在實驗教學(xué)中發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)
——“DNA粗提取與鑒定”實驗教學(xué)設(shè)計與實施

姚 燕（南京市第五高級中學(xué) 江蘇南京 210004）

生物學(xué)核心素養(yǎng)涵蓋生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、社會責(zé)任4 個方面，更加強調(diào)學(xué)生親自參與和實踐的過程，注意對學(xué)生正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力的培養(yǎng)［1］。 實驗教學(xué)是促成學(xué)生達(dá)成生物學(xué)核心素養(yǎng)的重要支撐。

1 實驗內(nèi)容分析

“DNA 的粗提取和鑒定”是高中生物學(xué)中分子生物學(xué)水平的實驗，安排在人教版《選修1·生物技術(shù)實踐》專題5“DNA 和蛋白質(zhì)技術(shù)”中。本實驗?zāi)繕?biāo)是通過嘗試對植物或動物組織中的DNA進(jìn)行粗提取，了解DNA 的理化性質(zhì)，理解DNA 粗提取及鑒定的原理，為基因工程技術(shù)知識提供感性認(rèn)識。 本模塊強調(diào)：以學(xué)生為主體，運用已有知識和證據(jù)，通過實驗設(shè)計和操作實踐，學(xué)習(xí)科學(xué)探究。 但是該實驗背景知識多，操作復(fù)雜，取材不便［2］，成功率低，難以在一節(jié)課內(nèi)完成實驗。 筆者在高三一輪復(fù)習(xí)實驗教學(xué)中創(chuàng)設(shè)新情境，通過學(xué)生小組自主合作探究，設(shè)計優(yōu)化實驗，最終探索出課堂最佳實驗材料和方法。 學(xué)生通過主動參與學(xué)習(xí)過程，激發(fā)對生物學(xué)的興趣，養(yǎng)成理性思維的習(xí)慣，形成積極的科學(xué)態(tài)度，發(fā)展終身學(xué)習(xí)的能力。

2 實驗教學(xué)設(shè)計

2.1 教學(xué)思路 教材中詳細(xì)介紹了動、 植物細(xì)胞DNA 提取、分離、提純所涉及到的一般原理、方法和實驗材料的選取，但并沒有以哪一種材料為例具體介紹其操作過程。 因此，選擇一種合適的實驗材料顯得十分重要。此外，高中實驗受條件限制（例如無EDTA、Tris 和離心設(shè)備，氯仿-異戊醇具有毒性等），如何在有限時間和條件下完成，實驗方法選擇和優(yōu)化是關(guān)鍵。 由于是一輪復(fù)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)對細(xì)胞結(jié)構(gòu)、DNA 的理化性質(zhì)及鑒定方法有所了解。 以小組預(yù)實驗的方式探究課堂最佳實驗材料和方法，分層推進(jìn)解決實驗難點。 課堂分組實驗并討論，課后探究實踐，進(jìn)一步鞏固教學(xué)目標(biāo)。

2.2 教學(xué)方案 以4～6 人組建合作興趣小組，分為植物探究小組和動物探究小組，同時在課前進(jìn)行預(yù)實驗。 學(xué)生課前梳理實驗具體步驟： 破碎細(xì)胞—獲得含DNA 的濾液—去除濾液中的雜質(zhì)—DNA 的析出—DNA 的鑒定。實驗中引導(dǎo)學(xué)生比較不同破碎細(xì)胞方法，定量探究不同材料和方法提取DNA 的效果，學(xué)會比較遷移，培養(yǎng)理性思維設(shè)計實驗。 以探究為特點的教學(xué)不僅會直接影響核心素養(yǎng)中“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”的落實，也會間接影響另外2 個核心素養(yǎng)的達(dá)成。

2.3 教學(xué)流程

圖1 實驗教學(xué)流程

3 實驗教學(xué)組織

3.1 組建小組，引導(dǎo)探究 教師只提供必要的理論支持和實驗條件，指導(dǎo)探究活動，同時通過問題引導(dǎo)探究：1）書本材料提取DNA 的效果怎樣？ 還可以選取何材料？ 2）釋放DNA 的方法有哪些？ 3）加洗滌劑和食鹽的作用是什么？ 4）如果研磨不充分，會對實驗結(jié)果產(chǎn)生怎樣的影響？ 5）釋放的DNA還會有哪些雜質(zhì)？ 如何進(jìn)一步去除雜質(zhì)？ 6）哪些材料提取DNA 效果好又省時？學(xué)生通過查閱資料和討論，自主選擇，主動探究。

3.2 植物材料的預(yù)實驗探究

3.2.1 取材和方法 植物探究小組打算選取菜花、桃子、香蕉［3］、葡萄［4］（其中桃子和葡萄的DNA提取在文獻(xiàn)中提及較少）作為實驗材料，比較不同種類植物提取DNA 的差異。 由于洗滌劑中含有SDS（十二烷基磺酸鈉），能夠裂解細(xì)胞膜，使蛋白質(zhì)變性，利于蛋白質(zhì)和DNA 的分離。 如果在研磨時加入適量的洗滌劑，既促進(jìn)DNA 釋放，又有助DNA 提取。 另外根據(jù)酶解法，嘗試在粗提取液中加入含蛋白酶的嫩肉粉，通過二苯胺鑒定DNA 的顏色深淺探討嫩肉粉純化DNA 提取物的效果。通過分析確定探究方向，并設(shè)計表格1 進(jìn)行實驗，結(jié)果如下。

表1 不同植物實驗材料DNA 提取情況比較

3.2.2 釋放DNA ①取等質(zhì)量4 種植物材料，剪碎置于研缽中。 ②加入相應(yīng)處理試劑（食鹽、洗滌劑、嫩肉粉），研磨5～10 min。 ③用單層紗布過濾研磨液，濾液于小燒杯中。

3.2.3 粗提取DNA 研磨過濾之后，沿木筷子從燒杯壁緩慢加入2 倍體積的95%的酒精，即可靜置觀察絲狀物的析出情況（結(jié)果見表1）。

3.2.4 鑒定DNA ①各組取試管加入2 mol/L的氯化鈉溶液3 mL。②用木筷子緩緩卷起所得上層漂浮白色絮狀物放入試管，攪拌使其充分溶解。③然后分別加入4 mL 二苯胺試劑混勻，沸水浴中加熱5～10 min，并冷卻一段時間，觀察顏色的變化（結(jié)果見表1）。

3.2.5 實驗結(jié)果分析1 從各組DNA 析出情況看，加入2 倍體積95%冰酒精之后，所有植物組織均立即析出絲狀物，效果相當(dāng)明顯。香蕉和桃子的絲狀物較多且較快。 同時觀察到加入嫩肉粉一組的絲狀物量均有所減少，但是顏色更為純白。學(xué)生分析，不加嫩肉粉一組析出絲狀物可能仍然含有部分蛋白質(zhì)或果膠等其他雜質(zhì)（之后學(xué)生用雙縮脲鑒定白色絮狀物，果然呈紫色），加入嫩肉粉后，利用酶解雜質(zhì)蛋白質(zhì)，純化了DNA 提取物。而之后的鑒定結(jié)果表明，所有試管均呈藍(lán)色，成功提取到DNA。 所有材料加入嫩肉粉組藍(lán)色稍深，嫩肉粉能有效去除部分雜質(zhì)，提取DNA 純度較高。從不同植物材料DNA 提取的鑒定情況來看，葡萄和香蕉的DNA 提取量較大，但是葡萄的DNA 析出物較少，難以操作。 菜花和桃子研磨較困難。 綜合實驗用時和效果來看，香蕉易操作，時間短，提取量大，效果明顯等優(yōu)點具有較大優(yōu)勢。

此時，有學(xué)生提出，如果采用香蕉作為實驗材料，能否有更為方便和有效的方法破碎細(xì)胞？學(xué)生想到葉綠體色素的提取和分離實驗中，利用二氧化硅幫助破碎細(xì)胞。 有的學(xué)生提出使用塑封袋揉擠的方法破碎細(xì)胞會更為便捷（圖2）。 設(shè)計實驗如表2，以此探究同一材料不同提取方法在提取產(chǎn)量上的差異。

表2 用香蕉提取DNA 不同提取方法比較

3.2.6 實驗結(jié)果及分析2 從鑒定結(jié)果看（圖3），4組實驗均能成功提取DNA。4 號組藍(lán)色最深，提取DNA 量具有絕對的優(yōu)勢，學(xué)生分析這和塑封袋隔絕空氣防止氧化，同時使材料和研磨試劑充分接觸反應(yīng)有關(guān)。 其他幾管相比，3 號組加入嫩肉粉組藍(lán)色較為明顯，2 號組加入二氧化硅組呈現(xiàn)的淺藍(lán)偏黃，學(xué)生分析這和提取物中還含有其他雜質(zhì)有關(guān)。

綜合以上實驗分析1 和2，植物探究小組最終選擇香蕉作為實驗材料，同時配以使用塑封袋揉擠的方法作為最佳課堂實驗材料和方法組合。如果想要提取純度更高的DNA 則可以通過添加嫩肉粉實現(xiàn)。

3.3 動物材料的預(yù)實驗探究

3.3.1 取材和方法 通過查閱文獻(xiàn)和初中實驗啟發(fā)，動物探究小組打算選取雞血和口腔上皮細(xì)胞作為提取材料。 獲取口腔上皮細(xì)胞的方法除了書本提供吸水漲破的方法，學(xué)生還提出可以利用食鹽溶液以及刮取的方法。 因此他們分別設(shè)置不同濃度的鹽水溶液（高鹽溶液、生理鹽水、蒸餾水）及刮取的方法，比較DNA 提取量差異。 此外，他們受到用植物提取DNA 的啟發(fā)，洗滌劑是否也能應(yīng)用到動物細(xì)胞DNA 的提取，幫助破碎細(xì)胞膜使DNA 更快地析出？ 設(shè)計實驗如表3。

表3 動物材料提取DNA 比較

3.3.2 實驗過程以選用口腔上皮高鹽溶液組析出方法2 為例。

1）獲取口腔上皮細(xì)胞：在獲取之前先用清水漱口減少雜質(zhì)，然后取10 mL 鹽水并用其漱口，輕柔雙頰使鹽水盡可能與口腔內(nèi)壁上皮細(xì)胞接觸，收集漱口水于小燒杯中。

2）釋放DNA：在小燒杯的漱口水中加2mL 洗手液，充分振蕩。

3）析出DNA：沿?zé)瓋?nèi)壁，緩緩加入2 倍體積的95%的酒精，靜置5 min 后，觀察白色絲狀析出物（圖4）。 用牙簽輕輕攪動，將絲狀沉淀纏繞在牙簽上，將牙簽剪斷溶解在3 mL 2 mol/L 的氯化鈉溶液中以備鑒定。

圖4 雞血和口腔上皮細(xì)胞析出絲狀物情況

4）鑒定DNA：方法同植物組（結(jié)果見圖5）。

圖5 雞血和口腔上皮細(xì)胞提取DNA 鑒定情況

3.3.3 實驗結(jié)果及分析 從各組絲狀物析出和鑒定情況看，雞血組和口腔上皮細(xì)胞高鹽溶液處理組成功提取相應(yīng)DNA，口腔上皮生理鹽水處理組能提取少量DNA。 綜合比較用時和步驟來看，雞血組用時長達(dá)十幾小時，而且需要眾多步驟，而選取口腔上皮細(xì)胞，只需要5 min 4 個步驟，即可成功提取DNA。 綜合比較用時和步驟來看，選取口腔上皮細(xì)胞，利用高鹽溶液加入洗滌劑的提取方法在課堂進(jìn)行實驗具有較強優(yōu)勢。

3.4 課堂分組實驗并討論 通過小組長的課前探究，最終選取香蕉和口腔上皮細(xì)胞作為DNA 提取材料。課堂分組實驗，香蕉提取需要用時30 min，采用口腔上皮細(xì)胞提取則只要5～7 min。 這樣大部分學(xué)生2 個實驗在一節(jié)課均能完成，還有時間進(jìn)行動、 植物DNA 提取的比較總結(jié)及實驗優(yōu)化探討。 小組交流，班級展示。 通過這節(jié)課的實踐操作，學(xué)生發(fā)現(xiàn)植物DNA 在提取時需要增加研磨和過濾等步驟以充分破碎細(xì)胞，而動物細(xì)胞析出DNA 則簡單的多。從學(xué)生的總結(jié)中不僅看到了動、植物DNA 提取的差異比較，更重要的是體會到他們實驗取得成功的喜悅，極大地激發(fā)了探索生命奧秘的興趣，達(dá)成了教學(xué)目標(biāo)。

3.5 課后繼續(xù)探究 課后學(xué)生以小組為單位開展校本課程子課題，進(jìn)行后續(xù)探究。 課題包括：不同類型洗滌劑對提取DNA 的影響； 提取DNA 的洗滌劑和食鹽及生物材料的最佳配比； 凍存生物材料對提取DNA 的影響；實驗室中提取純度較高DNA 方法等。 此外注重與生活的聯(lián)系，在課堂探究實驗的基礎(chǔ)上指導(dǎo)學(xué)生以個人為單位，利用家中的日常用品如洗滌劑和酒精等，提取DNA 并制作成飾品。學(xué)生紛紛表示能夠?qū)⒆约旱腄NA 提取并制作成品，意義非凡。

3.6 課堂評價 課堂評價采用多元化評價方式。例如小組合作探究過程要求以實驗探究評價表的形式記錄（包括設(shè)計原理、思路、實驗過程、結(jié)果及分析）。 教師對學(xué)生的自主合作、 情感體驗、探究思考、討論互評等行為觀察并及時給予評價。 學(xué)生尋求提取DNA 的適合材料和方法正是基于能夠應(yīng)用生物結(jié)構(gòu)和功能相適應(yīng)的生命觀念（素養(yǎng)1）。學(xué)生在實驗過程中能夠觀察、發(fā)現(xiàn)并分析問題，運用演繹推理和創(chuàng)造性思維設(shè)計并實施實驗表明科學(xué)思維（素養(yǎng)2）和科學(xué)探究（素養(yǎng)3）能力的落實情況。 學(xué)生能夠成功制作DNA 飾品則將科學(xué)、技術(shù)和社會相聯(lián)系（素養(yǎng)4）。

4 教學(xué)反思

4.1 創(chuàng)設(shè)情境，形成生命觀念 生物學(xué)核心素養(yǎng)在課堂中的“生根發(fā)芽”，需要教師觀念和措施上的轉(zhuǎn)變，需要學(xué)生知識和技能的習(xí)得，更需要過程的體驗和感悟。 DNA 是大多數(shù)生物的遺傳物質(zhì)，這是生物學(xué)重要的核心概念。 本實驗設(shè)計通過自主、合作、探究的教學(xué)方式，課前的預(yù)實驗，呈現(xiàn)出高度的開放性、靈活性和探究性。改進(jìn)后的實驗無需課前繁瑣的準(zhǔn)備，人人動手參與，省時省力，學(xué)生的興趣大大增強。 學(xué)生通過主動參與學(xué)習(xí)過程，感悟DNA 這一微觀物質(zhì)的存在和特性，由此產(chǎn)生對自然和生命的敬畏和尊重。

4.2 比較遷移，培養(yǎng)理性思維 在實驗中通過查閱文獻(xiàn)和比較遷移，選擇不同實驗材料和方法，改進(jìn)并優(yōu)化相關(guān)藥品試劑的使用。 例如二苯胺試劑的改進(jìn)，大幅度增加了濃硫酸的比例，水浴時間5 min 即能逐漸看到藍(lán)色，效果明顯。 試劑配制方法改為：15 mL 濃硫酸沿?zé)瓋?nèi)壁緩慢倒人100 mL冰醋酸中，邊倒邊攪拌，不要讓溶液溫度升得太高，待溶液冷卻后，稱取2 g 二苯胺加人其中，攪拌至二苯胺完全溶解，倒入棕色瓶保存［5］。此外發(fā)現(xiàn)鑒定DNA 時，二苯胺溶液容易被氧化變質(zhì)，應(yīng)現(xiàn)配現(xiàn)用。 沸水浴后待靜置冷卻一段時間后藍(lán)色更為明顯。又例如洗滌劑的使用改進(jìn)，這一試劑通常使用在植物材料提取DNA 中，本實驗創(chuàng)造性地將該原理遷移到動物細(xì)胞釋放DNA 的步驟中，同樣提高了DNA 的釋放量，簡單易行，效果顯著。

4.3 自主設(shè)計，提升科學(xué)探究能力 本實驗設(shè)計，鍛煉了學(xué)生的邏輯思維能力，增強設(shè)計實驗?zāi)芰Α?同時改進(jìn)實驗步驟，改進(jìn)之后只需要研磨、過濾、二苯胺顯色鑒定等簡單步驟易于操作。實驗中利用染色體在高濃度氯化鈉溶液中易解聚的原理，在研磨植物材料和獲取口腔上皮細(xì)胞的步驟中，直接加入高鹽溶液，使DNA 與蛋白質(zhì)分離，并且吸附更多的DNA 分子與鈉離子結(jié)合，溶解到食鹽溶液中去。 之后只需要加入2 倍體積95%酒精，絲狀物立即呈現(xiàn)。這一步省略教材中再次溶解等重復(fù)操作，達(dá)到簡化步驟的目的。讓學(xué)生體驗科學(xué)實驗探究的同時也體會到實驗成功后的喜悅。

4.4 結(jié)合實踐，樹立社會責(zé)任感 用發(fā)現(xiàn)的眼光從生活中取材，注重與生活的聯(lián)系。 例如洗滌劑、嫩肉粉、塑封袋、木筷子等使用簡單易操作，增加了DNA 的提取量和穩(wěn)定性，提高了實驗成功率。同時在課后的繼續(xù)探究，用課題的形式組織探究活動，有利于進(jìn)一步鞏固學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究的素養(yǎng)形成。 個人在家制作DNA 飾品，不僅能夠進(jìn)一步提升動手能力，學(xué)以致用，更重要的是使學(xué)生樹立關(guān)愛自己、珍愛生命的社會責(zé)任感。