高二生物大單元整體學程選擇性必修三發(fā)酵工程

高二生物大單元整體學習學程第十六單元發(fā)酵工程高效科研小組：學科主任：包科領導：年級主任：班級：__________小組：__________姓名：__________2023年8月第十六單元發(fā)酵工程——利用微生物培養(yǎng)技術規(guī)模化生產發(fā)酵產品一、單元概述人類利用發(fā)酵技術的歷史悠久。進入近代社會，傳統(tǒng)發(fā)酵技術發(fā)展為現代發(fā)酵工程，并在現代社會生活中發(fā)揮著不可或缺的作用。本單元包括傳統(tǒng)發(fā)酵技術的應用、微生物的培養(yǎng)技術及應用和發(fā)酵工程及其應用三部分內容，循著由傳統(tǒng)到現代，由日常生活經驗到科學、技術、工程應用的線索來展開，逐步深入。通過本單元學習，關注傳統(tǒng)發(fā)酵技術中蘊含的中國傳統(tǒng)文化以及發(fā)酵工程如何為美好生活添彩；通過親手制作傳統(tǒng)發(fā)酵食品、模擬酵母菌的純培養(yǎng)過程等實踐活動，感悟手工經驗方法與工程技術方法的不同；并能應用發(fā)酵原理和發(fā)酵技術解決實踐中的問題，關注生物技術應用可能帶來的安全性和倫理問題。二、單元要素（一）單元內容標準概念3發(fā)酵工程利用微生物的特定功能規(guī)?；a對人類有用的產品3.1獲得純凈的微生物培養(yǎng)物是發(fā)酵工程的基礎3.1.1闡明在發(fā)酵工程中滅菌是獲得純凈的微生物培養(yǎng)物的前提3.1.2闡明無菌技術是在操作過程中，保持無菌物品與無菌區(qū)域不被微生物污染的技術3.1.3舉例說明通過調整培養(yǎng)基的配方可有目的地培養(yǎng)某種微生物3.1.4概述平板劃線法和稀釋涂布平板法是實驗室中進行微生物分離和純化的常用方法3.1.5概述稀釋涂布平板法和顯微鏡計數法是測定微生物數量的常用方法3.2發(fā)酵工程為人類提供多樣的生物產品3.2.1舉例說明日常生活中的某些食品是運用傳統(tǒng)發(fā)酵技術生產的3.2.2闡明發(fā)酵工程利用現代工程技術及微生物的特定功能、工業(yè)化生產人類所需產品3.2.3舉例說明發(fā)酵工程在醫(yī)藥、食品及其他工農業(yè)生產上有重要的應用價值（二）單元學習任務1.相關概念建構——發(fā)酵、傳統(tǒng)發(fā)酵技術、發(fā)酵工程、無菌技術、微生物培養(yǎng)2.相關研究方法——歸納總結傳統(tǒng)發(fā)酵技術與發(fā)酵工程的聯系和區(qū)別，傳統(tǒng)發(fā)酵食品的制作、酵母菌的純培養(yǎng)、特定微生物的分離與計數等實驗操作3.微生物培養(yǎng)技術在發(fā)酵工程中的應用4.知行合一，辨證分析技術與工程的關系，理性分析發(fā)酵工程產業(yè)存在的問題和發(fā)展趨勢（三）單元學習目標1.研讀教材，用自己的話說出對發(fā)酵、傳統(tǒng)發(fā)酵技術、發(fā)酵工程等概念的理解，動手制作一種傳統(tǒng)發(fā)酵食品并撰寫實驗報告，選擇最喜歡的一種發(fā)酵工程產品分析其對人類生活的影響。2.動手模擬酵母菌的純培養(yǎng)過程并總結實驗中的注意事項，用自己的話描述實驗室篩選特定微生物的原理，設計適合的培養(yǎng)基和實驗方法對土壤中的尿素分解菌進行分離和計數。3.建構發(fā)酵工程各環(huán)節(jié)操作規(guī)范，自主設計并優(yōu)化青霉素的工業(yè)化生產方案，結合實例說出發(fā)酵工程的優(yōu)勢和特點。4.從發(fā)酵工程的原理與應用、理論與實踐、技術與工程等多個維度構建單元思維導圖，以發(fā)酵生產燃料乙醇為例，理性分析發(fā)酵工程的利與弊，為生產時規(guī)避風險提出合理化建議。（四）單元學習計劃學習階段主要學習任務學時安排整體感知說出對發(fā)酵、傳統(tǒng)發(fā)酵技術、發(fā)酵工程等概念的理解；動手制作至少一種傳統(tǒng)發(fā)酵食品，撰寫實驗報告；列舉發(fā)酵工程的實例，分析對人類生活產生的影響。2探究建構說出培養(yǎng)基配制、消毒、滅菌的基本原理，動手模擬酵母菌的純培養(yǎng)過程；設計適合的培養(yǎng)基和方法對尿素分解菌進行分離和計數。2應用遷移根據發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)和操作規(guī)范，自主設計青霉素的工業(yè)化生產方案；探究發(fā)酵工程在食品工業(yè)、農牧業(yè)等領域的應用價值，對比傳統(tǒng)技術生產的產品，說出發(fā)酵工程產品的優(yōu)點。1重構拓展通過重構本單元知識體系，根據所學理性分析發(fā)酵工程可能存在的安全性和倫理性問題，提升應用微生物培養(yǎng)技術和原理解決生產生活中實際問題的能力。2（五）單元學習資源學習階段資源類別（課件微課素材資源包、習題、教案）資源分層（ABCT)整體感知學習活動1：發(fā)酵工程發(fā)展歷程的視頻資源學習活動2：酸奶、泡菜、果酒、果醋、腐乳制作的視頻資源；學習活動3：發(fā)酵工程在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)上的應用視頻資源TTT探究建構學習活動4：培養(yǎng)基配制、倒平板、平板劃線過程的視頻資源學習活動5：稀釋涂布平板法操作過程、土壤中分解尿素的細菌的分離與計數視頻資源、分離土壤中纖維素分解菌的視頻資源TT應用遷移學習活動6：發(fā)酵工程的基本流程視頻資源學習活動7：微生物農藥、微生物肥料、微生物飼料介紹的視頻資源TT重構拓展單元拓展：發(fā)酵工程在能源開發(fā)利用方面的應用拓展資料T（六）單元學習目標追求三、單元內容（一）整體感知發(fā)酵工程——初步感知傳統(tǒng)發(fā)酵技術和發(fā)酵工程發(fā)酵工程發(fā)展歷程早在9000年前，我們的祖先就會利用微生物將谷物、水果等發(fā)酵為含酒精的飲料。后來，人們又利用傳統(tǒng)發(fā)酵技術制作了醬油、醋、豆豉、腐乳、酸奶、泡菜等產品，促進了中華民族特有的飲食文化的形成。隨著生物科技和工業(yè)技術的發(fā)展，利用微生物生產的酒精、淀粉酶等新產品不斷出現，現代發(fā)酵工程的興起實現了發(fā)酵產品的規(guī)?；⒐I(yè)化生產。20世紀70年代后，基因工程、細胞工程的發(fā)展，使發(fā)酵工程進入了定向育種的新階段……而未來，發(fā)酵工程仍將繼續(xù)發(fā)展。那么，什么是發(fā)酵？果酒、泡菜等傳統(tǒng)發(fā)酵食品是如何制作的？發(fā)酵工程用到的技術與傳統(tǒng)發(fā)酵技術有什么不同？發(fā)酵工程在社會和經濟中有哪些應用？【學習目標】1.研讀文本，用自己的話描述對發(fā)酵、傳統(tǒng)發(fā)酵技術、發(fā)酵工程等概念的理解，說出后兩者的區(qū)別與聯系。2.借助文本和視頻資源，動手制作至少一種傳統(tǒng)發(fā)酵食品，撰寫實驗報告。3.列舉身邊常見的發(fā)酵工程產品，選擇最喜歡的一種產品分析其對人類生活產生的影響。學習活動1：感知傳統(tǒng)發(fā)酵技術與發(fā)酵工程醬油、醋、腐乳、酸奶、酒等的制作可以通過傳統(tǒng)發(fā)酵技術或發(fā)酵工程來生產，什么是發(fā)酵？傳統(tǒng)發(fā)酵技術與發(fā)酵工程有什么聯系和區(qū)別？學習活動2：自主實踐，感知傳統(tǒng)發(fā)酵食品制作流程有些同學可能在家中看到過家長制作泡菜、果酒、腐乳、酸奶等的過程，這些發(fā)酵產品非常美味。它們的制作隱含著哪些奧秘，讓我們親自體驗去尋找吧。請借助教材和271BAY資源，并自主搜集材料，自選至少一種發(fā)酵產品進行制作并撰寫實驗報告。課題名稱材料原理實驗裝置及步驟實驗注意事項學習活動3：分享發(fā)酵工程的應用實例為了縮短發(fā)酵時間，確保品質穩(wěn)定，人們利用發(fā)酵工程進行工業(yè)大規(guī)模生產。請列舉發(fā)酵工程生產的產品有哪些？發(fā)酵工程對人類生活產生了哪些影響？（二）探究建構發(fā)酵工程——探究微生物純培養(yǎng)技術的原理果酒的自制與工業(yè)化生產“莫笑農家臘酒渾，豐年留客足雞豚”，由于制作工藝并不復雜，果酒自古以來就是農家日常飲用的酒品。自制果酒雖然方便，但由于菌種差異、雜菌情況不明以及發(fā)酵過程的控制缺乏標準等，自制果酒往往存在品質不一甚至變酸、霉變等問題，而且家庭釀的制發(fā)酵食品往往只能滿足自身的需求。相比自制果酒，工廠生產果酒時，菌群純凈、生產過程嚴格，從而保證了果酒的品質和安全性，并且實現了果酒在短時間內的規(guī)?；a。那么發(fā)酵工程中如何從多種微生物中分離獲得目的菌株？如何獲得純凈的菌群？微生物培養(yǎng)過程中又是如何防止雜菌污染的呢？【學習目標】1.用自己的話說出培養(yǎng)基配制、消毒和滅菌的方法，動手模擬酵母菌的純培養(yǎng)過程，歸納實驗中至少3條注意事項。2.選擇合適的培養(yǎng)基配方和實驗方法，初步篩選并統(tǒng)計土壤中的尿素分解菌，說出不同計數方法的原理和區(qū)別。3.自主分析剛果紅在分離纖維素分解菌實驗中的作用，依據該原理，為進一步鑒定高活性的尿素分解菌提出實驗思路。學習活動4：動手模擬酵母菌的純培養(yǎng)從果酒的生產可以看出，防止雜菌污染，獲得純凈的微生物培養(yǎng)物是研究和應用微生物的前提，也是發(fā)酵工程的重要基礎。下面我們通過實驗室酵母菌的純培養(yǎng)來探究其中的原理。1.酵母菌純培養(yǎng)的培養(yǎng)基中應該含有哪些成分？為什么要加入這些成分？配置培養(yǎng)基時除了基本成分，還應考慮哪些原則？2.請寫出實驗室進行酵母菌純培養(yǎng)的實驗步驟。在酵母菌純培養(yǎng)的整個過程中是如何防止雜菌污染的？3.小組合作動手模擬倒平板和平板劃線的操作，總結平板劃線的注意事項并分析原因。學習活動5：探究土壤中尿素分解菌的分離和計數尿素是現代農業(yè)生產中一種重要的氮肥，土壤中的某些細菌能夠通過合成脲酶分解尿素進而供植物吸收利用。土壤中微生物數量繁多、種類龐雜，如何將能分解尿素的細菌從土壤中分離出來呢？1.依據實驗室篩選特定微生物的原理和尿素分解菌的代謝特點，設計選擇培養(yǎng)基的配方，分析該培養(yǎng)基與普通培養(yǎng)基有哪些異同點。2.土壤中細菌的數量龐大，要想得到尿素分解菌的純培養(yǎng)物應該如何操作？3.可以用什么方法測定每克土壤中尿素分解菌的數目？這兩種方法的統(tǒng)計結果有什么區(qū)別？用稀釋涂布平板法計數時如何保證結果更加準確？4.在該選擇培養(yǎng)基上生長的菌落一定是尿素分解菌嗎？如何對目的菌及其活性進行鑒定？（提示：①如何證明培養(yǎng)基未被雜菌污染？②如何證明選擇培養(yǎng)基起到了篩選作用？③自養(yǎng)細菌通過固定CO2獲得碳源）（三）應用遷移發(fā)酵工程——探究發(fā)酵工程基本環(huán)節(jié)及其應用發(fā)酵工程的應用青霉素是世界上第一個應用于臨床的抗生素。早期科學家只能從青霉菌中提取少量青霉素，隨著高產菌種的選育、發(fā)酵技術的發(fā)展等，青霉素步入了產業(yè)化生產的道路。除了醫(yī)藥工業(yè)，發(fā)酵工程在食品工業(yè)和農牧業(yè)等許多領域也得到了廣泛應用，形成了規(guī)模龐大的發(fā)酵工業(yè)。發(fā)酵工程的基本環(huán)節(jié)是什么？應用發(fā)酵工程能夠生產哪些產品？發(fā)酵工程有什么優(yōu)點？【學習目標】1.用自己的話說出發(fā)酵工程的基本流程，分析影響發(fā)酵生產的因素，建構發(fā)酵工程各環(huán)節(jié)中的操作規(guī)范。2.自主設計青霉素的工業(yè)化生產方案，結合所學并發(fā)揮想象力，為青霉素生產過程中如何實現持續(xù)供氧、減少副產物產生等問題提出解決思路。3.對比傳統(tǒng)技術生產的產品，結合啤酒、農藥、肥料等實例，總結發(fā)酵工程至少3條優(yōu)點。學習活動6：探究發(fā)酵工程的基本流程隨著人們對發(fā)酵原理的認識，微生物純培養(yǎng)技術的建立以及密閉式發(fā)酵罐的設計成功，人們能夠在嚴格控制的環(huán)境條件下大規(guī)模生產發(fā)酵產品，發(fā)酵工程逐步形成?，F代發(fā)酵工程以研究微生物的生命活動為核心，利用各種微生物的特性來設計和指導工業(yè)發(fā)酵生產。發(fā)酵工程產品門類眾多，生產工藝各有不同。1.一般來說，發(fā)酵工程包括哪些基本環(huán)節(jié)？各環(huán)節(jié)中哪些因素會對產品質量產生影響？2.在工業(yè)上，青霉素究竟是怎樣生產的呢？請自主設計青霉素的工業(yè)化生產方案。3.在青霉素的發(fā)酵生產過程中，人們遇到了兩個問題。請你運用所學知識或查閱資料并發(fā)揮想象力，提出解決這些問題的思路。①青霉素發(fā)酵是高耗氧過程，如何能夠保證在發(fā)酵過程中給微生物持續(xù)高效地供氧呢？（提示：血紅蛋白具有攜帶O2的能力）②在發(fā)酵過程中，總有頭孢霉素產生。人們通過對青霉素生產菌代謝途徑的研究發(fā)現，在青霉素與頭孢霉素的合成過程中，它們有一個共同的前體，這個前體經過兩種不同酶的作用，分別合成兩個產物，如何改造青霉素生產菌使其只生產青霉素或者只生產頭孢霉素呢？學習活動7：探究發(fā)酵工程的應用資料1發(fā)酵工程在食品工業(yè)上應用廣泛，一是生產傳統(tǒng)的發(fā)酵產品，二是生產各種各樣的食品添加劑。發(fā)酵工程生產的啤酒、果酒、食醋等，能夠顯著提高了產品的產量和質量。資料2微生物農藥是利用微生物或其代謝物來防治病蟲害的農藥。細菌農藥、真菌農藥和病毒農藥是三種重要的活體微生物農藥。某些微生物的代謝產物可以用作促進植株生長的肥料。微生物飼料包括青貯飼料、單細胞蛋白飼料、飼料酶制劑等。目前，微生物飼料在我國已得到了廣泛應用。資料3傳統(tǒng)冶金企業(yè)為保證產量造成了嚴重的資源浪費和環(huán)境污染。將發(fā)酵工程引入工業(yè)領域可改良生產工藝，如微生物濕法治金技術，就是利用微生物產生的代謝產物將礦石中的金屬溶解并還原出來。資料4發(fā)酵工程在對環(huán)境的生物修復、廢棄物處置和資源化等方面發(fā)揮著重要作用。例如利用微生物處理垃圾中的固體廢物生產土壤改良劑；中國科學家運用嗜鹽單胞菌H，以糖蜜（甘蔗榨糖后的廢棄液，含較多蔗糖）為原料發(fā)酵生產了PHA等新型高附加值可降解材料。如今，隨著現代生物技術的發(fā)展與基因工程技術相結合的現代發(fā)酵工程技術飛速發(fā)展，相信在不久的將來，發(fā)酵工程技術將為人類提供更多的產品。1.分析啤酒的工業(yè)化生產流程思考：與傳統(tǒng)的手工發(fā)酵相比，哪些工程手段使啤酒的產量和質量明顯提高？2.三種活體微生物農藥在配制培養(yǎng)基時有什么區(qū)別？請運用所學知識推測微生物農藥和飼料與傳統(tǒng)產品相比有哪些優(yōu)點？3.結合資料3、資料4以及課本材料，舉例說出發(fā)酵工程還有哪些優(yōu)點？（四）重構拓展發(fā)酵工程——構建發(fā)酵工程單元體系利用植物纖維生產燃料乙醇能源是人類生存和發(fā)展的重要物質基礎。煤、石油和天然氣等不可再生的化石能源在滿足人類需求的同時，也帶來了很多污染問題。開發(fā)利用可再生清潔能源已成為不少國家能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。發(fā)酵工程在燃料乙醇等新能源開發(fā)方面有重要的應用價值。通過微生物發(fā)酵，可以將糧食(如玉米、小麥等)及各種植物纖維加工成燃料乙醇；將燃料乙醇和普通汽油按一定比例混配，就形成了目前在我國多地廣泛使用的乙醇汽油。乙醇汽油的環(huán)保性令人稱道?！緦W習目標】1.從發(fā)酵工程的原理、操作規(guī)范、應用等方面復盤本單元，構建單元思維導圖。2.查閱資料了解燃料乙醇的生產途徑，分析乙醇作為燃料的利與弊，為生產時規(guī)避風險提出合