解决真实问题，发展核心素养

施庆涛

摘要 针对新疆在发展中遇到的寻找草原替代物以发展畜牧业的问题，由内高班学生与本地学生组成小组，通过查阅文献、访谈调查说明棉花秸秆饲料化的意义、限制因素，结合发酵工程、生态工程相关知识以及相关资料尝试解决棉秆饲料化利用难题，并介绍新疆实践应用情况。本设计在解决实际问题的过程中，既能提升学生的科学思维、科学探究能力，又能促进内高生更加关心家乡发展，增强本地生对新疆的了解，发展社会责任素养。

关键词 秸秆 饲料 微生物 复习课

中图分类号G633. 91

文献标志码 B

潞河中学是全国首批承办内地新疆高中班（以下简称内高班）的学校，内高班学生愿意尝试用所学知识解决家乡人民现实中的问题。近年，作为全国第二大牧区的新疆维吾尔自治区（以下简称新疆）一直在贯彻落实“新发展理念”，走“两个可持续”发展之路，因此，天然草原的生态功能得到强化，而畜牧业生产功能则被弱化。寻找草原替代物成为了发展新疆畜牧业的一项重要任务，而农作物的秸秆就是最好的替代物。加大开发利用秸秆资源，对减少环境污染、发展农业循环经济、增加农民收入有重大意义。

潞河中学每个生物教学班内约10名内高班学生（以下简称内高生）。以新疆棉花秸秆（以下简称棉秆）饲料化作为高三复习课的单元教学背景，由内高生与本地学生组成小组，运用发酵工程、生态工程相关知识尝试解决这一现实问题，既能落实新课程标准培养学生“认识到生物学在坚持人与自然和谐共处……等方面的重要贡献……善于从实践的层面探讨或尝试解决现实生活问题;具有开展生物学实践活动的意愿和社会责任感”的课程目标，又能发展学生的学科核心素养。

1 对教学内容的分析

解决现实社会中存在的实际问题，不仅需要学生具备科学思维、技术思维，更需要具备工程学思维。面对秸秆饲料化利用这一现实问题，教师引导学生从以下几个问题角度思考：是否应当进行农作物秸秆的饲料化利用（新疆农作物秸秆利用现状如何、哪种秸秆具有饲料化利用的潜力、饲料化利用与现有利用方式的利弊）？限制饲料化利用的因素是什么？如何进行饲料化利用？饲料化利用是否有成功的案例？除了饲料化利用还有没有其他有益的利用途径？在这些问题中，与科学思维高度相关的，应该是“如何进行饲料化利用”。

2 教学活动的组织

内高生与本地学生组成4个小组，领取不同的问题（如何进行饲料化利用这个问题留待课上解决）。内高生通过访谈、调查问卷等方式，了解自己家乡的情况;本地学生主要负责文献资料查阅，在对上述问题进行回答的过程中寻找、设计解决方案。

2.1 新疆农作物秸秆饲料化利用的现状和意义

2.1.1 新疆农作物秸秆利用现状

第一组调查发现：新疆有556.8万ha耕地播种面积，秸秆资源量巨大。新疆2015年秸秆总量近3 000万t，棉秆占到了秸秆产量的1/3左右。据第一次全国农业污染源普查结果（2010年），新疆农作物秸秆饲料化利用占总量53.04%，但主要是玉米和小麦的秸秆，棉秆的饲料化利用尚未大规模推广。学生还调查到，农民中选择将棉秆“直接粉碎还田”的占绝大多数（大于70%），少数选择“焚烧”或“废弃”，二者总比例达到近90%。可见，新疆棉秆利用潜力巨大。

2.1.2棉秆饲料化利用的意义

秸秆还田可以增加土壤通透性，提高土壤肥力，节省空间。但是也有部分学者认为秸秆还田后为病原菌的生长与繁殖提供了有利的环境，使病原菌初始菌源量增加，病害加重。

学生经调查、访谈得出种植棉花的投入与产出（表1）。可见，棉秆直接还田在一定程度上影响了农民的收入。

棉秆饲料化利用，既可以过腹还田，仍然可以提高土壤肥力，且能减轻病虫害;又可以缓解饲料短缺的问题，从而带来更好的生态效益和经济效益，实现可持续发展。

2.2 棉秆饲料化利用的限制因素

第二组经文献查阅、访谈调查，发现：与玉米、水稻、小麦秸秆相比，棉秆饲料化利用的制约因素主要是棉秆中的游离棉酚对动物具有一定的毒性，会导致动物生长受阻、繁殖力下降，甚至导致死亡;而且棉秆中的纤维素含量很高，木质化程度高，适口性差，消化率低。

学生还发现，绝大多数农户希望对棉秆进行利用，并希望通过对棉秆的利用降低自身农业生产的成本，但并未在实际中对棉秆加以较深程度的资源化利用。主要原因是农户并不具备更高阶段的棉秆资源化利用所必备的科学技术支撑。此外，农户的社会观念，如环保教育、政策导向也在一定程度上限制了棉秆的饲料化利用。

2.3 棉秆饲料化利用的方法

学生认识到，棉秆的饲料化利用，除了受农户的观念、当地政策等因素影响外，还需要解决技术问题。于是，课堂教学就聚焦于如何解决棉秆饲料化利用過程中的技术问题。

2.3.1 菌种的获取、分离、鉴定

学生在高二时，对纤维素分解菌的分离和鉴定有一定的了解，首先想到了如何降低纤维素的含量。在教师引导下，学生以纤维素分解菌菌种的获取、分离、选择及鉴别培养，复习发酵工程相关知识：培养基的配制、灭菌方法的选择、接种方法的选择、对照平板的设置的目的及处理方法（阴性对照、阳性对照、平行重复等）、培养条件的控制、杂菌的筛选、分解能力强的目的菌株的筛选（教师提供资料）。通过这些内容的学习、讨论，学生的科学思维、科学探究能力得到进一步提升。

学生通过以上步骤，得到了相应的菌株，认为大功告成了。此时，教师提供不同细菌的生长状况资料。学生分析资料，体会到透明圈与菌落直径的比值并不是菌株筛选的唯一依据，从而培养批判性思维。学生继续思考其他的依据，如酶活的高低，并借鉴“亚硝酸盐含量测定”的方法来测定酶活，练习知识迁移、应用能力。

以上为第一课时的内容。课后，教师引导学生借鉴第一课时的思路，以小组为单位，通过查阅文献，设计方案，降低棉秆中的棉酚含量。

在第二课时中，学生经讨论认为，相较于物理、化学方法，生物发酵法更适合用于降低棉酚含量。加之，教师建议学生借鉴第一课时的思路，所以所有的小组方案均是获取棉酚分解菌。课上，各组介绍本组实验方案，并讨论实验方案的优缺点。

2.3.2 确定合适的菌种混合比例

得到棉酚分解菌、纤维素分解菌后，学生经讨论，认为应当将不同的菌种混合使用，以取得更好的棉秆发酵效果。教师出示科研人员将不同菌种按照不同比例混合，进行棉秆发酵实验的结果。学生依据样品中游离棉酚的含量粗纤维含量等指标挑选出合适的菌种混合比例。

2.4 实践检验

第三组学生介绍科研人员的小规模实验结果以及新疆大规模实践案例。

2.4.1 小規模实验

科研人员分析产朊假丝酵母复合制剂在棉秆发酵应用中的检测结果，发现棉秸秆发酵饲料感官评分、游离棉酚、粗纤维含量均显著下降，粗蛋白质含量均显著提升。

科研人员以棉秆微生物发酵饲料对同群荷斯坦育成牛进行的饲喂试验，发现：试验组牛增重快、毛色光亮，未发现不良反应;适口性好，采食量大，饲喂效果好，经济效益明显（试验组牛头日增重0.88 kg，比对照组牛头日增重的0.58 kg多增重0.3 kg，2个月累计每头牛多增18 kg，可多收入500元左右）。

2.4.2 大规模实践

学生查阅资料，得知：某公司以加工棉秆的形式缓解饲料周期性短缺的现状，激发了农户养殖积极性，提高了农户家庭经济状况;某公司通过微生物发酵技术、棉秆脱毒技术，将棉花、辣椒及番茄等农作物的副产品加工成商品草和精饲料等，并销售给养殖户，在一定程度上通过本地传统农作物废弃物的再利用缓解了地区养殖业发展中饲草料不足的现状。

2.5 棉秆的其他利用途径

第四组介绍新疆进行棉秆基料化、能源化、原料化的现状及存在的一些问题。学生认识到现实问题的复杂性，尝试从不同角度思考问题。

最后，教师设置问题：部分农村地区牛羊饲养量少，而鸡饲养量大，棉秆饲料化是否可用于养鸡？如何利用？教师以此开放性问题开拓学生思维，培养学生创新精神，并为后续的基因工程复习课埋下伏笔。

3 总结与反思

本单元的教学利用科研人员的科研资料以及学生的调查资料，设计“以解决问题为中心”的教学过程，设置一个真实的情境——新疆棉秆饲料化利用不足，而新疆的饲料又面临短缺，激发学生的学习热情和求知欲;引导学生从情境中发现一个真实的生物学问题——棉秆饲料化利用的制约因素。围绕这一问题，结合教师及同学提供的资料，学生调动已有知识、方法，最终形成解决问题的方法。学生通过实践应用成果，认识到生物学知识在生产实践中的作用;与同学一起探讨棉秆利用的其他途径，以提供解决问题的可能的、更好的思路和方法。本单元教学的情境设置贴近学生的现实生活，尤其是在学校有内高生的情况下，能够激发学生的学习热情。同时，学生通过本单元的学习，能够学会因地制宜解决问题，能够认识到保护环境与经济发展的关系，思考农业循环经济（农业废弃物资源化）与经济可持续发展的关系，思考如何运用生物学和经济学规律来指导生产活动，从而树立可持续发展的意识，提升社会责任素养。

通过本单元的学习，学生既能够巩固知识，又能将所学知识用于解决现实生活中的问题。此过程提升了学生的科学思维、科学探究能力，促进内高生更加关心家乡发展，增强本地生对新疆的了解，发展了社会责任素养。

参考文献：

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：6.

[2]杨建中，吴红岩，谢立荣.新疆农作物秸秆资源利用概况及畜牧业加工利用初步研究[J].新疆畜牧业，2016，（12）：16-17.

[3]依马木玉，丁健.新疆棉秆的饲用模式[J].农业工程，2014，4（5）：50-51.

[4] 田童.新疆棉秆资源化的潜力研究[D].乌鲁木齐：新疆农业大学，2016.

[5]侯敏等.产朊假丝酵母CU-3在棉秸秆饲料发酵中的应用研究[J].中国畜牧兽医，2020，47（10）：3 166-3 175.

[6]李兴莲，许世新，李红军，邱志江.棉秆新饲料饲喂育肥牛试验初报[J].新疆畜牧业，2015，（增刊）：21-22.