高中生物学二年级《传统发酵技术的应用》项目式学习学生手册

高中生物学二年级《传统发酵技术的应用》项目式学习学生手册

一、课程概览与学习导航

（一）课题定位与价值

本课题选自人教版高中生物选择性必修三《生物技术与工程》第一章“传统发酵技术的应用”。在高中生物学体系中，本课题是连接微观生物学（微生物代谢）与工程实践（技术应用）的关键桥梁，属于【非常重要】的综合性实践环节。它要求学生跳出单纯的应试刷题模式，以项目式学习的方式，亲身经历从理论到产品的完整过程，深入理解“技术为生活服务”的核心理念。

（二）核心学习目标

1.生命观念：【基础】通过观察发酵过程中微生物（酵母菌、乳酸菌、醋酸菌等）的生命活动及其对环境的改造，深化对“物质与能量观”、“信息流与稳态”等生命观念的理解，认识到微生物在生态系统和人类生产生活中的重要角色。

2.科学探究：【非常重要】能基于生活现象或特定问题（如：为什么自制的泡菜有时会“生花”？如何让果酒的风味更佳？），独立或合作提出可探究的生物学问题。能够熟练设计并实施单因子变量实验，如探究温度、盐浓度、糖量等因素对发酵产物品质的影响。

3.科学思维：【高频考点】运用系统论思想，分析发酵过程中微生物、底物、环境条件三者之间的动态关系。能够使用模型与建模的方法（如绘制发酵过程代谢变化曲线、构建影响因素逻辑图）来解释和预测发酵结果。

4.社会责任：【热点】通过制作和品鉴发酵产品，体验我国悠久的饮食文化和生物技术先民的智慧。在项目实践中，培养严谨求实的科学态度、团队协作精神和安全生产意识，并能对家庭或社区的传统发酵工艺进行科学评估与优化建议。

（三）项目学习重难点

1.教学重点：

（1）理解不同微生物（酵母菌、醋酸菌、乳酸菌）的代谢类型、繁殖方式及其在发酵过程中的作用。【基础】

（2）掌握泡菜、果酒、果醋等传统发酵产品的基本制作原理和关键操作步骤。【重要】

（3）学会设计并实施简单的对照实验，记录数据并分析结果。【高频考点】

2.教学难点：

（1）在开放式的家庭/实验室环境下，如何有效防止杂菌污染，实现“无菌技术”的初步应用。【难点】

（2）能够科学解释发酵过程中的复杂现象（如：泡菜腌制初期亚硝酸盐含量的变化曲线成因、果酒变醋的生化机制）。【难点】

（3）在项目迭代中，根据实验结果优化个人/小组的发酵方案，培养工程学思维。【非常重要】

二、项目启动与团队组建

（一）项目总任务

以小组为单位，自主选择一个发酵方向（泡菜、果酒、果醋，或创新性组合产品，如酒酿、酸奶），完成从方案设计、材料准备、动手制作、过程记录、问题分析到成果展示与品鉴的全过程。最终提交一份完整的《项目研究报告》和一件合格的发酵产品。

（二）组建“发酵工坊”项目团队

1.团队架构：每小组4-5人，实行组长负责制。根据成员特长，可设立“首席科学家”（负责原理探究与数据记录）、“总工程师”（负责流程设计与操作规范）、“质量监督员”（负责卫生把控与过程观察）、“产品经理”（负责资料搜集、成果展示与品鉴组织）等角色。【重要】

2.团队公约：

（1）安全第一：严格遵守实验室安全规范，不明材料不尝试，不随意品尝未经验证的产品。

（2）科学严谨：数据记录务必及时、真实、详细，不得臆造。

（3）协同共进：定期召开小组会议，分享观察所得，讨论解决方案，共同克服困难。

三、项目启动与前期准备

（一）唤醒经验，聚焦问题

1.情境引入：请大家回忆并分享自己家中或家乡有哪些传统的发酵食品？（如：东北的酸菜、四川的泡菜、江浙的酒酿、西北的酸奶、保宁醋等）。【基础】

2.头脑风暴：这些美味的食物背后，是谁在默默工作？（微生物）。它们是如何工作的？（引导学生回顾必修一关于细胞呼吸的知识，如酵母菌的无氧呼吸产生酒精，乳酸菌的无氧呼吸产生乳酸）。【高频考点】

3.核心问题提出：我们能否像我们的祖先一样，利用现代生物学知识，亲手“驯服”这些看不见的“工人”，设计并制作出属于我们自己的、安全美味的发酵产品？在制作过程中，我们如何确保它们“听话”地工作，而不是产出有害物质？

（二）知识储备与原理深潜

1.主要菌种“身份档案”：【非常重要】

（1）酵母菌：真核生物，兼性厌氧型。在有氧条件下进行有氧呼吸，大量繁殖；在无氧条件下进行无氧呼吸，将糖类分解为酒精和二氧化碳，是酿酒的核心菌种。最适温度约为28℃。

（2）醋酸菌：原核生物，好氧型。在氧气充足、糖源充足时，可直接将葡萄糖分解为醋酸；在糖源不足时，能将酒精转化为乙醛，再将乙醛氧化为醋酸。最适温度约为30-35℃。【高频考点】

（3）乳酸菌：原核生物，厌氧型。在无氧条件下，将糖类分解为乳酸。种类繁多，常见于泡菜、酸奶制作。最适温度范围较广，根据菌种不同有差异，通常在室温至40℃之间。【高频考点】

2.发酵产品原理深度解析：

（1）泡菜制作：【重点】

A.原理：利用植物体表天然附着的乳酸菌进行厌氧发酵。在无氧环境下，乳酸菌将蔬菜中的糖类转化为乳酸。随着乳酸积累，pH值下降，抑制了其他杂菌（如大肠杆菌、酵母菌等）的生长，从而延长保存时间并赋予独特风味。

B.亚硝酸盐问题：【非常重要/热点/难点】泡菜发酵初期，一些杂菌（如硝酸盐还原菌）会将蔬菜中的硝酸盐还原为亚硝酸盐。随着乳酸菌成为优势菌群，酸性环境抑制了这些杂菌的活动，同时部分亚硝酸盐也会被降解，因此亚硝酸盐含量呈现“先升高后降低”的峰形曲线。通常在腌制1-2周后，亚硝酸盐含量降至安全水平方可食用。

（2）果酒制作：【重点】

A.原理：利用果皮表面的野生酵母菌或添加的人工选育酵母菌，在无氧条件下将果汁中的葡萄糖、果糖等转化为酒精和二氧化碳。同时，酵母菌的代谢还会产生甘油、高级醇、酯类等风味物质，影响酒的香气和口感。

B.关键点：前期需要通入少量空气（或敞口一段时间），保证酵母菌大量繁殖，种群数量占优，为后续无氧发酵积蓄力量。然后严格密封进行无氧发酵。【难点】

（3）果醋制作：【重点】

A.原理：在氧气充足、酒精存在的条件下，醋酸菌将酒精氧化为醋酸。这是有氧发酵过程。

B.流程：通常“酿酒容易制醋难”，果醋制作常以果酒（或稀释的酒精）为原料，通过接种醋酸菌并持续通入氧气（或敞口并振荡）来实现酒精向醋酸的转化。

（三）材料与工具清单

1.核心材料（根据所选项目准备）：

（1）泡菜：新鲜蔬菜（白萝卜、胡萝卜、豇豆、白菜等，应季为佳）、食盐、凉开水、香料（花椒、八角、姜、蒜等）。【基础】

（2）果酒：新鲜水果（葡萄、苹果、草莓等，首选表皮有白霜的葡萄，白霜中富含野生酵母）、白砂糖、冰糖。【基础】

（3）果醋：制作好的果酒、新鲜水果（增加果香）、醋酸菌菌种（或购买未经杀菌的活体原醋）。

2.工具与设备：

（1）发酵容器：泡菜坛（带水封边）、广口玻璃瓶、可密封的发酵罐。【重要】

（2）处理工具：菜刀、砧板（需生熟分开）、无油无水的锅具、玻璃棒、滤网、纱布。

（3）测量与监控设备：天平（测量盐、糖）、温度计、pH试纸（检测酸度）、酒精计。

（4）清洗消毒用品：洗洁精、开水、医用酒精、棉球。

四、项目实施过程

（一）阶段一：方案设计与论证（第1周）

1.小组选题与分工：各小组根据兴趣选定发酵方向，明确成员分工，制定详细的项目时间表。

2.查阅资料与初步方案：【非常重要】

（1）小组需通过查阅教材、学术数据库（知网、万方等）、科普书籍，深入了解所选项目的具体工艺流程、关键参数（如盐度、糖度、温度、时间）及注意事项。

（2）撰写初步《项目设计方案》。方案必须包含：

A.项目名称：如“玫瑰香型苹果酒的酿造工艺探究”。

B.项目原理：用规范的生物学语言阐述所涉及的核心菌种、代谢过程及生化反应式。

C.材料清单与工具准备：详细列出名称、规格、数量。

D.详细操作步骤：从清洗消毒开始，到原料处理、装坛、封口、后期管理等每一步骤的描述。

E.探究变量设计：【热点/难点】鼓励各组设置对照实验。例如：

（I）泡菜组：探究不同食盐浓度（3%、5%、8%）对泡菜风味和亚硝酸盐含量的影响。

（II）果酒组：探究不同糖量添加（10%、15%、20%）对最终酒精度和口感的影响；或探究是否添加商业酵母（野生酵母vs.人工酵母）的差异。

（III）果醋组：探究不同通气频率（静置vs.每日搅拌）对醋酸生成速度的影响。

F.预期成果与风险评估：预判可能遇到的问题（如发霉、变味）及应对预案。

3.方案论证会：【重要】各小组在班级内进行5分钟的方案陈述，接受教师和其他小组的质询。重点论证方案的可行性、科学性和创新性。根据论证意见，各小组修改完善最终方案。

（二）阶段二：动手制作与过程管理（第2-4周）

1.准备工作（严格消毒）：【非常重要】

（1）环境消毒：清理操作台面，用医用酒精擦拭。保持室内通风。

（2）器具消毒：发酵容器和所有工具用开水烫洗3-5分钟，或用酒精棉球擦拭。玻璃瓶可放入烤箱100℃烘干消毒。务必确保无油、无水（生水，最好用凉开水），防止杂菌滋生。

（3）手部清洁：操作前用肥皂和流水彻底清洗双手。

2.泡菜制作核心流程（以泡萝卜为例）：

（1）配制盐水：根据实验设计称取相应质量的食盐，用无油锅将水烧开，放入食盐溶解后晾凉。食盐质量约为水的8%-10%。【重要】

（2）处理蔬菜：将萝卜等蔬菜洗净，沥干水分，切成条状或块状。

（3）入坛：将切好的蔬菜、去皮大蒜、生姜片、花椒、八角等香料分层放入洁净的泡菜坛中。倒入冷却好的盐水，确保盐水完全淹没所有蔬菜。这一步是为了制造无氧环境。【重要】

（4）封坛：在坛口水槽内加入适量凉开水或盐水，扣上坛盖。水封的作用是保证坛内无氧环境的同时，允许内部产生的气体（CO2）逸出，而外部空气和杂菌无法进入。【重要/难点】

（5）发酵管理：

A.环境温度：置于阴凉处，室温（约20-25℃）发酵。【重要】

B.水封检查：定期检查水封槽，确保水不干涸，防止空气进入。

C.观察记录：每天观察并记录坛内现象（有无气泡产生、液体是否变浑浊、气味变化等），每天定时测量并记录室温。【基础】

D.亚硝酸盐检测（可选，进阶任务）：在发酵的第0、3、5、7、10、15天，用比色法或亚硝酸盐检测试纸测定泡菜汤中的亚硝酸盐含量，绘制变化曲线，验证“先升后降”的规律。【热点】

3.果酒制作核心流程（以葡萄酒为例）：

（1）挑选与清洗：选择成熟、饱满、无破损的葡萄。用清水冲洗，除去表面灰尘，但切忌过度搓洗，以免洗掉表皮附着的野生酵母菌。【难点/重要】

（2）破碎与装瓶：将葡萄晾干水分后，用手捏碎（注意手部消毒），连皮带籽一起装入发酵瓶（如广口瓶），装至瓶容积的2/3左右，留下1/3空间防止发酵液溢出。根据设计加入白砂糖。【重要】

（3）前期发酵（有氧扩培）：瓶口用多层纱布包扎，放置于28℃左右环境下，让酵母菌在有氧条件下迅速繁殖。每天用洁净玻璃棒搅拌1-2次，以增加溶氧。此阶段约持续24-48小时，可见大量气泡产生。【重要】

（4）主发酵（无氧酒精发酵）：当气泡大量产生后，换上带有发酵栓（或安装单向排气阀）的瓶盖，进行密封无氧发酵。若无专用发酵栓，可用保鲜膜扎孔后封口。温度控制在25℃左右。此阶段持续约7-15天，气泡逐渐减少，葡萄皮上浮形成“酒帽”。【重要】

（5）观察与记录：每天观察气泡产生速率、酒液颜色、气味变化，测量并记录温度。定期（如每隔3天）用酒精计测量酒精度变化。【基础】

4.果醋制作核心流程（以葡萄醋为例）：

（1）准备原料：将自制的葡萄果酒（或购买的无添加干红）过滤，除去皮渣，获得澄清酒液。

（2）接种醋酸菌：将酒液装入洁净的广口瓶中（瓶口用纱布包扎），接种少量醋酸菌液，或直接倒入约1/5量的活体原醋作为菌种来源。【重要】

（3）醋酸发酵（有氧）：将瓶置于30-35℃环境中，进行有氧发酵。最关键的操作是保持充足的氧气。可以用摇床振荡培养，也可以每天用洁净玻璃棒搅拌3-4次，或者用小型气泵向液内缓慢充入无菌空气。【非常重要/难点】

（4）监测与判断：定期用pH试纸或酸度计监测酸度变化。品尝其酸味和风味，当酸度达到理想水平，酒味变淡，具有浓郁的醋香时，即为发酵终点。通常需要数周时间。

（三）阶段三：成果验收与品鉴交流（第5周）

1.产品收获与处理：

（1）泡菜：当乳酸发酵完成（尝之酸脆可口，无生味），亚硝酸盐含量降至安全范围后，即可食用。可将其冷藏保存，减缓继续酸化。

（2）果酒：主发酵结束后，用虹吸法或过滤法取出上层澄清酒液，除去底部沉淀（酒泥）。将酒液装入洁净的玻璃瓶中，低温、避光陈酿，风味会变得更醇和。

（3）果醋：过滤除去醋液中可能产生的菌膜（醋蛾），得到澄清果醋，可加热杀菌后密封保存。

2.项目成果展示会：

（1）产品展示与品鉴：【热点】各组布置展台，展示本组制作的发酵产品（泡菜、果酒、果醋等），并准备洁净的品尝工具。邀请老师、其他小组同学作为评委，从外观（色泽、澄清度）、香气（是否有异味或愉悦的复合香气）、口感（酸、甜、咸、鲜、脆等维度）进行品鉴和评分。

（2）项目研究报告汇报：【非常重要】每组进行10分钟的PPT汇报，内容应包括：

A.项目背景与科学原理。

B.实验设计（特别是变量设计）与操作流程。

C.过程记录与数据分析：展示发酵过程中的温度曲线、pH变化、气泡产生速率变化、亚硝酸盐变化曲线（如有）等数据图表，并对关键现象（如泡菜“生花”原因、酒精度停止升高的原因）进行科学解释。【难点/高频考点】

D.遇到的问题与解决方案：分享在项目中遇到的真实困难（如污染、发酵启动慢、风味不佳等）以及如何通过查阅资料、小组讨论、请教老师等方式解决问题的过程。这是最宝贵的工程实践体验。

E.项目反思与优化设想：基于本次实践的经验教训，提出对工艺流程或产品品质的进一步优化方案。

五、项目学习评价体系

（一）过程性评价（占比60%）【重要】

1.团队协作与参与度（15%）：由组长和组员互评，考察出勤、任务完成度、合作精神、讨论贡献。

2.过程记录与数据管理（20%）：检查《项目过程记录本》，要求记录真实、详细、规范，包含必要的照片、图表和数据。【基础】

3.方案设计与论证表现（15%）：评价方案的科学性、可行性和创新性，以及在论证会上的表现。

4.实验室规范与安全意识（10%）：评价在整个操作过程中是否严格遵守卫生消毒规范和安全注意事项。

（二）终结性评价（占比40%）

1.产品品质（15%）：根据产品的外观、香气、口感、安全性（有无霉变、异味）进行综合评定。【热点】

2.项目研究报告（15%）：评价报告的科学性、逻辑性、数据分析深度和结论的合理性。【非常重要】

3.成果展示与答辩表现（10%）：评价汇报的清晰度、专业性，以及回答提问的准确性和应变能力。

六、拓展与反思

（一）从传统到现代：发酵工程的进阶

1.菌种选育：【高频考点】传统发酵依赖野生菌种，产品不稳定。现代发酵工程利用诱变育种、基因工程、细胞融合等技术，选育出性能优良的单一菌种，如高产酒精的酵母、耐高酸高盐的乳酸菌、产