物是發酵工程的基礎：這部分內容主要介紹了培養基的配制、無菌技術的重要性以及微生物的分離和純化方法。通過學習，學生將掌握培養基的基本組成、配制方法，了解無菌操作的基本原則和步驟，學會使用平板劃線法和稀釋涂布平板法進行微生物的分離和純化。發酵工程為人類提供多樣化生物產品：這部分內容通過介紹發酵工程在食品、醫藥、化工等領域的應用實例，展示了發酵工程的重要性和廣泛應用。學生將學習果酒、果醋和酸奶的制作原理和方法，了解發酵過程中微生物的作用以及發酵條件的控制。虛擬仿真：發酵條件對微生物發酵的影響：通過虛擬仿真實驗，學生將能夠直觀地觀察到不同發酵條件對微生物生長和代謝產物合成的影響，從而加深對發酵工程原理的理解，提高科學探究能力。（二）單元內容分析第1節獲得純種微生物是發酵工程的基礎探究·實驗1-1酵母浸粉胨葡萄糖培養基的配制：本實驗旨在讓學生掌握培養基的基本組成和配制方法。通過實驗，學生將了解碳源、氮源、無機鹽和水等營養物質在微生物生長中的作用，學會使用天平、量筒等實驗器具進行精確測量，以及使用高壓蒸汽滅菌鍋進行滅菌處理。探究·實驗1-2酵母的分離和純化：本實驗通過平板劃線法和稀釋涂布平板法，讓學生從混雜的微生物群體中分離出純種的酵母。實驗過程中，學生將學會無菌操作的基本步驟，觀察并記錄單菌落的形態特征，從而掌握微生物分離和純化的基本方法。探究·實驗1-3土壤中分解尿素細菌的分離與計數：本實驗旨在讓學生從土壤中分離出能夠分解尿素的細菌，并通過稀釋涂布平板法進行計數。通過實驗，學生將了解選擇培養基的原理和應用，學會使用顯微鏡進行菌落計數，以及分析實驗結果。第2節發酵工程為人類提供多樣化生物產品探究·實驗1-4果酒和果醋的制作：本實驗通過果酒和果醋的制作過程，讓學生了解發酵工程在食品生產中的應用。實驗過程中，學生將掌握果酒和果醋的制作原理和方法，學會使用酵母和醋酸菌進行發酵，以及控制發酵條件以獲得優質的產品。探究·實驗1-5酸奶的制作：本實驗通過酸奶的制作過程，讓學生了解乳酸菌在食品發酵中的作用。學生將學會使用乳酸菌進行發酵，掌握酸奶的制作原理和方法，以及控制發酵條件以獲得口感和品質俱佳的酸奶產品。探究·活動1-6虛擬仿真：發酵條件對微生物發酵的影響：通過虛擬仿真實驗，學生將能夠直觀地觀察到不同發酵條件（如溫度、pH值、溶解氧等）對微生物生長和代謝產物合成的影響。這將有助于學生加深對發酵工程原理的理解，提高科學探究能力。（三）單元內容整合本單元的教學內容以發酵工程為核心，通過理論講解和實驗操作相結合的方式，讓學生全面了解發酵工程的基礎理論、實驗技能以及實際應用。在教學過程中，應注重理論與實踐的結合，通過實驗操作加深學生對理論知識的理解；也應注重培養學生的科學探究能力和創新意識，鼓勵學生積極參與實驗設計和結果分析。在教學內容的組織上，可以采用循序漸進的方式。通過第1節的內容讓學生掌握發酵工程的基礎理論和實驗技能；然后，通過第2節的內容讓學生了解發酵工程在食品、醫藥、化工等領域的應用實例；通過虛擬仿真實驗讓學生直觀地觀察到不同發酵條件對微生物發酵的影響，從而加深對發酵工程原理的理解。在教學過程中還應注重跨學科知識的融合。發酵工程作為一門涉及生物學、化學、工程學等多個學科領域的交叉學科，其教學內容應涵蓋多個學科的知識點。在教學過程中應注重跨學科知識的融合，引導學生將所學知識運用到實際問題的解決中。二、《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》分解高中生物學學科核心素養（一）生命觀念生命觀念是指對觀察到的生命現象及相互關系或特性進行解釋后的抽象，是人們經過實證后的觀點，是能夠理解或解釋生物學相關事件和現象的意識、觀念和思想方法。在本單元的教學中，應注重培養學生的生命觀念，具體體現在以下幾個方面：結構與功能觀：通過學習微生物的細胞結構和功能，讓學生理解細胞是生物體結構與生命活動的基本單位。例如，在探究·實驗1-2中，學生將觀察并記錄單菌落的形態特征，從而理解微生物細胞結構與功能之間的關系。進化與適應觀：通過學習微生物在自然界中的分布和適應機制，讓學生理解生物進化的本質和過程。例如，在探究·實驗1-3中，學生將從土壤中分離出能夠分解尿素的細菌，從而理解微生物對環境的適應能力和進化機制。穩態與平衡觀：通過學習發酵過程中微生物的生長和代謝活動，讓學生理解生物體內環境的穩態和平衡機制。例如，在探究·實驗1-4和1-5中，學生將控制發酵條件以獲得優質的產品，從而理解微生物生長和代謝過程中的穩態和平衡機制。物質與能量觀：通過學習微生物對營養物質的利用和代謝產物的合成過程，讓學生理解生命活動中的物質和能量轉換過程。例如，在探究·實驗1-1中，學生將了解培養基的基本組成和配制方法，從而理解微生物對營養物質的利用和代謝產物的合成過程。（二）科學思維科學思維是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。在本單元的教學中，應注重培養學生的科學思維，具體體現在以下幾個方面：歸納與概括：通過學習微生物的分離和純化方法以及發酵工程的應用實例，讓學生學會從具體事例中歸納出一般性的規律和原理。例如，在探究·實驗1-2和1-3中，學生將從混雜的微生物群體中分離出純種的微生物，并總結歸納出微生物分離和純化的基本方法。演繹與推理：通過學習發酵工程的基本原理和實驗操作技能，讓學生學會運用已知的知識和原理去預測和解釋未知的現象和問題。例如，在探究·活動1-6中，學生將運用所學的發酵工程原理去預測和解釋不同發酵條件對微生物發酵的影響。模型與建模：通過學習微生物的生長曲線和發酵過程的動力學模型，讓學生學會運用數學模型去描述和預測生命現象和過程。例如，在探究·實驗1-3中，學生將使用顯微鏡進行菌落計數，并運用數學模型去預測土壤中分解尿素細菌的數量。批判性思維：通過學習不同發酵工藝和產品的比較和分析，讓學生學會對所學的知識和原理進行批判性的思考和評價。例如，在探究·實驗1-4和1-5中，學生將對不同發酵工藝和產品的品質進行比較和分析，從而學會對所學的知識和原理進行批判性的思考和評價。創造性思維：通過學習發酵工程的應用實例和創新案例，讓學生學會運用所學的知識和原理去解決實際問題和創新應用。例如，在探究·實驗1-4和1-5中，學生將嘗試改變發酵條件或添加輔助劑來優化產品的品質和口感，從而學會運用所學的知識和原理去解決實際問題和創新應用。（三）科學探究科學探究是指能夠發現現實世界中的生物學問題，針對特定的生物學現象進行觀察、提問、實驗設計、方案實施以及對結果的交流與討論的能力。在本單元的教學中，應注重培養學生的科學探究能力，具體體現在以下幾個方面：觀察與提問：通過學習微生物的形態特征和發酵過程的現象觀察，讓學生學會對生命現象進行觀察并提出問題。例如，在探究·實驗1-2和1-3中，學生將對單菌落的形態特征進行觀察并記錄結果，從而學會對生命現象進行觀察并提出問題。實驗設計與實施：通過學習微生物的分離和純化方法以及發酵工程的實驗操作技能，讓學生學會設計并實施實驗方案去驗證假設和解決問題。例如，在探究·實驗1-1至1-5中，學生將設計并實施實驗方案去配制培養基、分離和純化微生物、制作果酒和果醋以及酸奶等發酵產品。結果分析與討論：通過學習實驗數據的收集和處理方法以及科學論文的撰寫技巧，讓學生學會對實驗結果進行分析和討論并撰寫科學論文。例如，在探究·實驗1-3中，學生將對顯微鏡下的菌落計數結果進行分析和討論，并撰寫實驗報告或科學論文。交流與合作：通過學習小組合作和班級交流的方式以及科學共同體的規范和價值觀，讓學生學會與他人進行交流和合作并共同解決問題。例如，在探究·實驗1-1至1-5中，學生將以小組為單位進行合作實驗和交流討論，并學會與他人分享實驗成果和經驗教訓。（四）社會責任社會責任是指基于生物學的認識參與個人與社會事務的討論并作出理性解釋和判斷以及解決生產生活問題的擔當和能力。在本單元的教學中，應注重培養學生的社會責任意識，具體體現在以下幾個方面：健康文明的生活方式：通過學習發酵工程在食品生產中的應用實例以及食品安全的重要性，讓學生樹立健康文明的生活方式和飲食習慣。例如，在探究·實驗1-4和1-5中，學生將了解果酒、果醋和酸奶等發酵食品的制作原理和方法以及食品安全的重要性，從而樹立健康文明的生活方式和飲食習慣。環境保護與可持續發展：通過學習發酵工程在資源利用和環境保護方面的應用實例以及可持續發展的理念，讓學生樹立環境保護和可持續發展的意識。例如，在探究·實驗1-3中，學生將從土壤中分離出能夠分解尿素的細菌并利用其進行廢物處理或資源回收利用等環保應用實例的學習過程中樹立環境保護和可持續發展的意識。科學實踐與社會服務：通過學習發酵工程的應用實例和創新案例以及參與社區服務和社會實踐等活動的方式讓學生積極參與科學實踐和社會服務活動并為社會做出貢獻。例如，在探究·實驗1-4和1-5中，學生可以嘗試將所學的發酵工程知識和技能應用于家庭廚房或社區服務等實際場景中去制作美味的發酵食品或提供相關的技術咨詢服務等社會服務活動中去為社會做出貢獻。倫理道德與法律法規：通過學習發酵工程在倫理道德和法律法規方面的應用實例以及相關的案例分析和討論等方式讓學生樹立正確的倫理道德觀念和遵守法律法規的意識。例如，在探究·實驗1-3中，學生將對從土壤中分離出的微生物進行安全性評估和風險評估等倫理道德和法律法規方面的學習和討論過程中樹立正確的倫理道德觀念和遵守法律法規的意識。學情分析（一）已知內容分析在進入高中生物學選擇性必修3《生物技術與工程》第1章《發酵工程》的學習之前，學生已經具備了一定的生物學基礎知識，這些知識為他們進一步學習發酵工程提供了必要的前提。具體來說，學生已知的生物學內容主要包括以下幾個方面：微生物學基礎：在之前的生物學課程中，學生已經學習了微生物的基本特性，包括微生物的分類、形態、結構、生長條件和繁殖方式等。這些知識為學生理解發酵工程中微生物的作用和發酵過程奠定了基礎。細胞生物學基礎：學生已經了解了細胞的結構和功能，包括細胞膜、細胞質、細胞核等組成部分以及它們在細胞代謝中的作用。這些知識有助于學生理解微生物在發酵過程中的細胞代謝活動。生物化學基礎：學生已經掌握了生物體內的基本化學反應，如糖酵解、檸檬酸循環、氧化磷酸化等，以及這些反應在能量代謝中的作用。這些知識為學生理解發酵過程中微生物的代謝途徑和產物形成提供了理論依據。遺傳學基礎：學生已經學習了遺傳的基本規律，包括基因的遺傳、變異和表達等。這些知識有助于學生理解通過基因工程改造微生物以提高發酵效率的原理和方法。實驗技能基礎：在之前的生物學實驗中，學生已經掌握了一些基本的實驗技能，如無菌操作、顯微鏡觀察、培養基配制等。這些技能為學生順利進行發酵工程實驗提供了保障。（二）新知內容分析本章《發酵工程》的學習將引入一系列新的知識和技能，主要包括以下幾個方面：發酵工程的基本原理：學生將學習發酵工程的基本概念、原理和應用領域。他們將了解發酵工程是如何利用微生物的生命活動來大規模生產有用物質的，以及發酵工程在食品、醫藥、化工等領域的重要應用。微生物的分離與純化技術：學生將學習如何通過平板劃線法、稀釋涂布平板法等方法從混雜的微生物群體中分離和純化出純種微生物。這些技術對于發酵工程的生產過程至關重要。培養基的配制與滅菌技術：學生將學習如何根據微生物的生長需求設計和配制合適的培養基，并掌握培養基的滅菌方法。這些知識和技能是發酵工程實驗的基礎。發酵過程的調控與優化：學生將學習如何通過控制發酵條件（如溫度、pH值、溶解氧等）來優化發酵過程，提高發酵效率。他們還將了解如何通過基因工程等手段改造微生物以提高其發酵性能。發酵產物的分離與純化技術：學生將學習如何從發酵液中分離和純化出目標產物，包括離心、過濾、萃取、結晶等方法。這些技術對于發酵產物的提取和純化至關重要。發酵工程的應用實例：學生將通過實驗學習果酒、果醋、酸奶等發酵食品的制作過程，并了解發酵工程在抗生素、酶制劑、有機酸等工業產品生產中的應用實例。（三）學生學習能力分析高中生物學選擇性必修3《生物技術與工程》的學生已經具備了一定的學習能力和思維方法，這為他們學習發酵工程提供了有利條件。具體來說，學生的學習能力主要表現在以下幾個方面：抽象思維能力：高中生已經具備了一定的抽象思維能力，能夠理解和運用生物學中的基本概念和原理。這種能力有助于他們掌握發酵工程的基本概念和原理。實驗操作能力：在之前的生物學實驗中，學生已經掌握了一些基本的實驗操作技能，如無菌操作、顯微鏡觀察等。這些技能為他們順利進行發酵工程實驗提供了保障。問題解決能力：高中生已經具備了一定的問題解決能力，能夠通過分析問題、提出假設、設計實驗等步驟來解決問題。這種能力有助于他們在發酵工程實驗中發現問題、解決問題并優化實驗過程。團隊合作能力：在之前的生物學學習中，學生已經參與過小組合作學習等活動，具備了一定的團隊合作能力。這種能力有助于他們在發酵工程實驗中與他人協作、共同完成任務。自主學習能力：高中生已經具備了一定的自主學習能力，能夠通過閱讀教材、查閱資料等方式來擴展自己的知識面。這種能力有助于他們在發酵工程學習中主動探索、主動學習。（四）學習障礙突破策略盡管學生已經具備了一定的學習能力和思維方法，但在學習發酵工程的過程中仍然可能遇到一些障礙。為了幫助學生克服這些障礙，提高學習效果，可以采取以下策略：加強基礎知識復習：在學習發酵工程之前，可以安排一些時間對微生物學、細胞生物學、生物化學和遺傳學等基礎知識進行復習和鞏固。這有助于學生更好地理解發酵工程的基本原理和應用領域。注重實驗技能培養：發酵工程是一門實驗性很強的學科，需要掌握一系列的實驗技能。在教學過程中應注重培養學生的實驗技能，包括無菌操作、培養基配制、發酵過程調控等。可以通過實驗演示、學生動手實踐等方式來提高學生的實驗技能水平。采用多樣化的教學方法：為了激發學生的學習興趣和積極性，可以采用多樣化的教學方法，如講授法、討論法、實驗法、案例分析法等。通過多樣化的教學方法可以幫助學生更好地理解和掌握發酵工程的知識和技能。加強師生互動與交流：在教學過程中應加強師生之間的互動與交流，鼓勵學生提出問題和疑問，并及時給予解答和指導。可以組織學生進行小組討論和合作學習等活動，促進學生之間的交流與協作。提供豐富的學習資源：為了幫助學生更好地學習發酵工程的知識和技能，可以提供豐富的學習資源，如教材、參考書、網絡課程、實驗視頻等。這些學習資源可以幫助學生擴展知識面、提高學習效果。注重實踐操作與反饋：發酵工程是一門實踐性很強的學科，需要注重實踐操作與反饋。在教學過程中應安排足夠的實驗時間讓學生親自動手實踐，并及時給予實驗反饋和指導。通過實驗操作與反饋可以幫助學生更好地理解和掌握發酵工程的實驗技能和知識要點。關注個體差異與因材施教：每個學生的學習能力和興趣點都有所不同，因此在教學過程中應關注個體差異與因材施教。可以根據學生的實際情況和興趣點來調整教學內容和方法，幫助每個學生都能取得進步和提高。通過加強基礎知識復習、注重實驗技能培養、采用多樣化的教學方法、加強師生互動與交流、提供豐富的學習資源、注重實踐操作與反饋以及關注個體差異與因材施教等策略，可以幫助學生克服學習障礙、提高學習效果，從而更好地掌握發酵工程的知識和技能。四、大主題或大概念設計本單元以“發酵工程：探索微生物的奧秘與應用”為大主題，旨在通過一系列探究實驗和理論學習，讓學生深入理解發酵工程的基本原理、技術流程及其在多個領域的應用價值。發酵工程作為現代生物工程技術的重要組成部分，不僅在生產抗生素、食品、燃料乙醇等方面發揮巨大作用，還在環境保護和可再生資源利用等領域展現出廣闊前景。通過本單元的學習，學生將掌握發酵工程的核心概念和技術細節，培養科學探究能力和社會責任感，同時加深對生命觀念和科學思維的理解。五、大單元目標敘寫根據《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》的要求，結合本單元的教學內容，制定以下大單元目標，旨在全面促進學生生物學學科核心素養的發展。高中生物學學科核心素養：（一）生命觀念學生能夠理解微生物作為生命體的基本結構和功能，以及它們在發酵過程中的作用。學生能夠運用結構與功能觀、物質與能量觀等生命觀念，解釋發酵工程中微生物的生長代謝過程。學生能夠認識到發酵工程在促進人與自然和諧共處、提高人類生活質量方面的重要貢獻。（二）科學思維學生能夠基于事實和證據，運用歸納與概括、演繹與推理等科學思維方法，闡釋發酵工程的基本原理和技術流程。學生能夠運用模型與建模的方法，模擬發酵過程中微生物的生長代謝過程，預測并解釋實驗結果。學生能夠批判性地分析發酵工程在實際應用中的利與弊，提出改進建議。（三）科學探究學生能夠針對發酵工程中的具體問題，提出可探究的科學問題，并設計合理的實驗方案。學生能夠正確使用實驗器具和材料，進行規范的實驗操作，記錄和分析實驗數據。學生能夠與他人合作，共同開展探究活動，交流實驗結果和心得，提出進一步探究的方向。（四）社會責任學生能夠認識到發酵工程在醫藥、食品、能源等領域的重要應用價值，關注其在社會發展中的作用。學生能夠積極參與發酵工程相關的社會實踐活動，如參觀發酵工廠、參與環保項目等，增強社會責任感。學生能夠運用所學的發酵工程知識，解決生產生活中的實際問題，為可持續發展貢獻力量。六、大單元教學重點發酵工程的基本原理和技術流程：通過理論學習和實驗探究，讓學生深入理解發酵工程的基本原理、技術流程及其在醫藥、食品、能源等領域的應用價值。微生物的分離與純化技術：掌握微生物分離與純化的常用方法，如平板劃線法、稀釋涂布平板法等，學會配制和使用培養基，為后續的發酵實驗打下基礎。發酵條件的優化與控制：通過虛擬仿真實驗和實際操作，讓學生了解發酵過程中溫度、pH值、溶解氧等關鍵參數對微生物生長代謝的影響，學會優化和控制發酵條件以提高產品產量和質量。發酵工程產品的應用與評價：通過學習發酵工程在醫藥、食品、能源等領域的應用實例，讓學生認識到發酵工程對社會發展的貢獻，并學會評價發酵工程產品的優劣和應用前景。七、大單元教學難點微生物分離與純化技術的掌握：微生物的分離與純化是發酵工程的基礎，但操作過程復雜且容易出錯。學生需要反復練習才能熟練掌握這些技術，并在實際操作中靈活運用。發酵條件的優化與控制：發酵過程中涉及多個關鍵參數的控制，如溫度、pH值、溶解氧等。這些參數的變化對微生物的生長代謝和產品產量和質量都有顯著影響。學生需要通過虛擬仿真實驗和實際操作，深入理解這些參數的作用和調控方法，并學會根據實驗結果進行優化調整。發酵工程產品的應用與評價：發酵工程產品種類繁多，應用領域廣泛。學生需要了解不同產品的特點和優劣，學會根據實際需求選擇合適的發酵工程產品，并對其進行客觀評價。這要求學生具備較強的綜合運用能力和批判性思維能力。科學探究能力的培養：科學探究能力是生物學學科核心素養的重要組成部分。本單元涉及多個探究實驗和虛擬仿真實驗，要求學生能夠獨立完成實驗設計、實驗操作、數據分析和結果解釋等任務。這要求學生具備較強的自主學習能力和團隊協作精神，同時還需要教師提供充分的指導和支持。針對以上教學難點，我們將采取以下措施加以解決：加強實驗操作訓練：通過反復練習和模擬操作，讓學生掌握微生物分離與純化技術的要領和注意事項。教師將提供詳細的實驗指導和反饋意見，幫助學生及時糾正錯誤并改進操作方法。開展虛擬仿真實驗：利用虛擬仿真技術模擬發酵過程，讓學生直觀了解發酵條件對微生物生長代謝的影響。通過調整參數觀察實驗結果的變化，幫助學生深入理解發酵條件的優化與控制方法。拓展應用實例學習：結合生活實際和科技發展動態，引入更多發酵工程產品的應用實例。通過案例分析、小組討論等方式，引導學生深入思考發酵工程產品的優劣和應用前景，并培養其綜合運用能力和批判性思維能力。強化科學探究指導：在實驗設計和實施過程中，教師將提供充分的指導和支持。通過引導學生提出問題、設計實驗、收集數據、分析結果等環節，培養其科學探究能力和團隊協作精神。鼓勵學生積極參與課外科研活動和社會實踐項目，拓展其科學探究視野和實踐經驗。八、大單元整體教學思路一、教學目標設定根據《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》的要求，結合2020版滬科技版高中生物學選擇性必修3《生物技術與工程》中《第1章發酵工程》的教學內容，本大單元的整體教學思路旨在通過一系列探究實驗和活動，引導學生深入理解發酵工程的基本原理、操作技術和應用價值，全面培養學生的生物學學科核心素養，包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。（一）生命觀念結構與功能觀：學生能夠理解微生物的結構特點與其在發酵工程中的功能之間的關系，如酵母細胞的結構與其在酒精發酵中的作用。進化與適應觀：學生能夠認識到微生物在自然環境中的進化過程，以及如何通過人工選擇和培養獲得適用于發酵工程的特定微生物菌種。穩態與平衡觀：學生能夠理解發酵過程中微生物生長、代謝與環境條件之間的穩態平衡關系，如溫度、pH值、溶解氧等因素對微生物發酵的影響。物質與能量觀：學生能夠掌握發酵過程中物質的轉化和能量的流動，如葡萄糖在酵母發酵過程中轉化為酒精和二氧化碳的過程。（二）科學思維歸納與概括：學生能夠從多個實驗現象中歸納出發酵工程的一般規律和原理，如不同微生物在特定培養基上的生長特性和代謝產物。演繹與推理：學生能夠基于已學的生物學原理和發酵工程知識，推理出未知微生物的分離、純化和培養方法，以及優化發酵條件的策略。模型與建模：學生能夠構建發酵過程的數學模型，如通過數學公式描述微生物生長曲線和產物生成速率，以及利用虛擬仿真軟件模擬發酵過程。批判性思維：學生能夠批判性地評估發酵工程中的不同技術和方法，分析其優缺點，并提出改進建議。創造性思維：學生能夠運用創造性思維，設計新的發酵工藝和微生物培養方法，以解決實際問題或提高發酵效率。（三）科學探究問題發現：學生能夠敏銳地發現發酵工程中的實際問題，如微生物污染、發酵效率低等，并提出有價值的研究問題。實驗設計：學生能夠獨立設計合理的實驗方案，以驗證假設或解決問題，包括選擇合適的微生物菌種、培養基配方、發酵條件和檢測方法等。數據收集與分析：學生能夠準確地收集實驗數據，并運用統計學方法進行分析，以得出科學結論。結果交流與討論：學生能夠清晰地表達實驗結果，并與他人進行有效的交流和討論，共同解決實驗中出現的問題。反思與改進：學生能夠根據實驗結果和他人反饋進行反思，提出改進實驗方案或研究方法的建議。（四）社會責任環境保護意識：學生能夠認識到發酵工程在環境保護方面的應用潛力，如利用微生物處理廢棄物、生產生物降解塑料等，并積極參與相關實踐活動。健康生活方式：學生能夠了解發酵食品的營養價值和健康益處，如酸奶、醬油等，并倡導健康飲食和生活方式。科普宣傳：學生能夠利用所學知識，向家人、朋友和社區成員普及發酵工程的基本原理和應用價值，提高公眾的科學素養。倫理道德：學生能夠理解并遵守生物技術和工程領域的倫理道德規范，如尊重生命、保護生物多樣性、避免生物武器濫用等。二、教學內容安排本大單元的教學內容圍繞發酵工程的基本原理、操作技術和應用價值展開，具體包括以下幾個部分：（一）發酵工程的基本原理微生物的培養與分離純化：通過探究實驗1-1和1-2，學生掌握酵母浸粉胨葡萄糖培養基的配制方法，以及酵母的分離和純化技術。微生物的代謝特性：通過分析不同微生物在特定培養基上的生長特性和代謝產物，學生理解微生物的代謝途徑和調控機制。發酵過程的控制：通過探究活動1-6，學生了解發酵條件（如溫度、pH值、溶解氧等）對微生物發酵的影響，并掌握發酵過程的控制方法。（二）發酵工程的操作技術發酵設備的選擇與使用：介紹不同類型的發酵設備（如發酵罐、搖床等）及其使用方法和注意事項。發酵工藝的優化：通過探究實驗和案例分析，學生掌握發酵工藝的優化策略，如菌種選育、培養基配方調整、發酵條件控制等。發酵產物的提取與純化：介紹發酵產物的提取和純化方法，如離心、過濾、層析等，并了解其在工業生產中的應用。（三）發酵工程的應用價值食品工業：通過探究實驗1-4和1-5，學生掌握果酒和果醋、酸奶的制作方法，并了解發酵工程在食品工業中的應用前景。醫藥工業：介紹發酵工程在抗生素、疫苗等生物制品生產中的應用，以及其在醫藥工業中的重要地位。環境保護：分析發酵工程在廢棄物處理、生物降解塑料生產等方面的應用潛力，強調其在環境保護方面的作用。三、教學方法與策略（一）探究式教學通過設計一系列探究實驗和活動，引導學生主動探索發酵工程的基本原理和操作技術，培養其科學探究能力和創新思維。例如，在探究實驗1-1中，學生需要自主配制酵母浸粉胨葡萄糖培養基，并觀察酵母在其中的生長情況；在探究活動1-6中，學生需要利用虛擬仿真軟件模擬發酵過程，并探究不同發酵條件對微生物發酵的影響。（二）合作學習組織學生分組進行實驗和操作活動，鼓勵他們在小組內進行討論和交流，共同解決問題。通過合作學習，培養學生的團隊協作能力和溝通能力。例如，在探究實驗1-2中，學生可以分組進行酵母的分離和純化操作，并在小組內分享實驗結果和心得。（三）案例分析法通過引入實際案例，引導學生分析發酵工程在不同領域的應用情況和發展趨勢。通過案例分析，加深學生對發酵工程的理解和應用能力。例如，在分析發酵工程在醫藥工業中的應用時，可以引入青霉素、胰島素等生物制品的生產案例。（四）信息技術應用充分利用信息技術手段（如虛擬仿真軟件、多媒體教學資源等）輔助教學活動的開展。通過信息技術應用，提高教學的直觀性和趣味性，激發學生的學習興趣和積極性。例如，在探究活動1-6中，學生可以利用虛擬仿真軟件模擬發酵過程并探究不同發酵條件對微生物發酵的影響。四、學業評價設計（一）評價原則全面性：評價應涵蓋生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任四個維度，全面反映學生的生物學學科核心素養水平。過程性：評價應關注學生的學習過程和方法，而不僅僅是學習結果。通過過程性評價，及時了解學生的學習情況和存在的問題，并給予針對性的指導和幫助。多元性：評價應采用多種方式和手段進行，包括課堂觀察、實驗操作、小組討論、作業提交、測試評估等。通過多元性評價，全面了解學生的學習情況和能力水平。（二）評價方式課堂觀察：通過觀察學生在課堂上的表現（如參與度、合作情況、思維活躍度等）來評價其學習情況和能力水平。實驗操作：通過評價學生的實驗操作過程（如實驗設計、操作步驟、實驗記錄等）來評估其科學探究能力和創新思維。小組討論：通過評價學生在小組討論中的表現（如發言質量、合作態度、溝通能力等）來評估其團隊協作能力和溝通能力。作業提交：通過評價學生提交的作業（如實驗報告、案例分析報告等）來評估其知識掌握情況和思維能力。測試評估：通過定期測試（如單元測試、期中考試、期末考試等）來評估學生的學習成果和能力水平。測試內容應涵蓋發酵工程的基本原理、操作技術和應用價值等方面。（三）評價結果反饋及時向學生反饋評價結果，指出其存在的問題和不足，并給予針對性的指導和建議。鼓勵學生根據評價結果進行自我反思和改進，不斷提高其生物學學科核心素養水平。五、教學反思與改進在教學過程中，教師應不斷反思自己的教學方法和策略是否得當，是否能夠滿足學生的學習需求和能力發展。通過教學反思，及時發現問題并進行改進，以提高教學質量和效果。具體來說，教師應關注以下幾個方面的問題：教學方法的多樣性：是否采用了多種教學方法和手段來激發學生的學習興趣和積極性？是否需要引入更多的實踐活動和案例分析來加深學生對發酵工程的理解和應用能力？學生參與度：學生在課堂上的參與度如何？是否所有學生都能夠積極參與討論和交流活動？是否需要采取措施來提高那些參與度較低的學生的學習興趣和積極性？學業評價的有效性：學業評價是否能夠全面反映學生的生物學學科核心素養水平？是否需要調整評價方式和標準來更準確地評估學生的學習成果和能力水平？教學資源的利用：是否充分利用了現有的教學資源和手段來輔助教學活動的開展？是否需要引入更多的教學資源和工具來提高教學效果和質量？通過不斷反思和改進教學方法和策略，教師可以更好地滿足學生的學習需求和能力發展，提高教學質量和效果。教師還應關注學科發展的最新動態和趨勢，不斷更新自己的知識和技能儲備，以適應不斷變化的教學環境和需求。九、學業評價一、教學目標設定根據《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》的要求，結合2020版滬科技版高中生物學選擇性必修3《生物技術與工程》第1章《發酵工程》的教學內容，本章節的教學目標設定如下：（一）生命觀念結構與功能觀：學生能夠理解微生物細胞的結構與其功能之間的關系，認識到培養基中的不同成分如何滿足微生物生長和代謝的需求。物質與能量觀：學生能夠闡述微生物在發酵過程中物質和能量的轉化過程，理解發酵工程如何利用微生物的生命活動來生產和積累所需產品。穩態與平衡觀：學生能夠理解微生物在發酵過程中需要維持內部環境的穩態，以及如何通過調控發酵條件來保持微生物的穩定生長和代謝。進化與適應觀：學生能夠認識到微生物在長期的進化過程中形成了適應不同環境的特性，這些特性在發酵工程中得到了充分的應用。（二）科學思維歸納與概括：學生能夠歸納和總結微生物生長所需的基本營養物質和生長條件，以及不同微生物在發酵過程中的特性。演繹與推理：學生能夠根據微生物的生長特性和發酵原理，推理出如何設計和優化發酵工藝來提高產品產量和質量。模型與建模：學生能夠利用數學模型來描述和預測微生物的生長和發酵過程，以及發酵條件對微生物發酵的影響。批判性思維：學生能夠批判性地評估不同發酵工藝和產品的優缺點，提出改進和創新的建議。（三）科學探究提出問題：學生能夠基于生活經驗和實驗觀察，提出與發酵工程相關的問題，如如何提高發酵效率、如何優化發酵條件等。設計并實施探究方案：學生能夠設計并實施探究實驗，如酵母浸粉胨葡萄糖培養基的配制、酵母的分離和純化、土壤中分解尿素細菌的分離與計數等，以驗證自己的假設。收集和分析數據：學生能夠收集和分析實驗數據，運用科學術語和圖表來展示實驗結果，并對實驗結果進行解釋和討論。交流與合作：學生能夠與他人合作進行科學探究，分享實驗數據和結果，討論實驗過程中遇到的問題和解決方案。（四）社會責任科學實踐：學生能夠運用所學知識和技能參與科學實踐活動，如發酵工程產品的開發和生產，為社會提供有益的產品和服務。環境保護：學生能夠認識到發酵工程在環境保護和資源利用方面的重要性，如利用微生物發酵生產生物降解塑料、利用廢棄物發酵生產生物飼料等。健康意識：學生能夠了解發酵工程在醫藥和食品工業中的應用，如抗生素的生產、發酵食品的制作等，增強健康意識和食品安全意識。倫理道德：學生能夠遵守科學倫理和道德規范，如在進行微生物實驗時注意安全操作、防止微生物污染等。二、學習目標設定基于上述教學目標，本章節的學習目標設定如下：（一）生命觀念學生能夠闡述微生物細胞的結構和功能，以及培養基中的不同成分對微生物生長和代謝的影響。學生能夠理解發酵過程中微生物的物質和能量轉化過程，以及如何通過調控發酵條件來優化發酵工藝。學生能夠認識到微生物在發酵過程中需要維持內部環境的穩態，以及穩態失衡對微生物生長和代謝的影響。學生能夠了解微生物的進化歷程和適應特性，以及這些特性在發酵工程中的應用。（二）科學思維學生能夠歸納和總結微生物生長所需的基本營養物質和生長條件，以及不同微生物在發酵過程中的特性差異。學生能夠根據微生物的生長特性和發酵原理，運用演繹和推理的方法設計和優化發酵工藝。學生能夠利用數學模型來描述和預測微生物的生長和發酵過程，以及發酵條件對微生物發酵的影響程度。學生能夠批判性地評估不同發酵工藝和產品的優缺點，提出改進和創新的建議，并論證其可行性。（三）科學探究學生能夠基于生活經驗和實驗觀察，提出與發酵工程相關的問題，并設計實驗方案來驗證自己的假設。學生能夠獨立完成實驗操作，包括培養基的配制、微生物的分離和純化、發酵條件的調控等，并準確記錄實驗數據。學生能夠運用科學術語和圖表來展示實驗結果，并對實驗結果進行解釋和討論，提出可能的原因和改進措施。學生能夠與他人合作進行科學探究，分享實驗數據和結果，討論實驗過程中遇到的問題和解決方案，共同推進實驗研究的進展。（四）社會責任學生能夠運用所學知識和技能參與科學實踐活動，如參與發酵工程產品的研發和生產過程，為社會提供有益的產品和服務。學生能夠認識到發酵工程在環境保護和資源利用方面的重要性，并積極參與相關環保活動和社會實踐。學生能夠了解發酵工程在醫藥和食品工業中的應用及其對人體健康的影響，增強健康意識和食品安全意識。學生能夠遵守科學倫理和道德規范，在進行微生物實驗時注意安全操作、防止微生物污染等，并積極參與科學普及和宣傳活動。三、評價目標設定基于上述教學目標和學習目標，本章節的評價目標設定如下：（一）生命觀念評價評價內容：學生對微生物細胞結構和功能的理解程度；學生對發酵過程中物質和能量轉化過程的理解程度；學生對微生物穩態與平衡的理解程度；學生對微生物進化與適應特性的理解程度。評價方法：通過觀察學生在實驗過程中的操作表現和對實驗結果的解釋來評價；通過提問和討論來了解學生對生命觀念相關知識的理解和應用情況；通過作業和測試來檢驗學生對生命觀念相關知識的掌握程度。（二）科學思維評價評價內容：學生的歸納與概括能力；學生的演繹與推理能力；學生的模型與建模能力；學生的批判性思維能力。評價方法：通過觀察學生在實驗設計和數據分析過程中的表現來評價其科學思維能力；通過提問和討論來引導學生展示和解釋其科學思維過程；通過作業和測試來檢驗學生運用科學思維方法解決問題的能力。（三）科學探究評價評價內容：學生提出問題的能力；學生設計并實施探究方案的能力；學生收集和分析數據的能力；學生交流與合作的能力。評價方法：通過觀察學生在實驗過程中的表現來評價其科學探究能力；通過提問和討論來引導學生分享和討論其探究過程和結果；通過作業和測試來檢驗學生科學探究能力的掌握程度和應用情況。（四）社會責任評價評價內容：學生參與科學實踐活動的意識和能力；學生的環境保護意識和行為；學生的健康意識和食品安全意識；學生的科學倫理和道德規范遵守情況。評價方法：通過觀察學生在科學實踐活動中的表現來評價其社會責任意識和能力；通過提問和討論來引導學生分享和討論其參與科學實踐活動的經驗和感受；通過作業和測試來檢驗學生對社會責任相關知識的掌握程度和應用情況。還可以通過社會實踐活動和志愿服務等方式來評價學生的社會責任意識和能力。四、具體評價方案（一）生命觀念評價方案實驗觀察與評價：在實驗過程中，觀察學生對微生物細胞結構和功能的觀察情況，以及他們對發酵過程中物質和能量轉化過程的理解程度。通過提問和討論來引導學生解釋實驗現象和結果，評價他們對生命觀念相關知識的理解和應用情況。作業與測試評價：設計相關的作業和測試題目，檢驗學生對生命觀念相關知識的掌握程度。作業題目可以包括微生物細胞結構和功能的描述、發酵過程中物質和能量轉化過程的解釋等；測試題目可以包括選擇題、填空題和簡答題等形式，全面考察學生對生命觀念相關知識的理解和應用能力。（二）科學思維評價方案實驗設計與數據分析評價：在實驗設計和數據分析過程中，觀察學生的科學思維表現。評價他們是否能夠根據實驗目的和要求設計合理的實驗方案；是否能夠準確地收集和分析實驗數據；是否能夠運用科學術語和圖表來展示實驗結果并進行解釋和討論。通過提問和討論來引導學生展示和解釋其科學思維過程，評價他們的科學思維能力。作業與測試評價：設計相關的作業和測試題目，檢驗學生的科學思維能力。作業題目可以包括實驗設計方案的撰寫、數據分析報告的編寫等；測試題目可以包括選擇題、判斷題和案例分析題等形式，全面考察學生運用科學思維方法解決問題的能力。（三）科學探究評價方案實驗過程評價：在實驗過程中，觀察學生的探究表現。評價他們是否能夠根據實驗目的和要求提出有價值的問題；是否能夠設計并實施合理的探究方案；是否能夠準確地收集和分析實驗數據；是否能夠與他人合作進行科學探究并分享實驗數據和結果。通過提問和討論來引導學生分享和討論其探究過程和結果，評價他們的科學探究能力。作業與測試評價：設計相關的作業和測試題目，檢驗學生的科學探究能力。作業題目可以包括探究報告的撰寫、實驗數據的整理和分析等；測試題目可以包括選擇題、填空題和實驗設計題等形式，全面考察學生的科學探究能力。（四）社會責任評價方案社會實踐活動評價：組織學生參與科學實踐活動和社會實踐活動，如發酵工程產品的研發和生產過程、環保宣傳活動、志愿服務等。通過觀察學生在活動中的表現來評價其社會責任意識和能力。評價他們是否能夠積極參與活動并發揮自己的作用；是否能夠遵守活動規則和要求；是否能夠與他人合作完成任務并分享經驗和感受。作業與測試評價：設計相關的作業和測試題目，檢驗學生的社會責任意識和能力。作業題目可以包括科學實踐活動的總結和反思、環保知識的了解和應用等；測試題目可以包括選擇題、簡答題和論述題等形式，全面考察學生對社會責任相關知識的掌握程度和應用情況。本章節的學業評價旨在全面考察學生對發酵工程相關知識的理解和掌握程度，以及他們在生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任等方面的表現和發展情況。通過多元化的評價方法和手段，我們可以更加準確地了解學生的學習情況和成長需求，為他們提供更加有針對性的指導和支持。十、大單元實施思路及教學結構圖1.大單元實施思路針對2020版滬科技版高中生物學選擇性必修3《生物技術與工程》中的第1章《發酵工程》，本大單元的實施思路旨在通過一系列精心設計的探究實驗和虛擬仿真活動，引導學生深入理解發酵工程的基本原理、操作步驟及其在食品、醫藥等領域的應用，培養學生的生物學學科核心素養。具體實施思路如下：1.1引入與導入情境創設：通過展示發酵工程在現代社會中的廣泛應用實例，如酸奶、醬油、抗生素等的生產，激發學生的學習興趣和好奇心。提出問題：引導學生思考如何從自然環境中分離得到生產特定產品的微生物，以及如何通過發酵工程進行大規模生產。1.2理論知識學習概念講解：介紹發酵工程的基本概念、原理及其在各個領域的應用。生命觀念培養：通過講解微生物的生長條件、營養物質需求等，培養學生的結構與功能觀、物質與能量觀等生命觀念。1.3探究實驗實施實驗準備：組織學生分組，準備實驗所需材料、器具和試劑。實驗操作：按照實驗步驟，引導學生逐步完成酵母浸粉胨葡萄糖培養基的配制、酵母的分離和純化、土壤中分解尿素細菌的分離與計數、果酒和果醋的制作、酸奶的制作等實驗。數據記錄與分析：要求學生詳細記錄實驗過程中的數據，分析實驗結果，并撰寫實驗報告。1.4虛擬仿真活動活動設計：利用虛擬仿真軟件，設計發酵條件對微生物發酵影響的探究活動。活動實施：組織學生在計算機上進行虛擬仿真操作，調控發酵條件，觀察微生物的生長和代謝產物的積累情況。結果討論：引導學生討論不同發酵條件對微生物發酵的影響，加深對發酵工程原理的理解。1.5總結與拓展知識總結：對本單元所學內容進行總結回顧，強調發酵工程的基本原理、操作步驟和應用領域。拓展延伸：介紹發酵工程在環保、新能源等領域的應用前景，鼓勵學生關注發酵工程的最新研究動態和技術進展。1.6學業評價過程性評價：通過觀察學生在實驗操作和虛擬仿真活動中的表現，評價學生的科學探究能力和科學思維能力。結果性評價：根據學生的實驗報告和虛擬仿真活動結果，評價學生對發酵工程原理和應用的理解程度。2.教學目標設定（一）生命觀念結構與功能觀：學生能夠理解微生物細胞的結構與功能之間的關系，如細胞壁、細胞膜、細胞核等結構在微生物生長和代謝中的作用。物質與能量觀：學生能夠認識到微生物在生長和代謝過程中需要攝取營養物質，進行能量轉換和物質循環，維持生命活動。穩態與平衡觀：學生能夠理解微生物在生長過程中需要保持內環境的穩態和平衡，如通過調節pH值、溫度等條件來維持生長狀態。（二）科學思維歸納與概括：學生能夠通過對實驗數據的歸納和概括，總結出微生物生長和代謝的一般規律。演繹與推理：學生能夠根據已知的生物學原理和實驗數據，推導出新的結論或預測實驗結果。模型與建模：學生能夠利用數學模型或實物模型來模擬微生物的生長和代謝過程，加深對發酵工程原理的理解。批判性思維：學生能夠批判性地分析實驗數據和實驗結果，識別實驗中的誤差和局限性，提出改進建議。創造性思維：學生能夠發揮創造性思維，設計新的實驗方案或探究方法，探索發酵工程的新應用和新領域。（三）科學探究問題發現：學生能夠主動發現并提出與發酵工程相關的問題，如如何提高微生物的生長速率、如何優化發酵條件等。方案設計：學生能夠根據實驗目的和實驗條件，設計合理的實驗方案，包括實驗步驟、實驗材料、實驗器具等。實驗操作：學生能夠熟練地進行實驗操作，掌握微生物的分離、純化和培養技術，以及發酵條件的調控技術。數據分析：學生能夠運用統計學方法對實驗數據進行處理和分析，得出科學的結論。結果交流：學生能夠準確地表達實驗結果和實驗結論，與他人進行交流和討論，分享實驗心得和體會。（四）社會責任環保意識：學生能夠認識到發酵工程在環保領域的應用前景，如利用微生物降解有機廢棄物、生產生物降解塑料等。健康意識：學生能夠了解發酵工程在食品工業中的應用，如生產酸奶、醬油等調味品和食品添加劑，增強健康飲食意識。社會責任感：學生能夠認識到自己在社會中的角色和責任，積極參與發酵工程的研究和應用實踐，為人類的可持續發展做出貢獻。3.教學結構圖++|發酵工程大單元|++|v++|1.引入與導入|++|v++|2.理論知識學習|++|v++|3.探究實驗實施|++|v++|(1)培養基配制||(2)酵母分離純化||(3)細菌分離計數||(4)果酒果醋制作||(5)酸奶制作|++|v++|4.虛擬仿真活動|++|v++|5.總結與拓展|++|v++|6.學業評價|++|v++|(1)過程性評價||(2)結果性評價|++4.具體教學實施步驟4.1引入與導入（1課時）教學內容：展示發酵工程在現代社會中的廣泛應用實例，如酸奶、醬油、抗生素等的生產。教學活動：通過多媒體展示發酵工程的應用實例，激發學生的學習興趣。引導學生思考如何從自然環境中分離得到生產特定產品的微生物。介紹發酵工程的基本概念和原理。教學資源：多媒體課件、發酵工程應用實例圖片和視頻。4.2理論知識學習（2課時）教學內容：發酵工程的基本原理。微生物的生長條件和營養物質需求。發酵工程在食品、醫藥等領域的應用。教學活動：講解發酵工程的基本原理和操作步驟。分析微生物的生長條件和營養物質需求，培養學生的結構與功能觀、物質與能量觀等生命觀念。介紹發酵工程在食品、醫藥等領域的應用實例，拓寬學生的視野。教學資源：教材、多媒體課件、發酵工程應用實例圖片和視頻。4.3探究實驗實施（共10課時，每個實驗2課時）4.3.1探究·實驗1-1酵母浸粉胨葡萄糖培養基的配制（2課時）實驗目的：學習和掌握配制培養基的一般方法和步驟。實驗原理：培養基為微生物提供所需營養物質，包括碳源、氮源、生長因子、無機鹽和水等。實驗材料：燒杯、三角燒瓶、培養皿、玻璃棒、酒精燈、天平、滅菌鍋、酵母浸粉、蛋白胨、葡萄糖、瓊脂等。實驗步驟：稱量：按照配方稱量所需營養物質。溶解：將營養物質溶解在蒸餾水中，加熱攪拌至完全溶解。調pH值：用NaOH或HCl溶液調節pH值至適宜范圍。分裝與滅菌：將培養基分裝到三角燒瓶中，用牛皮紙包扎封口后滅菌。倒平板：在超凈工作臺中，將滅菌后的培養基倒入培養皿中，冷卻凝固后備用。結果分析：觀察培養基平板是否有雜菌污染，分析可能的污染原因。教學資源：實驗器材、試劑、多媒體課件、實驗指導手冊。4.3.2探究·實驗1-2酵母的分離和純化（2課時）實驗目的：學會平板劃線法和稀釋涂布平板法的操作方法，學會觀察與區分平板劃線法和稀釋涂布平板法的實驗結果。實驗原理：通過平板劃線法和稀釋涂布平板法，使微生物在固體培養基上生長形成單菌落，從而獲得純種培養物。實驗材料：酵母液、接種環、涂布棒、移液器、無菌移液器吸頭、酒精燈、試管、培養皿、恒溫培養箱等。實驗步驟：平板劃線法：用接種環蘸取酵母液，在固體培養基上連續劃線，形成單菌落。稀釋涂布平板法：將酵母液進行適當稀釋后，用涂布棒均勻涂布在固體培養基上。培養與觀察：將平板置于恒溫培養箱中培養一段時間后，觀察并記錄菌落特征。結果分析：比較平板劃線法和稀釋涂布平板法的實驗結果，分析菌落特征。教學資源：實驗器材、試劑、多媒體課件、實驗指導手冊。4.3.3探究·實驗1-3土壤中分解尿素細菌的分離與計數（2課時）實驗目的：學會從土壤中分離得到分解尿素細菌的方法，通過計數統計1g土樣中分解尿素細菌的數量。實驗原理：利用選擇培養基（以尿素為唯一氮源）從土壤中分離出分解尿素細菌。實驗材料：土壤樣品、燒杯、量筒、三角燒瓶、培養皿、玻璃棒、涂布棒、移液器、無菌移液器吸頭、酒精燈、恒溫培養箱等。實驗步驟：配制培養基：配制LB瓊脂培養基和尿素瓊脂培養基。制備細菌懸液：將土壤樣品加入無菌水中振蕩制成細菌懸液，并進行適當稀釋。涂布與培養：將細菌懸液涂布在LB瓊脂培養基和尿素瓊脂培養基上，置于恒溫培養箱中培養。觀察與計數：觀察并記錄平板上的菌落數量，根據稀釋倍數計算土樣中分解尿素細菌的數量。結果分析：比較兩種培養基平板上的菌落數量差異，分析原因。教學資源：實驗器材、試劑、多媒體課件、實驗指導手冊。4.3.4探究·實驗1-4果酒和果醋的制作（2課時）實驗目的：掌握果酒和果醋的制作原理和方法。實驗原理：果酒的制作利用酵母在無氧條件下進行酒精發酵；果醋的制作利用醋酸菌在有氧條件下進行醋酸發酵。實驗材料：新鮮水果（如葡萄、蘋果等）、釀酒酵母、醋酸菌、燒杯、廣口瓶、三孔膠塞、溫度計、紗布、硅膠管、止水夾、過濾器、榨汁機等。實驗步驟：果酒的制作：將水果洗凈搗碎榨汁后，加入酵母培養物進行無氧發酵；發酵結束后過濾并檢測酒精含量。果醋的制作：將果酒加入醋酸菌液進行有氧發酵；發酵結束后測定pH值并記錄外觀和香氣特征。結果分析：比較果酒和果醋的外觀、香氣和口感差異，分析發酵原理。教學資源：實驗器材、試劑、多媒體課件、實驗指導手冊。4.3.5探究·實驗1-5酸奶的制作（2課時）實驗目的：掌握酸奶的制作原理和方法。實驗原理：利用乳酸菌在發酵過程中產生乳酸使牛奶凝固并產生獨特風味。實驗材料：優質全脂奶粉或新鮮牛奶、蔗糖、新鮮優質酸奶或市售酸奶菌粉、三角燒瓶、恒溫水浴鍋、恒溫培養箱、冰箱等。實驗步驟：原料配制：將奶粉或牛奶與蔗糖混合均勻后消毒。接種與發酵：將酸奶或酸奶菌粉作為菌種接入原料中進行發酵。后熟與保存：發酵結束后將酸奶置于低溫下后熟并保存。結果分析：觀察并記錄酸奶的色澤、組織狀態、氣味和滋味等特征，分析發酵原理。教學資源：實驗器材、試劑、多媒體課件、實驗指導手冊。4.4虛擬仿真活動（2課時）活動目的：了解滿足微生物發酵所需的條件，通過虛擬仿真操作調控微生物的發酵過程。活動內容：利用虛擬仿真軟件設定發酵條件（如溫度、pH值、溶解氧等）。觀察并記錄不同發酵條件下微生物的生長情況和代謝產物的積累情況。分析并討論不同發酵條件對微生物發酵的影響。教學資源：虛擬仿真軟件、多媒體課件、實驗指導手冊。4.5總結與拓展（1課時）教學內容：對本單元所學內容進行總結回顧。介紹發酵工程在環保、新能源等領域的應用前景。教學活動：組織學生進行小組討論，分享學習心得和體會。引導學生關注發酵工程的最新研究動態和技術進展。教學資源：多媒體課件、發酵工程應用前景相關文獻資料。4.6學業評價（貫穿整個單元教學過程）過程性評價：觀察學生在實驗操作和虛擬仿真活動中的表現，評價學生的科學探究能力和科學思維能力。記錄學生在課堂上的參與情況和互動情況，評價學生的學習態度和合作精神。結果性評價：根據學生的實驗報告和虛擬仿真活動結果，評價學生對發酵工程原理和應用的理解程度。組織學生進行期末測試或項目式學習評價，全面評估學生的學科核心素養水平。通過以上教學實施步驟，旨在引導學生深入理解發酵工程的基本原理、操作步驟及其在各個領域的應用，培養學生的生物學學科核心素養。通過豐富多樣的教學活動和評價方式，激發學生的學習興趣和積極性，促進其全面發展。十一、大情境、大任務創設一、引言在《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》的指導下，針對2020版滬科技版高中生物學選擇性必修3《生物技術與工程》第1章《發酵工程》的教學內容，我們精心創設了一個大情境與大任務。這一設計旨在通過真實世界的情境和問題，引導學生在解決實際問題的過程中，深入理解發酵工程的基本原理、操作步驟及其在各個領域的應用，同時培養學生的生物學學科核心素養，包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。二、大情境設計（一）情境背景隨著生物技術的飛速發展，發酵工程在現代工業、醫藥、食品等領域的應用日益廣泛。從傳統的醬油、酸奶制作到現代抗生素、疫苗的生產，發酵工程都發揮著不可替代的作用。隨著全球人口的增長和資源的日益緊張，如何高效、環保地利用發酵工程生產人類所需的生物產品，成為了擺在我們面前的重要課題。（二）情境描述假設你是一名生物科技公司的研發人員，公司致力于利用發酵工程生產高效、環保的生物產品。近期，公司接到了一項重要任務：開發一種新型酸奶產品，該產品不僅要口感獨特、營養豐富，還要具有一定的保健功能。公司還希望利用發酵工程處理城市生活垃圾中的有機廢棄物，將其轉化為生物肥料或生物能源，實現資源的循環利用。為了完成這一任務，你需要深入研究發酵工程的基本原理和操作步驟，掌握微生物的分離、純化和培養技術，以及發酵條件的調控技術。在此基礎上，你還需要設計并實施一系列探究實驗，優化發酵工藝，提高產品產量和質量。三、大任務設計（一）任務目標生命觀念：學生能夠理解微生物細胞的結構與功能之間的關系，認識到微生物在生長和代謝過程中需要攝取營養物質，進行能量轉換和物質循環，維持生命活動。學生能夠理解微生物在發酵工程中的重要作用，以及發酵過程對微生物生長和代謝的影響。科學思維：學生能夠通過對實驗數據的歸納和概括，總結出微生物生長和代謝的一般規律。學生能夠根據已知的生物學原理和實驗數據，推導出新的結論或預測實驗結果。學生還能夠利用數學模型或實物模型來模擬微生物的生長和代謝過程，加深對發酵工程原理的理解。科學探究：學生能夠主動發現并提出與發酵工程相關的問題，如如何提高微生物的生長速率、如何優化發酵條件等。學生能夠根據實驗目的和實驗條件，設計合理的實驗方案，包括實驗步驟、實驗材料、實驗器具等。在實驗過程中，學生能夠熟練地進行實驗操作，掌握微生物的分離、純化和培養技術，以及發酵條件的調控技術。學生能夠運用統計學方法對實驗數據進行處理和分析，得出科學的結論，并與他人進行交流和討論。社會責任：學生能夠認識到發酵工程在環保領域的應用前景，如利用微生物降解有機廢棄物、生產生物降解塑料等。學生能夠了解發酵工程在食品工業中的應用，如生產酸奶、醬油等調味品和食品添加劑，增強健康飲食意識。學生還能夠認識到自己在社會中的角色和責任，積極參與發酵工程的研究和應用實踐，為人類的可持續發展做出貢獻。（二）任務內容任務一：酵母浸粉胨葡萄糖培養基的配制情境融入：作為生物科技公司的研發人員，你需要為后續的微生物培養實驗配制合適的培養基。酵母浸粉胨葡萄糖培養基是一種常用的微生物培養基，適用于多種酵母菌和細菌的培養。實驗目標：掌握培養基配制的一般方法和步驟，了解培養基中各成分的作用及其對微生物生長的影響。實驗步驟：按照配方稱量所需營養物質，包括酵母浸粉、蛋白胨、葡萄糖、瓊脂等。將營養物質溶解在蒸餾水中，加熱攪拌至完全溶解。用NaOH或HCl溶液調節pH值至適宜范圍。將培養基分裝到三角燒瓶中，用牛皮紙包扎封口后滅菌。在超凈工作臺中，將滅菌后的培養基倒入培養皿中，冷卻凝固后備用。結果分析：觀察培養基平板是否有雜菌污染，分析可能的污染原因，并討論如何避免污染。任務二：酵母的分離和純化情境融入：在配制好培養基后，你需要從自然界中分離出純種的酵母菌，為后續的發酵實驗提供菌種。實驗目標：掌握微生物分離和純化的基本方法，包括平板劃線法和稀釋涂布平板法。了解無菌技術在微生物研究和發酵工程中的重要性。實驗步驟：準備無菌操作臺和所需的無菌器具。采集自然環境中的樣品，如水果皮、土壤等，進行預處理。采用平板劃線法或稀釋涂布平板法將樣品接種到培養基上。將培養皿置于適宜的溫度下培養，觀察并記錄菌落的生長情況。挑選單菌落進行純化培養，直至獲得純種酵母菌。結果分析：根據菌落的特征（大小、形態、顏色等）區分不同的微生物，并討論如何判斷菌種的純度。任務三：土壤中分解尿素細菌的分離與計數情境融入：除了酵母菌外，你還需要分離出能夠分解尿素的細菌，以評估其在農業上的應用潛力。實驗目標：掌握土壤中微生物的分離與計數方法，了解分解尿素細菌在農業上的應用價值。實驗步驟：采集土壤樣品，進行預處理。采用選擇培養基（如以尿素為唯一氮源的培養基）進行微生物的分離。利用平板劃線法或稀釋涂布平板法將樣品接種到選擇培養基上。將培養皿置于適宜的溫度下培養，觀察并記錄菌落的生長情況。采用稀釋涂布平板法進行微生物的計數，計算土壤中分解尿素細菌的數量。結果分析：根據菌落的特征區分不同的微生物，并討論分解尿素細菌在農業上的可能應用。任務四：果酒和果醋的制作情境融入：作為新型酸奶產品的研發人員，你需要了解果酒和果醋的制作過程，以便在酸奶產品中添加果酒或果醋成分，提升產品的口感和營養價值。實驗目標：掌握果酒和果醋的制作原理和方法，了解發酵過程中微生物的作用和發酵條件的調控。實驗步驟：準備新鮮的水果（如葡萄、蘋果等）和所需的發酵器具。對水果進行清洗、去皮、去籽等預處理。將水果搗碎或榨汁，加入適量的糖和酵母，進行果酒的發酵。在果酒發酵完成后，加入適量的醋酸菌，進行果醋的發酵。定期對發酵液進行取樣檢測，記錄發酵過程中的pH值、酒精度等指標。結果分析：根據發酵液的pH值、酒精度等指標判斷發酵是否完成，并討論發酵過程中微生物的作用和發酵條件的調控對產品質量的影響。任務五：酸奶的制作情境融入：作為生物科技公司的研發人員，你的主要任務是開發新型酸奶產品。你需要掌握酸奶的制作原理和方法。實驗目標：掌握酸奶的制作原理和方法，了解發酵過程中乳酸菌的作用和發酵條件的調控。實驗步驟：準備新鮮的牛奶和所需的發酵器具。對牛奶進行巴氏殺菌處理，殺滅其中的雜菌。冷卻牛奶至適宜的溫度，加入適量的乳酸菌菌種。將接種后的牛奶置于恒溫箱中進行發酵。定期對發酵液進行取樣檢測，記錄發酵過程中的pH值、酸度等指標。結果分析：根據發酵液的pH值、酸度等指標判斷發酵是否完成，并討論發酵過程中乳酸菌的作用和發酵條件的調控對產品質量的影響。任務六：虛擬仿真：發酵條件對微生物發酵的影響情境融入：在實際發酵過程中，發酵條件的調控對微生物的生長和代謝具有重要影響。為了更深入地了解發酵條件的影響，你決定利用虛擬仿真軟件進行模擬實驗。實驗目標：通過虛擬仿真軟件設定不同的發酵條件（如溫度、pH值、溶解氧等），觀察并記錄不同條件下微生物的生長情況和代謝產物的積累情況。分析并討論不同發酵條件對微生物發酵的影響。實驗步驟：打開虛擬仿真軟件，選擇相應的微生物和發酵類型。設定不同的發酵條件（如溫度、pH值、溶解氧等），觀察并記錄微生物的生長曲線和代謝產物的積累曲線。分析不同發酵條件下微生物的生長速度和代謝產物積累量的差異，并討論可能的原因。根據仿真結果優化發酵工藝參數，提出改進方案。結果分析：通過虛擬仿真實驗，學生可以更直觀地了解發酵條件對微生物發酵的影響，為實際發酵過程的調控提供理論依據。四、任務實施與評價（一）任務實施分組實施：將學生分成若干小組，每組負責完成一個或多個任務。小組成員之間應分工明確、協作配合，共同完成任務目標。教師指導：在實驗過程中，教師應密切關注學生的操作情況，及時給予指導和幫助。對于學生在實驗過程中遇到的問題和困惑，教師應耐心解答并引導學生自主思考、解決問題。時間安排：根據教學進度和實驗難度合理安排時間。對于較為復雜的實驗任務，可以適當延長實驗時間或分批次進行。（二）任務評價過程性評價：在實驗過程中，教師應根據學生的操作情況、實驗記錄、小組合作情況等方面進行綜合評價。對于表現優秀的學生或小組應及時給予表揚和獎勵；對于存在問題的學生或小組應及時指出問題所在并提供改進建議。結果性評價：在實驗完成后，教師應組織學生進行成果展示和交流討論。通過聽取學生的匯報、查看實驗報告和仿真結果等方式全面評估學生的實驗成果和核心素養水平。對于表現優秀的學生或小組應給予更高的評價等級和獎勵；對于表現一般或較差的學生或小組應指出其不足之處并提供改進建議。自我評價與同伴評價：在實驗過程中和實驗完成后，鼓勵學生進行自我評價和同伴評價。通過自我評價和同伴評價的方式幫助學生更好地認識自己的優點和不足之處，促進自我反思和成長。五、總結與展望通過本次大情境、大任務的創設與實施，學生不僅掌握了發酵工程的基本原理和操作步驟，還培養了生物學學科核心素養。在未來的學習和工作中，學生將能夠運用所學知識解決實際問題，為人類的可持續發展做出貢獻。教師也應不斷總結教學經驗、優化教學設計、提升教學水平，為培養更多優秀的生物學人才而不懈努力。十二、單元學歷案（一）單元主題與課時單元主題：發酵工程課時設計：第1課時：引入與導入（展示發酵工程的應用實例，激發學生興趣）第2-3課時：理論知識學習（發酵工程的基本概念、原理及其在各個領域的應用）第4-5課時：探究實驗1-1酵母浸粉胨葡萄糖培養基的配制第6-7課時：探究實驗1-2酵母的分離和純化第8-9課時：探究實驗1-3土壤中分解尿素細菌的分離與計數第10-11課時：探究實驗1-4果酒和果醋的制作第12-13課時：探究實驗1-5酸奶的制作第14課時：探究活動1-6虛擬仿真：發酵條件對微生物發酵的影響第15課時：總結與拓展（對本單元所學內容進行總結回顧，介紹發酵工程的應用前景）第16課時：學業評價（過程性評價與結果性評價）（二）學習目標教學目標設定：（一）生命觀念結構與功能觀：學生能夠理解微生物細胞的結構與功能之間的關系，如細胞壁、細胞膜、細胞核等結構在微生物生長和代謝中的作用。通過探究實驗，學生能夠觀察到不同微生物在特定培養基上的生長情況，理解培養基成分對微生物生長的影響。物質與能量觀：學生能夠認識到微生物在生長和代謝過程中需要攝取營養物質，進行能量轉換和物質循環，維持生命活動。通過果酒和果醋的制作實驗，學生能夠理解微生物如何利用糖類物質進行發酵產生酒精和醋酸的過程。穩態與平衡觀：學生能夠理解微生物在生長過程中需要保持內環境的穩態和平衡，如通過調節pH值、溫度等條件來維持生長狀態。在虛擬仿真活動中，學生能夠調控發酵條件，觀察微生物的生長和代謝產物的積累情況，加深對發酵工程原理的理解。（二）科學思維歸納與概括：學生能夠通過對實驗數據的歸納和概括，總結出微生物生長和代謝的一般規律。在探究實驗中，學生需要記錄和分析實驗數據，總結不同微生物在特定條件下的生長特性。演繹與推理：學生能夠根據已知的生物學原理和實驗數據，推導出新的結論或預測實驗結果。例如，在了解酵母發酵產生酒精的原理后，學生能夠預測在不同條件下果酒和果醋的產量。模型與建模：學生能夠利用數學模型或實物模型來模擬微生物的生長和代謝過程，加深對發酵工程原理的理解。在虛擬仿真活動中，學生可以通過調控發酵條件來觀察微生物的生長情況，理解發酵過程的動態變化。批判性思維：學生能夠批判性地分析實驗數據和實驗結果，識別實驗中的誤差和局限性，提出改進建議。在探究實驗中，學生需要分析實驗結果的準確性，討論可能存在的誤差來源，并提出改進措施。創造性思維：學生能夠發揮創造性思維，設計新的實驗方案或探究方法，探索發酵工程的新應用和新領域。例如，學生可以設計實驗探究不同微生物對特定廢棄物的降解效果，探索發酵工程在環保領域的應用。（三）科學探究問題發現：學生能夠主動發現并提出與發酵工程相關的問題，如如何提高微生物的生長速率、如何優化發酵條件等。在探究實驗中，學生需要根據實驗現象提出問題，并設計實驗方案進行探究。方案設計：學生能夠根據實驗目的和實驗條件，設計合理的實驗方案，包括實驗步驟、實驗材料、實驗器具等。在探究實驗中，學生需要自主設計實驗方案，選擇適當的實驗材料和器具。實驗操作：學生能夠熟練地進行實驗操作，掌握微生物的分離、純化和培養技術，以及發酵條件的調控技術。在探究實驗中，學生需要按照實驗方案進行實驗操作，記錄實驗現象和數據。數據分析：學生能夠運用統計學方法對實驗數據進行處理和分析，得出科學的結論。在探究實驗中，學生需要使用適當的統計方法對實驗數據進行處理和分析，總結實驗規律。結果交流：學生能夠準確地表達實驗結果和實驗結論，與他人進行交流和討論，分享實驗心得和體會。在探究實驗中，學生需要撰寫實驗報告，展示實驗結果和結論，并與同學和老師進行交流和討論。（四）社會責任環保意識：學生能夠認識到發酵工程在環保領域的應用前景，如利用微生物降解有機廢棄物、生產生物降解塑料等。通過探究實驗和虛擬仿真活動，學生能夠了解發酵工程在環保領域的應用實例，增強環保意識。健康意識：學生能夠了解發酵工程在食品工業中的應用，如生產酸奶、醬油等調味品和食品添加劑，增強健康飲食意識。通過果酒和果醋的制作實驗，學生能夠了解發酵食品的制作過程和營養價值。社會責任感：學生能夠認識到自己在社會中的角色和責任，積極參與發酵工程的研究和應用實踐，為人類的可持續發展做出貢獻。通過探究實驗和虛擬仿真活動，學生能夠了解發酵工程在醫藥、能源等領域的應用前景，激發對科學研究的興趣和社會責任感。（三）評價任務過程性評價：觀察記錄：觀察學生在實驗操作和虛擬仿真活動中的表現，記錄學生的實驗操作步驟、實驗現象觀察、數據記錄和分析等情況。互動交流：評價學生在課堂上的參與情況和互動情況，包括提問、討論、合作等方面的表現。實驗報告：評價學生撰寫的實驗報告，包括實驗目的、實驗步驟、實驗數據、實驗結果和結論等方面的內容。結果性評價：學業測試：組織學生進行期末測試，考察學生對發酵工程原理和應用的理解程度。項目式學習評價：要求學生選擇一個與發酵工程相關的課題進行項目式學習，評價學生的研究能力、創新能力和實踐能力。（四）學習過程第1課時：引入與導入教學內容：展示發酵工程在現代社會中的廣泛應用實例，如酸奶、醬油、抗生素等的生產。教學活動：通過多媒體展示發酵工程的應用實例，激發學生的學習興趣。引導學生思考如何從自然環境中分離得到生產特定產品的微生物。介紹發酵工程的基本概念和原理。教學資源：多媒體課件、發酵工程應用實例圖片和視頻。第2-3課時：理論知識學習教學內容：發酵工程的基本原理、微生物的生長條件和營養物質需求、發酵工程在食品、醫藥等領域的應用。教學活動：講解發酵工程的基本原理和操作步驟。分析微生物的生長條件和營養物質需求，培養學生的結構與功能觀、物質與能量觀等生命觀念。介紹發酵工程在食品、醫藥等領域的應用實例，拓寬學生的視野。教學資源：教材、多媒體課件、發酵工程應用實例圖片和視頻。第4-5課時：探究實驗1-1酵母浸粉胨葡萄糖培養基的配制實驗目標：學習和掌握配制培養基的一般方法和步驟。實驗活動：學生分組進行實驗，按照實驗步驟配制酵母浸粉胨葡萄糖培養基。觀察培養基的凝固情況和微生物在培養基上的生長情況。教學資源：酵母浸粉胨葡萄糖培養基配方、實驗器具（如燒杯、量筒、移液管、培養皿等）、無菌操作臺。第6-7課時：探究實驗1-2酵母的分離和純化實驗目標：學會使用平板劃線法和稀釋涂布平板法分離和純化酵母。實驗活動：學生分組進行實驗，從含有多種微生物的樣品中分離和純化酵母。使用平板劃線法和稀釋涂布平板法在培養基上接種酵母，觀察并記錄酵母的生長情況。教學資源：平板劃線法和稀釋涂布平板法操作視頻、實驗器具、無菌操作臺。第8-9課時：探究實驗1-3土壤中分解尿素細菌的分離與計數實驗目標：掌握土壤中分解尿素細菌的分離與計數方法。實驗活動：學生分組進行實驗，從土壤樣品中分離和計數分解尿素細菌。使用選擇性培養基（如以尿素為唯一氮源的培養基）接種土壤樣品，觀察并記錄分解尿素細菌的生長情況。使用顯微鏡計數法或稀釋涂布平板法測定分解尿素細菌的數量。教學資源