融合STEM理念的柚果酸奶发酵实验教学探究

徐燕芬，黄飘平，胡位荣

（广州大学生命科学学院，广东广州 510006）

酸奶是广受学生喜欢的乳制品，不但包含了纯牛奶所具备的营养素，不同风味的酸奶还能够满足人们不同的口感需求。“发酵工程利用微生物的特定功能规模化生产对人类有用的产品”是普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）生物技术与工程模块中的一个大概念[1]，本文结合人教版选择性必修3第1章第1节“传统发酵技术的应用”，选取酸奶制作为本节课的实验内容。相比教材中葡萄酒酿制和泡菜腌制，酸奶制作具有更省时的特点，便于在有限的实验课时内完成实验教学内容。我国各地的柚类品种（品系）多达200多种，柚果大、清甜爽口，而且果实耐贮藏（2-4个月）[2]。因此，结合柚果取材方便、学生对酸奶特别感兴趣等因素，本实验课开展利用乳酸菌酿制具有柚果芳香的酸奶。

生物学实验课往往是教师唱主角，讲解实验原理并设计好实验方案，学生被动听讲后按照既定的实验方案展开实验，这样既不能很好地激发学生的内在学习动机，也无法将生物学理论知识与解决实际问题联系起来，达不到理想的实验教学效果。STEM教育理念强调科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）等跨学科的有机融合，突出“做中学”，注重思考、动手、实践、过程和体验，已成为国内外基础教育课程改革的主要趋势[3]。在开展柚果酸奶的酿制实验中，融入STEM教育理念，让学生在自己感兴趣的探究方向基础上成立实验小组，围绕实验主题，根据给定的实验条件，设计实验方案，然后经过教师引导、小组再讨论的形式，修订出切实可行的实验方案并实施实验，并评价实验产品、汇报实验结果，让学生在亲自进行实验操作的过程中感受生物科学的魅力。

一、材料与仪器设备

（一）实验材料

原料：蜜柚果肉（图1），市售全脂纯牛奶。

图1 蜜柚果肉

辅料：市售白砂糖。

菌种：市售五菌型乳菌粉（保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌、嗜酸乳杆菌、植物乳杆菌、干酪乳杆菌）。

（二）主要用具与仪器设备

100mL布丁瓶、食品保鲜膜、烧杯、量筒、榨汁机、电子天平、电磁炉、恒温水浴锅、恒温培养箱。

二、融合STEM教育的柚果酸奶发酵实验教学流程

（一）实物演示，导入实验主题

为增加课堂趣味性，激发学生兴趣，教师先展示一个柚果与一盒纯牛奶，询问学生这两种食物各有哪些诱人之处，学生会根据生活经验给出各种各样的答案；接着，教师根据这些答案进一步提问学生，用什么生物技术方法可以把两种食物融为一体，既能满足口感，又不降低两者的营养价值，从而引出本节实验课的主题—— 发酵酿制柚果风味的酸奶。

（二）提出问题串，做出假设

随后，教师提问学生影响柚果酸奶发酵的因素可能有哪些？设计探究柚果酸奶发酵的影响因素试验方案时应遵循哪些实验原则？柚果酸奶发酵的流程是什么？从哪些维度对所酿制的柚果酸奶进行质量评定……

学生结合已有知识储备，可以想到柚果酸奶的发酵可能会受柚果汁添加量、乳酸菌接种量、加糖量的影响。老师做补充，提示学生发酵时间和发酵温度也会影响柚果酸奶的品质。

（三）小组协作，设计实验方案

学生在做出假设的基础上，选择自己感兴趣的探究因素，成立实验探究小组（表1）。经过协调，5个实验小组通过查阅资料，设计实验方案初稿。针对学生在设计过程中容易忽略乳酸菌是厌氧菌的特点，以及在计算实验材料配比时存在疑问，教师应给予及时的提醒和指导。在教师的指导下，各小组再次讨论，对实验方案进行修改、完善，设计出切实可行的实验方案。

表1 各实验小组探究的单因素试验

（四）组内分工合作，体验探究过程

为确保实验得以有序开展，学生小组内成员分工合作，依据拟定的实验方案，按照实验步骤和实验内容开展实验（表2）。教师、实验员巡视学生的实验操作，并适时给予适当指导。各实验小组做好实验现象的观察（图2）和相关记录工作。

图2 发酵中的柚果酸奶

表2 探究实验的步骤和内容

（五）产品展示，结果评定

各实验小组展示实验产品，小组间采用加权评分法对所酿制柚果酸奶的口感、乳清析出状态等感官质量进行综合评定（表3）；各小组对评分加以统计，结果取平均值。

表3 感官评定指标和评分

全班共享实验数据，根据评定结果得出：

1.乳酸菌接种量、柚果汁添加量和加糖量主要影响柚果酸奶的口感：乳酸菌接种量过高，则酸奶口感偏酸，接种量为6%所得评分最高。加糖量过少或柚果汁添加量过高会导致柚果酸奶偏苦，两者添加量分别为8%和19%酿制出来的柚果酸奶有柚果的芳香，且甜度适中。

2.发酵温度和发酵时间则主要影响柚果酸奶的乳清析出和组织状态：发酵温度过低或发酵时间过短，酸奶有较多乳清析出，凝乳效果不好。以40℃持续发酵8h效果最佳，酿制成的红肉蜜柚果肉酸奶呈淡淡的粉红色（图3）。

图3 发酵完成的红肉蜜柚酸奶（淡粉色）

全班同学经过对实验结果进行评定和数据的统计，得到了影响柚果酸奶发酵因素的最佳实验条件，从而制定出一个完整的柚果酸奶酿制实验方案。

（六）思维拓展，表达交流

完成实验探究后，教师接着启发学生，除了柚果酸奶，还可以酿制哪些风味的酸奶？添加不同的水果要考虑的因素可能有哪些？针对可能存在的问题，在生产过程中该如何去解决？（比如酿制香蕉酸奶的时候，为了达到更好的感官效果，可能要考虑防褐变等问题；为了解决火龙果汁酸奶稳定性较差的问题，在酿制过程中可能要添加适量稳定剂；酿制百香果酸奶是否需要去籽；工厂化大规模生产柚果酸奶时还需考虑或解决哪些问题等）。教师利用这一系列问题进一步激发学生对发酵技术的好奇心，发散学生的思维，并鼓励他们课后继续查阅资料，主动学习更多生物技术与工程的知识。

三、柚果酸奶发酵实验教学中融合STEM教育理念的启示

（一）在解决问题中提升科学（S）素养

生物学是研究生命现象和生命活动规律的科学。在本次实验探究中，为了解决人们对纯牛奶与柚果组合后口感佳、富营养的问题，学生提出了酿制柚果酸奶的想法，然后确定探究方向、分小组制定实验方案、进行实验探究、并对实验产品进行评价和结果汇报，从而确定最佳工艺条件。学生在动手制作柚果酸奶的体验中，会思考诸如为什么要将相关器具灭菌？加入的白砂糖到哪儿去了？乳酸菌粉为什么不能进行高温灭菌？纯牛奶变成酸奶的“酸”是哪里来的？为什么要将制成的酸奶放在2-6℃冰箱中冷藏12h？对这些问题的思考可以帮助学生巩固理解糖酵解这种生命现象所蕴含的生化知识。同时，在这个过程中，学生也学习了科学实验的一般方法；进一步加深理解生物学大概念“发酵工程利用微生物的特定功能规模化生产对人类有用的产品”，并养成科学思维的习惯。

（二）在实验操作中提升技术（T）素养

生物学是一门以实验为基础的学科，要求在实验探究中培养学生的操作技能。在酿制柚果酸奶实验过程中，学生需要学会正确开展器具的高温灭菌和恒温水浴锅加热的巴氏灭菌，使用电子天平精确称量实验材料，密封瓶口以创造适合厌氧菌种进行生命活动所需的环境，使用恒温培养箱、低温冰箱控制发酵进程，并观察、记录发酵过程中的现象及产品感官评价。学生通过动手做实验，才能体验到规范操作用具、仪器设备和实验室安全的重要性，形成严谨的科学实验态度。

（三）在知识运用中提升工程（E）素养

工程是基于科学、技术和数学方面的知识，优化技术参数，从而生产出预想中的人造产品的过程[3]。本实验教学中，教师或实验员可以采用学生所得5个因素的最佳条件组合来发酵酿制红肉蜜柚酸奶，供学生们品尝，让他们进一步理解学习生物技术在实际生活中的应用，懂得生物技术结合工程设计与人们的美好生活有着密切联系。教师还可启发学生思考通过发酵技术可以生产出更多满足人们不同需求的产品，如制作泡菜、酿制葡萄酒和果醋；询问学生根据营养价值和劳动技术给这瓶制作的柚果酸奶定价多少为宜？在工厂化大规模生产柚果酸奶时，本实验中哪些操作方法可以进一步改善以优化生产技术？以此锻炼学生的工程思维。让学生在这过程中懂科学、用科学。

（四）在数据处理中提升数学（M）素养

在生物学实验中，学生需要运用一定的数学思维。本实验中，从需要懂得计算实验材料配比的原则，以配制出比例正确的实验组分；运用数学知识绘制发酵过程中乳酸菌增殖的数量模型；到实验产品感官评分的赋值、得分的统计分析，从而得出最佳的实验工艺条件，以及产品成本和能耗的计算，都需要科学性与准确性。这个过程可发散学生的逻辑思维，提升数学素养[4]。

（五）在探究实验过程中整合科学、技术、工程和数学思维

STEM教育不仅是跨学科的，而且是整合相关学科的。在引导学生提出酿制柚果酸奶这一真实情境问题的基础上，学生进行了确定探究方向、提出假设、分组讨论并设计实验方案、实施探究实验、展示产品和结果评价的各个环节，合作解决柚果酸奶的最佳发酵工艺条件这一问题。在这实验过程中，学生需要发挥一定的数学和工程思维能力，运用科学实验的技术方法等有机地整合了不同学科的知识和技能[5]。

四、结束语

在本探究实验教学中，教师结合教学目标，融合STEM教育理念，通过激发学生期望达成“柚果+牛奶”新产品的主观能动性，逐步引导学生提出问题、分析问题，设计出科学可行的实验方案，锻炼学生解决问题的能力，以此培养学生的科学思维，建构微生物在物质代谢和能量代谢中的生命观念；学生小组协作完成影响发酵产品质量的不同因素的探究实验，并掌握了规范使用实验工具和操作规程的方法以保障实验顺利开展，培养小组合作精神和科学探究能力；对发酵产品的评价、工艺优化，让学生体会到工程观念在生物学知识运用中的重要性，建构微生物在物质代谢和能量代谢中的生命观念；而拓展学生思考发酵技术在日常生产生活中的便利应用及规模化生产酸奶中涉及的工程问题，可以增强学生的社会责任感。可见，发酵工程利用微生物特定功能方面的探究性实验教学，能达成锻炼学生跨学科的应用能力和培养生物学科核心素养的目标。