“觀察DNA 和RNA 在細(xì)胞中分布” 實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新*

劉曉靜 王慶紅

（北京市日壇中學(xué) 北京 100020）

培養(yǎng)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是高中生物學(xué)課程的價(jià)值追求，也是課程預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)，在高中生物學(xué)教學(xué)中， 組織以探究為特點(diǎn)的主動(dòng)學(xué)習(xí)是落實(shí)核心素養(yǎng)的關(guān)鍵［1］。筆者在教學(xué)中，對(duì)人教版必修1《分子與細(xì)胞》中“觀察DNA 和RNA 在細(xì)胞中的分布”實(shí)驗(yàn)的方法、操作步驟和試劑比例進(jìn)行了改進(jìn)探索， 并指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行了一系列自主探究實(shí)驗(yàn)，摸索出更直觀有效、更易掌握和更具有操作性的實(shí)驗(yàn)方法。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和進(jìn)度安排

1.1 原實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)和進(jìn)度安排 教材中的傳統(tǒng)方法是以洋蔥表皮細(xì)胞或人的口腔上皮細(xì)胞為實(shí)驗(yàn)材料。 實(shí)驗(yàn)流程為：取材→制片（將材料放于載玻片上）→烘干（酒精燈火焰烘烤）→水解（8%鹽酸浸泡、30℃水浴保溫5 min）→沖洗（用蒸餾水沖洗10 s）→染色（甲基綠吡羅紅混合染色劑，5 min）→蓋片→觀察， 良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為細(xì)胞核染色為綠色或藍(lán)綠色，而細(xì)胞質(zhì)染色為紅色。

這種方法操作復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)，由于學(xué)生操作技術(shù)不熟練，往往無(wú)法獲得滿意的觀察效果，缺乏可視性與直觀性。 學(xué)生實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題主要有：1）烘干時(shí)裝片烤裂；2）水解時(shí)材料脫落；3）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不理想： 細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)均呈現(xiàn)紅色——這也是最關(guān)鍵的問(wèn)題。

1.2 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)和進(jìn)度安排 本實(shí)驗(yàn)實(shí)施流程如下：課前先搜集整理資料，圍繞某一問(wèn)題展開(kāi)分析， 尋找改進(jìn)方案→小組匯總→班級(jí)各組匯總→制定探究方案→設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)工作單→分析比較不同方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果→尋找最佳方案。

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)一共進(jìn)行了3 輪，分別是：1）基于教材方法的操作環(huán)節(jié)上的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)；2）基于實(shí)驗(yàn)試劑比例調(diào)整的實(shí)驗(yàn)；3）基于試劑比例調(diào)整基礎(chǔ)上的再調(diào)整實(shí)驗(yàn)。 3 輪實(shí)驗(yàn)依次為遞進(jìn)關(guān)系，每輪實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程均需1 課時(shí)，共計(jì)3 課時(shí)；但需要學(xué)生在實(shí)驗(yàn)之前分組進(jìn)行文獻(xiàn)查閱、 問(wèn)題分析和方案整理的自主探究活動(dòng)。

2 實(shí)驗(yàn)材料

2.1 材料與用具 洋蔥表皮細(xì)胞，400 mL 燒杯，250 mL 燒杯，溫度計(jì)，滴管，載玻片，蓋玻片，鐵架臺(tái)，石棉網(wǎng)，火柴，酒精燈，吸水紙，顯微鏡，量筒，棕色試劑瓶。

2.2 實(shí)驗(yàn)試劑 甲基綠吡羅紅混合染色劑，4%HCl，8% HCl，蒸餾水，1% NaHCO3，甲基綠粉，吡羅紅G 粉，乙酸鈉，乙酸。

3 實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)化

3.1 基于教材方法的操作環(huán)節(jié)上的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

3.1.1 第1 輪實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)背景 教材實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不理想多表現(xiàn)為細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)均呈現(xiàn)紅色，學(xué)生通過(guò)查閱資料認(rèn)識(shí)到：pH 值過(guò)低會(huì)使DNA出現(xiàn)變性解聚［2］，解聚的DNA 更容易與吡羅紅結(jié)合而呈現(xiàn)紅色［3-4］。 實(shí)驗(yàn)步驟中有2 種酸性物質(zhì)，其中， 甲基綠吡羅紅混合染色劑本身呈弱酸性（pH 值為4.8）， 而水解所用的8%的鹽酸，pH＜1，呈強(qiáng)酸性，因此造成DNA 解聚的低pH 值極有可能是鹽酸造成的。

3.1.2 改進(jìn)方案 綜合以上分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了4 點(diǎn)改進(jìn)：1）改用4%鹽酸水解；2）鹽酸水解后用1% NaHCO3沖洗；3）不水解，直接使用甲基綠吡羅紅混合染色劑染色；4）縮短染色時(shí)間。 使用洋蔥表皮細(xì)胞為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)， 并設(shè)計(jì)以“實(shí)驗(yàn)工作單”的形式呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)方案（表1）。

表1 基于教材方法的操作環(huán)節(jié)上的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)工作單

3.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 實(shí)驗(yàn)由52 組共104 名學(xué)生完成，每組學(xué)生均進(jìn)行表1 中所有A～F 組的實(shí)驗(yàn)過(guò)程， 最終共46 組學(xué)生全部完成了上述實(shí)驗(yàn)，另外6 組學(xué)生因其他原因?qū)е聦?shí)驗(yàn)失敗， 其細(xì)胞質(zhì)染色為棕色，遂排除在對(duì)比研究以外（表2）。

表2 基于教材方法的操作環(huán)節(jié)上的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)

經(jīng)分析比較，不用鹽酸水解、直接使用甲基綠吡羅紅混合染色劑立即染色效果較好（圖1 中E組，本文附圖見(jiàn)封四）。簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是：1）耗時(shí)明顯減少，在時(shí)間經(jīng)濟(jì)性方面具有更明顯的優(yōu)勢(shì)；2）成功率提高，具有直觀性和可視性，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣并提高了教學(xué)效率。

3.2 基于實(shí)驗(yàn)試劑比例調(diào)整的實(shí)驗(yàn)

3.2.1 第2 輪實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)背景 由于第1 輪改進(jìn)實(shí)驗(yàn)使用的甲基綠吡羅紅染色劑是從試劑公司購(gòu)買的混合染色劑，是經(jīng)過(guò)改良的配方，因此，探究其改良的方向成為這一輪實(shí)驗(yàn)的熱點(diǎn)。

3.2.2 改進(jìn)方案 使用甲基綠和吡羅紅分裝粉末配制試劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.2.3 試劑配制

1）染色劑A 液：取甲基綠2 g 溶于98 mL 蒸餾水中（2%甲基綠），取吡羅紅G 5 g 溶于95 mL蒸餾水中（5%吡羅紅）；取6 mL 2%甲基綠溶液和2 mL 5%吡羅紅G 溶液加入到16 mL 蒸餾水中（甲基綠、吡羅紅體積比為3∶1），即為A 液，放入棕色瓶中備用。

2）染色劑B 液：B 液是一種緩沖液，由乙酸鈉和乙酸混合而成。先取乙酸鈉16.4 g，用蒸餾水溶解至1 000 mL 備用；再取乙酸12 mL，用蒸餾水稀釋至1 000 mL 備用。取配好的乙酸鈉溶液30 mL和稀釋的乙酸20 mL，加蒸餾水50 mL，配成pH為4.8 的B 液（緩沖液）。

3）吡羅紅甲基綠混合染色劑：A 液20 mL 和B液80 mL 混合（即體積比為1∶4）。

選用洋蔥內(nèi)表皮細(xì)胞為實(shí)驗(yàn)材料， 先按照簡(jiǎn)化步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，即不水解、直接染色1 min，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)均染成藍(lán)色， 考慮可能是吡羅紅的比例偏小，因此，設(shè)計(jì)成吡羅紅體積比不斷增大的一系列實(shí)驗(yàn)（表3）。

表3 基于實(shí)驗(yàn)試劑比例調(diào)整的實(shí)驗(yàn)工作單

3.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 如圖2 所示：隨著吡羅紅的比例逐漸增加， 細(xì)胞質(zhì)中RNA 的紅色更為明顯，同時(shí)細(xì)胞核中DNA 染色未受干擾。 在甲基綠（2%）：吡羅紅（5%）體積比為1∶3，染色劑A 液與染色劑B 液體積比為1∶4 時(shí)，即第5 組效果較好。

3.3 基于試劑比例調(diào)整基礎(chǔ)上的再調(diào)整實(shí)驗(yàn)

3.3.1 第3 輪實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)背景 在上一輪的實(shí)驗(yàn)中，染色的成功率并不高，有的細(xì)胞不易著色，考慮可能與染料分子未能充分進(jìn)入細(xì)胞結(jié)構(gòu)內(nèi)有關(guān)，在前述研究已調(diào)整了酸化程度與時(shí)間，以及染色劑A 液配制比例的基礎(chǔ)上，嘗試調(diào)整緩沖液染色劑B 液的量，觀察其對(duì)染色效果的影響。

3.3.2 改進(jìn)措施（表4）

表4 基于試劑比例調(diào)整基礎(chǔ)上的再調(diào)整實(shí)驗(yàn)工作單

3.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 染色劑A 液與染色劑B液體積比為1∶5 時(shí)效果較好（圖3）。

如圖3 所示，染色劑A 液［其中甲基綠（2%）與吡羅紅(5%)體積比為1∶3］與染色劑B 液體積比為1∶5（乙組），采用簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)步驟，即不水解、直接染色1 min，效果較好。

值得注意的是，3.2 和3.3 關(guān)于實(shí)驗(yàn)試劑比例調(diào)整的染色效果比3.1 實(shí)驗(yàn)中的染色效果差。 其最可能的因素是3.1 采用的是試劑公司的甲基綠吡羅紅混合染色劑， 而3.2 和3.3 采用的是甲基綠和吡羅紅分裝粉末配制的染色劑。 由于甲基綠粉劑中往往含有甲基紫雜質(zhì)， 在未充分提純的情況下可能會(huì)干擾染色過(guò)程。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)傳遞的重要概念

本研究嘗試從調(diào)整酸化水解的程度與時(shí)間，染色劑A 中甲基綠和吡羅紅的配制比例， 以及調(diào)整緩沖劑（染色劑B）與染色劑A 的比例3 個(gè)方面，對(duì)高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)“觀察DNA 和RNA 在細(xì)胞中的分布”進(jìn)行了整體的改進(jìn)。 從研究結(jié)果看，減少鹽酸水解的步驟，甲基綠（2%）：吡羅紅（5%）體積比為1∶3， 且染色劑A 液∶染色劑B 液體積比為1∶5 時(shí)，染色效果最佳。 改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方案在成功率和時(shí)間經(jīng)濟(jì)性方面具有更明顯的優(yōu)勢(shì)， 實(shí)驗(yàn)更具有直觀性和可視性， 促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣并提高了教學(xué)效率。

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)方面具有一定的作用，具體表現(xiàn)在：1）從前期的準(zhǔn)備工作開(kāi)始，學(xué)生需要進(jìn)行資料分析和問(wèn)題整理，檢索資料信息，需要同伴之間交流或向教師請(qǐng)教，學(xué)生的交際能力得到了鍛煉， 也有更多機(jī)會(huì)表達(dá)自己的見(jiàn)解， 這對(duì)于發(fā)展學(xué)生的表達(dá)能力是有益的；2）從實(shí)施過(guò)程看，學(xué)生經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究、探索，真正體驗(yàn)了科學(xué)探究的過(guò)程， 這對(duì)于促進(jìn)學(xué)生形成從事科學(xué)研究與探索的規(guī)律與方法，鍛煉探索精神，發(fā)展思維， 培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力是有益的；3）從實(shí)施評(píng)價(jià)看，對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)并非都來(lái)自外部，更重要的是來(lái)自學(xué)生在自主探究過(guò)程中的自我評(píng)價(jià)，它能激勵(lì)學(xué)生的每一步成功， 有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性。

改進(jìn)后的3 輪實(shí)驗(yàn)具有“研究性、開(kāi)放性、自主性”等特點(diǎn)，教學(xué)中，教師也由“關(guān)注知識(shí)”向“關(guān)注學(xué)生”轉(zhuǎn)化——教會(huì)學(xué)生形成學(xué)科觀念，培養(yǎng)學(xué)生理性思維，要求學(xué)生大膽探索，將所學(xué)的知識(shí)融會(huì)貫通，在探究中尋找最佳解決方案，這正是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)所在。