基于實(shí)際問題解決的生物智慧課堂

李偉

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》指出生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在解決真實(shí)情境中的實(shí)際問題時(shí)所表現(xiàn)出來的價(jià)值觀念、必備品格與關(guān)鍵能力，是學(xué)生知識(shí)、能力、情感態(tài)度與價(jià)值觀的綜合體。結(jié)合“實(shí)際問題解決”設(shè)計(jì)生物課堂和智慧課堂理念，基于實(shí)際問題解決的生物智慧課堂就是結(jié)合實(shí)際問題解決和智慧課堂理念設(shè)計(jì)生物課堂教學(xué)，其基本模式就是在智慧課堂環(huán)境支持下，推送有科學(xué)探究?jī)r(jià)值的實(shí)際問題，學(xué)生在互助、交流中運(yùn)用已有知識(shí)分析、解決實(shí)際問題，并以實(shí)際問題的逐步解決為主線構(gòu)建課堂結(jié)構(gòu)，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，讓學(xué)生體驗(yàn)知識(shí)價(jià)值的同時(shí)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)得以提升?；趯W(xué)生在逐步解決問題的思考過程架構(gòu)的生物智慧課堂教學(xué)對(duì)于學(xué)生今后科學(xué)探究、科學(xué)思維等素養(yǎng)的養(yǎng)成以及生命觀念和社會(huì)責(zé)任的樹立有積極和深遠(yuǎn)的意義。新時(shí)代下，教師應(yīng)從促進(jìn)學(xué)生生命的整體發(fā)展的高度創(chuàng)造條件讓學(xué)生自主發(fā)展與成長(zhǎng)，重視學(xué)生的生命存在感，豐富學(xué)生的思維體驗(yàn)。

下面以“DNA的粗提取與鑒定”為例，進(jìn)行基于實(shí)際問題解決的生物智慧課堂的實(shí)踐與思考?！癉NA的粗提取與鑒定”是人教版生物教科書《選修1·生物技術(shù)實(shí)踐》的課題，也是《普通高等學(xué)校招生全國(guó)統(tǒng)一考試生物科（江蘇卷）考試說明》中列出的高中生物學(xué)選修內(nèi)容之一。該實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生初步嘗試對(duì)植物、動(dòng)物組織中的DNA進(jìn)行粗提取并鑒定，可加深學(xué)生對(duì)DNA的理化性質(zhì)的了解，掌握DNA粗提取與鑒定的原理，可讓學(xué)生體驗(yàn)物質(zhì)層面的生物學(xué)研究所涉及的提取、分離和鑒定等一般的思路和方法，是學(xué)生生物科學(xué)中有關(guān)物質(zhì)提取和鑒定的重要實(shí)驗(yàn)。本課的教學(xué)如果按照“教師先講解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)操作步驟，學(xué)生按要求完成實(shí)驗(yàn)并展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果”的教學(xué)流程展開，學(xué)生只會(huì)按照教材的步驟或老師的要求去操作，出現(xiàn)動(dòng)手不動(dòng)腦的狀態(tài)。這種流于形式的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)無法讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究，束縛了學(xué)生的科學(xué)思維。針對(duì)這種傳統(tǒng)生物實(shí)驗(yàn)課堂的不足，本節(jié)課基于問題解決和智慧教學(xué)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行了生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)滲透的嘗試，具體教學(xué)設(shè)計(jì)如下。

1 教師推送資源，學(xué)生在提出問題，科學(xué)思維中生成實(shí)驗(yàn)原理

對(duì)實(shí)驗(yàn)DNA粗提取涉及的實(shí)驗(yàn)原理，學(xué)生完全陌生。如果教師只是一味的介紹，學(xué)生缺乏科學(xué)思維空間，只能形成知識(shí)機(jī)械的記憶，無法形成深刻認(rèn)識(shí)。教師可以針對(duì)DNA粗提取原理進(jìn)行如下教學(xué)設(shè)計(jì)，先推送以下材料，讓學(xué)生在智慧學(xué)習(xí)平臺(tái)上互動(dòng)討論。

油桃深受消費(fèi)者的青睞，但在果實(shí)成熟期和采后貯藏期間，普遍存在果肉的褐變現(xiàn)象，導(dǎo)致果實(shí)的品質(zhì)和耐貯性下降。果肉的褐變與多酚氧化酶（ PPO）的活性和含量密切相關(guān)。為了解決果肉的褐變問題，科學(xué)家采用現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)手段分離PPO基因，然后用它構(gòu)建反義基因，從而抑制PPO基因的表達(dá)，阻止果肉褐變的發(fā)生。要分離PPO基因首先要得到油桃的基因組DNA。以下是科學(xué)家提取高質(zhì)量的基因組DNA的操作。

①?gòu)挠吞覙渖先￠L(zhǎng)度約為1～3 cm的嫩芽1.0 g，洗凈晾干后，液氮速凍，研磨成粉末（液氮處理的目的：使材料變脆，易于研磨：抑制DNA酶的活性，減少DNA酶的分解）。

②迅速轉(zhuǎn)入4 mL預(yù)熱至700C的物質(zhì)的量濃度為2 mol/L的NaCl溶液中，混合均勻，靜置5 min。（DNA溶于2 mol/LNaCl溶液：蛋白質(zhì)和DNA對(duì)高溫的耐受性不同，一般蛋白質(zhì)變性溫度為65～80℃，DNA的變性溫度一般要在80℃以上，在70℃的溫度下處理可以實(shí)現(xiàn)DNA和蛋白質(zhì)的分離。）

③混合液在7500 r/min禹心5min，取上清液加蒸餾水調(diào)整NaCl溶液濃度至0.14 mol/L，再500 r/min離心5 min，去除上清液（DNA在0.14 mol/LNaCl溶液中溶解度最?。?/p>

④將沉淀移入5 mL離心管中，加1 mL的物質(zhì)的量濃度為2 mol/L NaCl溶液，65℃溫育30 min，以溶解沉淀。

⑤加入0.6倍體積異丙醇，充分混勻，于4℃，5 000 r/min禹心5 min，去除上清液，沉淀用體積分?jǐn)?shù)為95%的酒精漂洗1次（DNA不溶于異丙醇和酒精）。

⑥在沉淀中加入l mL的物質(zhì)的量濃度為2mol/L的NaCI溶液，65℃溫育30 min，再加2倍體積冰冷的體積分?jǐn)?shù)為95%酒精，勾出DNA沉淀。重復(fù)該步驟兩次。沉淀用無水乙醇漂洗3次，晾干。

⑦PCR擴(kuò)增：PPO基因保守區(qū)的特異性擴(kuò)增。

PCR反應(yīng)體系為：基因組DNA500 ng，4種dNTP濃度均為150 pmoVL，PPO基因保守區(qū)5和3端引物各濃度為125 pmol/L，Taq DNA聚合酶1.5 U，特定的PCR反應(yīng)液。

PCR反應(yīng)條件為：94℃預(yù)變性2 mm，94℃下反應(yīng)1 min，然后在60℃下反應(yīng)1 min、70℃下反應(yīng)1.5 min運(yùn)行30個(gè)循環(huán)后，取產(chǎn)物進(jìn)行電泳分析，得到PPO基因，再利用基因工程技術(shù)制成反義PPO基因。

教師在引導(dǎo)學(xué)生分析資料的同時(shí)，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到提取高質(zhì)量的基因組DNA是開展分子生物學(xué)研究工作的基礎(chǔ)，體驗(yàn)到本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的價(jià)值和意義。并啟發(fā)學(xué)生結(jié)合油桃DNA提取過程，自主獨(dú)立思考提取DNA過程中所利用的DNA的理化特性。

智慧課堂為課堂學(xué)習(xí)資源的推送和實(shí)際問題情境的創(chuàng)設(shè)提供了重要支持，并能根據(jù)課堂實(shí)際不斷調(diào)整教學(xué)活動(dòng)和行為，共同建構(gòu)并形成新的信息、資源的動(dòng)態(tài)的過程，以達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

2 交流互動(dòng)，生成建構(gòu)，互動(dòng)交流中共享實(shí)驗(yàn)原理

學(xué)生個(gè)性化的思考和見解可能有失偏頗，教師可以利用智慧教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行互動(dòng)交流，不斷地優(yōu)化和完善。而這種思維的碰撞過程可以由課前延伸到課堂，在課堂中作為重要的生成性教學(xué)資源進(jìn)行設(shè)計(jì)和利用。如，教師可利用智慧教學(xué)平臺(tái)針對(duì)DNA理化性質(zhì)相關(guān)問題，有效實(shí)現(xiàn)學(xué)生之間的交流與互動(dòng)，使學(xué)生分享各自的思考和見解，逐步生成DNA粗提取的各項(xiàng)原理。

智慧課堂能夠及時(shí)捕捉學(xué)生在解決實(shí)際問題的互動(dòng)過程中的生成性信息，同時(shí)，還能夠?qū)⒁徊糠稚尚孕畔⑥D(zhuǎn)化為生成性資源，并通過共享來支持學(xué)生的意義建構(gòu)。

例如，學(xué)生在上述實(shí)際問題的分析中可以生成并共享以下DNA的理化性質(zhì)：

（1）溶解度：

①DNA與蛋白質(zhì)在不同濃度的NaCI溶液中溶解度不同。DNA在NaCl溶液中的溶解度隨著NaCI溶液的濃度的變化而改變。當(dāng)NaCI溶液物質(zhì)的量的濃度為0.14 mol/L時(shí)，溶解度最小。

②DNA不溶于乙醇（尤其冷的乙醇，其凝集效果更佳），但細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)可溶于乙醇。

③DNA不溶于異丙醇。

（2）耐受性：

①一般蛋白質(zhì)變性溫度為65～80℃，DNA的變性溫度一般要在80℃以上。

②洗滌劑可以瓦解細(xì)胞膜，使蛋白質(zhì)變性，對(duì)DNA幾乎不起作用。

③蛋白酶催化蛋白質(zhì)水解，不能催化DNA水解。

3 互助學(xué)習(xí)，展示交流，科學(xué)探究中應(yīng)用實(shí)驗(yàn)原理

將學(xué)生在課堂中自主生成并共享的DNA的理化性質(zhì)作為教學(xué)資源，教師可適時(shí)地給出實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，要求學(xué)生以洋蔥為實(shí)驗(yàn)材料，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室給出的器材和試劑提出1-2種可行的粗提取DNA的實(shí)驗(yàn)操作設(shè)計(jì)，在智學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行展示交流，相互完善，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

學(xué)生會(huì)結(jié)合推送資料的實(shí)驗(yàn)操作，根據(jù)不同的DNA理化性質(zhì)，基于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的器具、材料、試劑設(shè)計(jì)出個(gè)性化的可行的實(shí)驗(yàn)操作步驟，并利用智慧教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行組內(nèi)和組間比較，相互學(xué)習(xí)，相互幫助使實(shí)驗(yàn)步驟的設(shè)計(jì)不斷完善和優(yōu)化。然后，在分組實(shí)驗(yàn)中，各組操作各不相同，各組都期待實(shí)驗(yàn)結(jié)果并利用智慧教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行比較。以下就是不同小組針對(duì)實(shí)驗(yàn)線上交流結(jié)果的整理。

①利用DNA與蛋白質(zhì)在不同濃度的NaCl溶液中溶解度不同：在物質(zhì)的量濃度為2 mol/L的NaCI提取液中緩緩加入蒸餾水，并沿一個(gè)方向輕輕攪拌，出現(xiàn)絲狀物;當(dāng)絲狀物不再增加時(shí)，停止加水（此時(shí)NaCI溶液的物質(zhì)量濃度相當(dāng)于0.14 mol/L）。

②利用DNA不溶于酒精（異丙醇），往該試管中加入1或2倍體積的體積分?jǐn)?shù)為95%的酒精（異丙醇溶液），輕輕振蕩試管，使溶液充分混合。這時(shí)，溶液中可出現(xiàn)大量白色“毛絮狀”（纖維狀黏稠）物，白色“毛絮狀”物即為DNA。

③利用DNA和蛋白質(zhì)在高溫耐受力的差別：將提取液在60-75℃恒溫水浴箱中保溫10 min- 15 min，注意嚴(yán)格控制溫度范圍。

④利用DNA和蛋白質(zhì)在酶處理時(shí)耐受力的差別，嘗試在粗提取液中加入含蛋白酶的嫩肉粉，并在55℃-60℃（嫩肉粉中木瓜蛋白酶最適溫度）處理10-15 min，不僅使蛋白質(zhì)被分解，且高溫能使部分蛋白質(zhì)變性，達(dá)到純化DNA提取物的效果。

⑤利用洗滌劑可以瓦解細(xì)胞膜，使蛋白質(zhì)變性，對(duì)DNA幾乎不起作用。加入1/10體積清潔劑，按一定方向輕搖5 min。清潔劑能夠瓦解細(xì)胞膜，其中含有的SDS（十二烷基硫酸鈉）具有使蛋白質(zhì)變性，與DNA分離的作用，有利于DNA的提取。

4 思維碰撞，拓展提升，落實(shí)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

教師可以將實(shí)驗(yàn)操作過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果以圖片和視頻的方式在智慧平臺(tái)上進(jìn)行展示、分享和反思，有針對(duì)性地進(jìn)行拓展提升。本實(shí)驗(yàn)不同操作方法的提取效果存在一定差異，教師可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行比較和分析。如利用二苯胺鑒定針對(duì)不同操作方法提取的DNA時(shí)顏色深淺不同，教師啟發(fā)學(xué)生思考：可能不同的提取方法在實(shí)驗(yàn)室條件下收集到的DNA量不同。進(jìn)而可以啟發(fā)學(xué)生思考：如果要測(cè)定DNA含量，在實(shí)驗(yàn)過程中如何盡量減少DNA損失？如果要提高DNA純度可以怎么操作？又如何進(jìn)行DNA純度測(cè)定？綜合課堂的各種討論和分析，教師甚至可以拓展到一般的物質(zhì)生物學(xué)研究所涉及的提取、分離、鑒定等通常需考慮的問題和相應(yīng)的處理。

以信息技術(shù)變革課堂空間，教師應(yīng)重組課堂組織與活動(dòng)，再造課堂結(jié)構(gòu)與模式，包括推送學(xué)習(xí)資源，記錄生成性資源并共享，支持可視化成果展示等。本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理讓學(xué)生在體驗(yàn)科研過程中互動(dòng)互助生成，學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行個(gè)性化的操作和展示，通過明晰內(nèi)部機(jī)制、外部推力、學(xué)習(xí)活動(dòng)以及智慧課堂環(huán)境的技術(shù)支持，構(gòu)建了智慧課堂。

基于實(shí)際問題的智慧課堂創(chuàng)設(shè)有助于動(dòng)態(tài)生成的教學(xué)過程，為學(xué)生的互評(píng)、反思和交流提供空間，有效支持資源共享和學(xué)生作品的生成創(chuàng)作，落實(shí)科學(xué)探究、科學(xué)思維等核心素養(yǎng)，提升教學(xué)目標(biāo)，豐富教學(xué)內(nèi)容，再造教學(xué)流程，創(chuàng)生附加價(jià)值，重塑課堂生態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

陳桂信，呂柳新，賴鐘雄，等.基因組DNA的提取與純化[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26（3）：330-333.