【教学案例】提升酿制葡萄酒的品质

1 跨学科项目主题确定

发酵食品制作类活动是当前高中生物学教学的重要内容，也涉及《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订）》多个重要概念，主要包括传统发酵技术和发酵工程的原理，产品 南宫体育，应用等科学概念，也包括无菌技术，稀释涂平板法，配置培养基等技术，其内容本身非常关注学生的实验设计和实践动手能力，且与工程设计联系非常紧密，是开发工程设计跨学科项目化学习的重要素材。

“提升酿制葡萄酒的品质”跨学科项目化学习以真实问题为载体，学生通过科学实践和查阅文献 南宫体育，在理解发酵工程及相关技术的基本原理基础上，尝试提出工程学构想，进行设计和制作，发酵食品的改良需要运用多学科的知识和方法，从发酵的条件控制，装置的改进，葡萄品种的选择等方面不断尝试，学生在项目化学习小组ng体育官网入口地址中解决问题，学会对成果进行表达与讨论，提高问题解决能力，同时基于证据运用生物学基本概念和原理，对葡萄酒制作的安全性表明自己的观点并进行实践研究。

2 跨学科项目化学习目标描述

通过葡萄酒制作的科学探究实践活动，体验发酵工程在食品生产中的应用，掌握无菌技术，稀释涂平板法，配置培养基等技术，运用发酵原理和相关技术解决生活中真实的问题，通过运用多学科的知识和方法，从发酵的条件控制，装置的改进，葡萄品种的选择等方面不断探究并进行改进，提升学生做出假设，控制变量，对照实验，分析数据，得出结论等科学探索和科学思维能力 南宫体育，利用传统发酵技术和发酵工程进行酿制葡萄酒的品质的提升，在此过程中进行工程设计改进发酵装置，形成科学，技术，数学和工程等跨学科能力（表1)。

3 基于工程设计的跨学科项目化学习活动的实施路径

跨学科项目化学习是为了解决一个真实而复杂的问题，学生学习并创造性地整合不同学科的核心知识和能力，以形成整合性的项目成果和新理解，工程是一种系统的，多次迭代的方法，用来设计产品，过程和系统，以满足人类的需要和欲望，在跨学科项目化学习活动的思路框架设计中，将工程设计的内涵要点作为核心环节来安排学生的学习活动，可以分为五个环节：问题情境，厘定主题，分析问题，设计方案，解决问题，优化迭代 南宫体育，完成作品，走向社会，学习反思，多元评价。

3.1 问题情境，厘定主题

整合乡土资源，构建真实问题情境，教师带领项目化小组的学生进行实践活动：参观徐州本地吕梁风景区的某酿酒工厂，感受真实的酿酒过程，学生和酿酒工厂的技术人员交流后发现酿酒工厂用的是专用的酿酒葡萄赤霞珠，而葡萄的含糖量与葡萄品种，气候，水土都有关系，吕梁风景区气候适宜，水土无污染，非常适合葡萄酒的酿造，在参观中，学生还发现工厂用冷媒对发酵过程进行自动控温以保证葡萄酒的品质 南宫体育，而且在酿制的最后会有双联过滤除菌的环节，基于此，学生提出自己制作好的果酒能否直接饮用，如何灭菌等真实问题，教师把学生的问题总结成两个驱动性问题：家庭酿的葡萄酒安全吗，家庭酿的葡萄酒可口吗，由此确定“提高酿制葡萄酒的品质”为总项目主题。

在发展科技、生产的同时，保护人类赖以生存的环境已成为当今的社会可持续发展的重大课题，在教学中应践行STSE（科学、技术、社会、环境）教育。教师介绍选择吕梁风景区的葡萄进行实验的原因是当地没有水土污染，葡萄品质比较好，在此过程中激发学生保护环境的意识，让学生走出南宫体育下载链接、走进社会、走进大自然，带领学生去探究、发现自己生活世界的“全体”和“真相”，对乡土资源进行归类、开发、利用与保护，培育学生家国情怀，理解乡土、热爱乡土，建设家乡。

3.2 分析问题，设计方案

跨学科项目化学习可以帮助学生提高信息获取能力，审辨性思维，问题解决能力，跨学科理解能力等，而这些恰恰是跨学科素养的核心要素，为了解决两个驱动性问题，学生查阅文献后发现，葡萄酒品质检测指标有酒精度，酸度，单宁，大肠杆菌，甲醇等，学生进行逻辑推理后发现：酿酒中大肠杆菌污染会带来安全隐患，拧松放气也有可能有杂菌进入，可以通过采取减少杂菌污染，除菌，酿酒装置改进的措施来解决此问题，保存时间会影响甲醇的含量，而甲醇超标会带来很大的危害 南宫体育，甚至危及生命，糖度影响酒精度的值，酸度，单宁和葡萄品种有关，采用不同品种的葡萄进行酿酒也影响发酵液的pH，学生依据科学实践和文献查阅，结合检测指标对驱动性问题进行分析，确定项目化学习研究的方向。

跨学科项目化学习活动的设计要遵循学生知识技能习得的逻辑，将总项目分解为子项目，帮助学生在有层次地解决问题的过程中形成对大概念的理解 南宫体育，生成对学科知识的深层理解并发展跨学科素养，师生结合发酵工程的流程确定7个子项目的内容（图1),在此过程中培养学生的系统思维。

3.3 解决问题，优化迭代

7个子项目的探究过程如下。

子项目1：酿酒葡萄品种的选择

首先明确子项目1研究的问题：专用的酿酒葡萄和餐食葡萄在酿酒的品质和安全上有何差异，第1项目小组的学生通过查阅文献和酿酒庄园的实地走访，对专用酿酒葡萄与餐食葡萄进行对比，选择了夏黑葡萄，巨峰葡萄，玫瑰香葡萄和赤霞珠葡萄作为实验材料，学生再次通过查阅文献后选择pH，糖度和酒精度作为检测指标，分别用pH计，糖度计和酒精计对其进行测定，学生分小组进行ng体育官网入口地址检测 南宫体育，在每天的固定时间进行检测，设计表格对实验结果进行记录，并把结果用折线图形式呈现。

学生接着对不同品种的葡萄酿酒的安全性进行检测，用大肠杆菌试纸检测后，以巨峰葡萄做原料的葡萄酒出现红色，说明样液中含有大肠杆菌 南宫体育，其他葡萄作为原料的葡萄酒没有出现红色，说明样液中不含有大肠杆菌，为了进一步验证结果，学生又用稀释涂布平板法进行检测，实验结果发现以巨峰葡萄做原料的葡萄酒在原液，稀释10倍，稀释100倍的培养基中均出现了大肠杆菌菌落，以其他品种葡萄做原料的葡萄酒均未出现大肠杆菌菌落。

子项目2：发酵中pH的探究

第1项目小组的学生设计四组pH分别为2.5、3.0、3.5、4.0的等梯度pH实验，并对发酵过程中糖度和酒精度变化情况进行检测。

子项目3：发酵中温度的探究

第2项目小组的学生对发酵温度进行了探究。他们设计了日平均28℃、日平均32℃、4℃、25℃、40℃等温度进行探究，结果发现日平均温度为32℃时糖度降低的速度较快，日平均温度为32℃时酒精度上升的速度较快，日平均温度为32℃时pH偏低，抑制杂菌生长，有利于酵母菌成为优势菌种。

子项目4：发酵装置的创新

为了更好地控制发酵温度，学生借鉴酿酒厂加入循环冷却水进行冷却降温的原理，设计双层控温葡萄酒酿制和检测的装置（图2)。

此装置设计了自动排气装置接口、搅拌器接口、温度传感器接口、pH传感器接口、取样口、冷却水进口和出口，并且巧妙设计了双层玻璃，通过通入冷却水进行控温。有学生提出疑问：这样会不会造成水资源的浪费？学生查阅资料，利用物理、信息技术知识设计出电磁阀套装来自动控制水龙头的开关，以达到节约用水的目的。

子项目5：过滤除菌

第3项目小组的学生对酿好的葡萄酒进行检测发现有大肠杆菌污染，对于葡萄酒这样不能高压蒸汽灭菌的液体，采用滤膜过滤除菌。滤膜的孔径是0.1μm，细菌的直径一般是0.5—5μm，酵母菌的直径约是2—6μm，过滤后，细菌、酵母菌和残渣留在滤膜上，达到除菌并使葡萄酒清澈的目的。过滤除菌的葡萄酒经过检测后未出现红色，说明样液中大肠杆菌不超标。

子项目6：葡萄酒蒸馏

第3项目小组的学生对葡萄酒形成白兰地的过程比较感兴趣，设计了葡萄酒蒸馏实验。

子项目7：储存时间

第3项目小组的学生查阅文献发现，储存时间长短影响甲醇含量。他们用比色法对保存一个月、两个月、两年的家庭酿酒进行了检测。

探究过程中，运用工程学、数学和材料学等创新设计酿酒装置，突破学科壁垒，把不同学科知识进行有机融合设计和制造产品，培养了学生的创造性思维能力。从验证实验走向探究实验，围绕葡萄品种、温度、pH、保存时间等变量进行探究性实验，培养了学生的解决问题能力。从定性走向定量，运用传感器、酒精测定计、糖度计等进行数据统计，培养了学生分析科学实验数据的能力，提升了科研数据处理能力。

3.4 完成作品，走向社会

通过走向社会的实践环节，帮助学生将跨学科项目化学习活动中形成的探索和理解迁移到真实世界中。

子项目1结果显示，赤霞珠葡萄发酵液的pH较低，糖度转化率较高，转化的酒精度较高，安全性较高。学生由此提出建议：酿酒时选用赤霞珠葡萄。

在子项目2中，学生发现pH为3.0—3.5时，酿酒葡萄的糖度转化率高。基于此，学生对酿制葡萄酒提出建议：酿酒时适当添加柠檬汁。

在子项目3中，学生发现实验结果与书本上的知识不一样，于是又设计一系列的温度梯度(18℃、22℃、26℃、30℃、34℃)继续进行葡萄酒发酵实验，通过pH、酒精度、甲醇等指标测定和葡萄酒感官评价，尝试给出比较适宜的发酵温度建议。发酵液经过酿酒厂的技术人员检测，22℃的酿制葡萄酒的品质最好，口感细腻，酒精度较高，大肠杆菌、甲醇含量均在合格范围内。学生提出建议：酿酒温度控制在20℃—25℃之间。

在子项目4中，学生把饮料瓶子的瓶口和家庭酿酒装置结合起来创新了新的酿酒装置，在家庭酿酒中推广使用，并设计了双层控温葡萄酒酿制和检测的装置，提高了问题解决能力和创新能力。

在子项目7中，学生发现保存时间较长的家庭酿酒中的甲醇含量超过国家标准，保存时间较短的家庭酿酒中甲醇含量未超标，因此提出建议：酿好的葡萄酒尽快饮用，不要长时间储存。

3.5 学习反思，多元评价

跨学科项目化学习的评价既要重视对学生知识理解和应用的评价，又要关注对学生综合运用多学科知识与技能解决实际问题能力的评价。本次研究中为总项目、子项目、学生学习过程、产品设计（表2)、项目成果都设计了评价量表，将项目化学习评价贯穿在整个跨学科主题互动中，实现了课堂教学的“教学评”一体化。