资源简介

发酵工程及其应用 教案
课时：2课时 课程类型：新授课
一、教学目标
（一）生命观念
1. 通过学习发酵工程的基本原理，建立微生物代谢与人类生产生活紧密关联的观念，理解微生物作为生命个体在工业生产中的重要价值，形成合理利用生物资源的意识。
2. 结合发酵工程在食品、医药、农牧业等领域的应用案例，认识到生命活动规律对解决人类社会发展问题的重要作用，树立科学服务社会的生命价值观。
（二）科学思维
1. 通过对比发酵工程与传统发酵技术的异同，培养归纳、比较的逻辑思维能力，能够分析技术迭代的核心动因。
2. 结合发酵工程各环节的调控原理，锻炼分析与综合的思维能力，能够从整体角度理解工业生产中多因素协同控制的逻辑。
3. 通过分析啤酒工业化生产、青霉素高产等实例，培养基于生物学原理解决实际生产问题的推理与论证能力，能够针对具体发酵产品设计合理的生产流程优化方案。
（三）科学探究
1. 能够针对发酵生产中的具体问题（如杂菌污染、产量低下等）设计初步的探究方案，提出合理的改进措施。
2. 通过分析发酵条件控制的实验案例，理解工业生产中变量控制的基本原则，提升实验设计与结果分析的能力。
（四）社会责任
1. 能够基于发酵工程的原理，客观评价乙醇汽油、精酿啤酒等社会热点问题，形成理性的科学认知，向公众普及发酵工程相关的科学常识。
2. 关注发酵工程在粮食安全、环境保护、医药健康等领域的应用价值，认同发酵工程对推动社会经济发展的重要意义，建立生物科技造福人类的责任意识。
二、教学重难点
（一）教学重点
1. 发酵工程的基本环节及各环节的核心操作要点；
2. 发酵过程中温度、pH、溶解氧等条件的调控原理及意义；
3. 发酵工程在食品、医药、农牧业等领域的具体应用及价值。
（二）教学难点
1. 发酵罐内发酵过程的多因素协同调控逻辑；
2. 发酵工程产物分离提纯的技术原理及适用场景；
3. 发酵工程与传统发酵技术的本质差异，以及发酵工程工业化生产的优势分析。
三、教学方法
讲授法：系统讲解发酵工程的基本概念、核心环节和应用领域，构建完整的知识框架；
案例教学法：以青霉素生产、啤酒工业化酿造、乙醇汽油生产等实际案例为载体，深化对知识点的理解；
对比分析法：通过对比发酵工程与传统发酵技术的异同，梳理技术发展的逻辑，突出发酵工程的优势；
问题驱动法：围绕发酵生产中的实际问题（如杂菌污染的防控、发酵条件的优化）引导学生思考探究，提升解决问题的能力；
小组讨论法：组织学生针对"精酿啤酒与工业啤酒的优劣""乙醇汽油的粮食安全风险"等话题展开讨论，培养辩证思维能力。
四、教学手段
多媒体课件：结合流程图、实物图片、动画演示发酵工程各环节的操作过程及发酵罐的结构原理；
视频素材：播放青霉素工业化生产、啤酒酿造的实际生产视频，增强直观认知；
实物展示：展示发酵工程相关产品（青霉素药品、柠檬酸食品添加剂、微生物肥料等），建立知识与生活的联系；
图表辅助：通过表格对比、流程示意图梳理知识点逻辑，帮助学生构建知识体系。
五、教学过程（详细）
（一）导入新课（5分钟）
【教师活动】展示青霉素药品的图片，提出问题："大家知道吗，在青霉素刚被发现的时候，它的价格比黄金还要昂贵，而现在1瓶160万单位的青霉素只要1元左右，价格发生了翻天覆地的变化。是什么技术让曾经的天价药品走进了寻常百姓家？"由此引出本节课的主题——发酵工程。
【学生活动】结合已有知识思考问题，讨论青霉素价格下降的可能原因。
【设计意图】从生活实例切入，引发学生的认知冲突，激发学习兴趣，快速进入课堂情境。
（二）新知讲授：发酵工程的概念（5分钟）
【教师活动】讲解发酵工程的定义：利用微生物的特定功能，通过现代化工程技术，生产对人类有用的物质的技术体系。介绍发酵工程的发展背景：对发酵原理的认识、微生物纯培养技术的建立、密闭式发酵罐的设计成功，推动了发酵工程实现大规模工业化生产。
【学生活动】理解发酵工程的核心内涵，对比之前学习的传统发酵技术，初步感知两者的差异。
【设计意图】明确核心概念，为后续学习奠定基础。
（三）新知讲授：发酵工程的基本环节（30分钟）
【教师活动】按照发酵工程的流程顺序，逐一讲解每个环节的要点：
选育菌种说明菌种是发酵工程的关键，优良菌种可以提高产量、缩短生产周期。介绍菌种选育的方法： 自然选育：利用菌种自发突变选育，优点是经济，缺点是突变频率低、耗时长；菌种改良：通过诱变育种、基因工程育种等方法获得高产、优质、低耗的菌种，举例说明我国科学家构建嗜盐单胞菌生产可降解材料的案例。 提出思考问题：为什么一些地方特产的美酒难以在其他地方复制生产？引导学生理解菌种对产品风味的决定性作用。
扩大培养讲解工业发酵罐体积大，需要提前对菌种进行扩大培养，保证接种量充足。
配制培养基说明培养基配方需要根据菌种特性和生产目的反复试验确定，包含碳源、氮源、无机盐、生长因子、水等基本成分。
灭菌强调灭菌的重要性：发酵工程多使用单一菌种，杂菌污染会导致产量下降，甚至完全失败。举例青霉素生产中杂菌会分泌青霉素酶分解青霉素。说明灭菌对象包括培养基、发酵设备、通入的空气，生产环境也需要消毒。
发酵罐内发酵（中心环节）展示发酵罐结构示意图，讲解各部分的功能。说明发酵过程中需要随时检测微生物数量、产物浓度，严格控制温度、pH、溶解氧、通气量等条件： 温度控制：前期稍高促进菌体生长，中期适当降低延长发酵时间提高产量，后期升高温度促进产物释放；pH控制：可通过添加缓冲剂、酸碱、补料（如pH下降时添加尿素补充氮源同时调节pH）进行调控；溶解氧控制：通过通风和搅拌调节，满足不同阶段微生物对氧气的需求。 举例谷氨酸发酵：中性弱碱性条件积累谷氨酸，酸性条件形成谷氨酰胺等副产物，说明发酵条件直接影响代谢产物的形成。
分离提纯产物根据产物类型选择不同提纯方法： 产物是微生物细胞本身：采用过滤、沉淀等方法；产物是代谢物：根据性质采用萃取、蒸馏、离子交换、层析、结晶等方法。 展示完整的分离提纯流程图，说明所有产品都需要质量检验合格后才能上市。
【学生活动】跟随教师讲解梳理发酵工程完整流程，记录各环节要点，思考并回答教师提出的问题。
【设计意图】按照生产流程逻辑讲解知识点，符合认知规律，突出重点，结合实例帮助学生理解技术应用的实际意义。
（四）对比分析：发酵工程与传统发酵技术的比较（10分钟）
【教师活动】展示对比表格，引导学生从菌种、发酵方式、发酵条件控制、生产规模和产品四个方面对比两者的差异，总结相同点是都利用了微生物的代谢作用。
比较项目 发酵工程 传统发酵技术
菌种 单一优良菌种，经选育获得 原材料天然存在的混合菌种
发酵方式 以液体发酵为主 以固体/半固体发酵为主
条件控制 严格无菌操作，精确控制各项条件 无严格无菌操作，条件受外界影响大
生产特点 工业化大规模生产，产量高、质量稳定 家庭/作坊式生产，产量低、质量不稳定
【学生活动】结合之前学习的传统发酵技术内容，完成对比分析，梳理技术发展的逻辑。
【设计意图】通过新旧知识的联系，深化对发酵工程技术优势的理解，突破难点。
（五）新知讲授：发酵工程的应用（25分钟）
【教师活动】结合案例介绍发酵工程在各领域的应用：
食品工业应用① 生产传统发酵产品：讲解酱油、酒类的工业化生产流程，以啤酒生产为例，展示从大麦发芽到成品装瓶的完整工序，对比手工酿造和工业生产的差异； ② 生产食品添加剂：举例酸度调节剂（柠檬酸）、增味剂（谷氨酸钠）、着色剂（β-胡萝卜素）、防腐剂（乳酸链球菌素）等的应用，说明食品添加剂的作用； ③ 生产酶制剂：介绍淀粉酶、果胶酶等在食品生产中的应用，如简化生产工艺、提高产品品质。
医药工业应用讲解发酵工程生产抗生素、氨基酸、激素、免疫调节剂等药物，介绍基因工程与发酵工程结合生产疫苗、重组蛋白药物的案例，回应导入部分青霉素价格下降的问题，说明发酵工程对降低医药成本的重要意义。
农牧业应用① 微生物肥料：根瘤菌肥、固氮菌肥增进土壤肥力； ② 微生物农药：苏云金杆菌、白僵菌、井冈霉素等生物防治病虫害，减少化学农药使用； ③ 微生物饲料：单细胞蛋白、青贮饲料添加乳酸菌，提高饲料品质和动物免疫力。
其他领域应用介绍利用纤维废料生产乙醇等能源物质，极端微生物（嗜热菌、嗜盐菌）在洗涤剂生产、热敏性产品加工中的应用。
【学生活动】结合生活经验理解发酵工程的广泛应用，感知生物技术对社会发展的推动作用。
【设计意图】联系生产生活实际，拓展知识应用场景，落实社会责任维度的教学目标。
（六）小组讨论：热点问题辨析（10分钟）
【教师活动】提出两个讨论话题，组织学生分小组讨论： 1. 现在市面上流行"精酿"啤酒，宣传称不添加添加剂、更健康，你如何看待精酿啤酒与工业啤酒的差异？ 2. 我国多地推广使用乙醇汽油，有人认为乙醇汽油可再生、环保，也有人认为生产乙醇消耗粮食，存在粮食安全风险，你如何评价这一问题，有什么规避风险的建议？
【学生活动】小组讨论后分享观点，形成辩证认知：精酿啤酒满足个性化需求，但存在质量不稳定的问题；乙醇汽油推广应使用陈化粮、秸秆等非粮食原料，规避粮食风险。
【设计意图】培养学生的辩证思维和运用知识解决实际问题的能力，提升社会责任意识。
（七）课堂小结（5分钟）
【教师活动】梳理本节课的核心内容：发酵工程的7个基本环节、各环节的操作要点，以及发酵工程在四大领域的应用价值。强调发酵工程是传统发酵技术的工业化升级，是连接生物学原理与工业生产的重要桥梁，未来还有广阔的发展空间。
【学生活动】回顾本节课内容，构建完整的知识体系。
（八）作业布置（5分钟）
1. 梳理发酵工程的完整流程，绘制流程图，并标注每个环节的核心注意事项； 2. 查阅资料，了解我国发酵工程领域的最新研究进展，写一篇200字左右的短文介绍一项你最感兴趣的应用。
六、板书设计
发酵工程及其应用
一、概念：利用微生物功能 + 现代工程技术 → 生产有用物质
二、基本环节：
选育菌种 → 扩大培养 → 配制培养基 → 灭菌 → 发酵罐内发酵 → 分离提纯 → 产品
↑ 关键：优良菌种（自然选育、诱变育种、基因工程育种）
↑ 中心环节：控制温度、pH、溶解氧
↑ 提纯：菌体（过滤、沉淀）；代谢物（萃取、蒸馏、离子交换等）
三、与传统发酵技术的比较：菌种单一、条件可控、工业化生产
四、应用领域：食品工业、医药工业、农牧业、能源环保
七、教学反思
1. 本节课知识点较多，涉及生产流程的环节较为抽象，教学中应结合更多的生产实际视频和案例，增强直观性，帮助学生理解工业生产的实际场景，避免知识过于理论化。
2. 发酵条件的调控是教学难点，不同发酵阶段的调控逻辑学生容易混淆，后续可以设计更具体的问题串，引导学生逐步分析条件变化对微生物代谢的影响，深化理解。
3. 小组讨论环节学生参与度较高，但部分学生的观点缺乏科学依据，后续可以提前布置相关资料查阅任务，让讨论更有深度，更好地培养学生的科学论证能力。
4. 可以增加简单的模拟活动，如让学生设计某种发酵产品的生产流程，提升学生的知识迁移和应用能力，更好地落实核心素养目标。

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