核心素養(yǎng)視域下的“DNA的粗提取與鑒定”實驗創(chuàng)新與科學(xué)思維培養(yǎng)

（南京市金陵中學(xué) 江蘇南京 210000）

生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任4個方面，在《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）中科學(xué)思維有明確的定義，是指尊重事實和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實的求知態(tài)度，運用科學(xué)的思維方法認(rèn)識事物、解決實際問題的思維習(xí)慣和能力。《課程標(biāo)準(zhǔn)》中“DNA的提取和鑒定”實驗內(nèi)容，是在《選擇性必修模塊3·生物技術(shù)與工程》中需要開展的教學(xué)活動。學(xué)生通過提取植物或動物組織中的DNA，獲得對于遺傳物質(zhì)DNA的感性認(rèn)識，達(dá)成對概念5“基因工程是一種重組DNA技術(shù)的理解”，加深對“基因工程賦予生物新的遺傳特性”這一重要概念的理解，從而提升學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

生物學(xué)的研究經(jīng)歷了從現(xiàn)象到本質(zhì)、從定性到定量的發(fā)展過程。在實驗教學(xué)中，教師可以通過尋找課題中的探究性、創(chuàng)新實驗來培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。在“DNA的粗提取與鑒定”實驗中，教材上提供了詳細(xì)的實驗設(shè)計，但對實驗材料、實驗方法都沒有作出具體的規(guī)定，給學(xué)生留下了很大的思考空間。教師可以此作為探究的課題，引導(dǎo)學(xué)生去思考：不同實驗材料采用同一種實驗方法提取出的DNA的量有何差異？相同的實驗材料選用不同的實驗方法又會得到怎樣的實驗結(jié)果？二苯胺法鑒定DNA時，為何會出現(xiàn)藍(lán)色深淺的不同？……教師從而將“DNA粗提取與鑒定”這個定性實驗轉(zhuǎn)化成定量實驗，并通過這種轉(zhuǎn)化，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力。

由于定性實驗通常有明確的實驗步驟和結(jié)果，學(xué)生往往按部就班進(jìn)行操作，觀察到預(yù)期實驗結(jié)果之后便算完成了任務(wù)。課堂看起來井然有序，但實際限制了學(xué)生思維的發(fā)展。而在本實驗中，實驗材料和實驗方法都有多種選擇，教師應(yīng)為學(xué)生提供足夠的實驗條件，鼓勵學(xué)生自己在熟悉教材的基礎(chǔ)上進(jìn)行實驗設(shè)計，大膽實驗，并對不同的實驗結(jié)果進(jìn)行分析和比較，嘗試找出適合用于“DNA的粗提取與鑒定”實驗的最佳實驗材料和實驗方法，也可以具體探究某一種因素對實驗結(jié)果產(chǎn)生怎樣的影響等。

定量的分析可讓學(xué)生對此實驗有更加理性的認(rèn)識，也能更加科學(xué)地分析實驗結(jié)果，反思自己在實驗中還存在的不足之處，從而對該實驗做進(jìn)一步的完善和改進(jìn)。學(xué)生在此過程中加深了對于本實驗原理和步驟的理解，同時也可訓(xùn)練自身的實驗技能和探究思維。在實踐中，教師對生物實驗的操作過程進(jìn)行新的思考和改進(jìn)，不僅可以激發(fā)學(xué)生對于生物學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣，更能有效提高學(xué)生的科學(xué)探究技能，從而達(dá)到對核心素養(yǎng)的滲透和培養(yǎng)，在潛移默化中發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力。

1 材料與方法

植物材料選擇花菜、香蕉、獼猴桃、豌豆苗。CTAB DNA提取緩沖液含100 mmol·L-1Tris-HCl（pH為8.0），物質(zhì)的量濃度為1.4 mol·L-1的NaCl溶液，物質(zhì)的量濃度為20mmol·L-1的 EDTA溶液（pH8.0），質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的CTAB溶液（用前在提取液緩沖液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的PVP溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的β-巰基乙醇溶液）。

采用CTAB法提取花菜的DNA做標(biāo)準(zhǔn)曲線，二苯胺法鑒定DNA。核酸蛋白儀鑒定DNA純度：核酸類物質(zhì)在紫外區(qū)260 nm處有最高吸收峰，230 nm處有最低吸收峰，而蛋白質(zhì)則是在280 nm處具有強(qiáng)吸收峰，純DNA的A260/A280的比值約為1.8，A260/A230的比值約為2.0。取DNA提取液5 μL，核酸蛋白儀上直接測定其濃度和純度，每個樣品重復(fù)3次。

標(biāo)準(zhǔn)蛋白溶液濃度為10 mg·mL-1，用牛血清白蛋白配制，取6支試管，分別加入0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL的蛋白溶液，用水補(bǔ)足到1 mL，加入1 mL雙縮脲試劑，充分搖勻后，在室溫下放置30 min，于A540 nm處測定吸光度值，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 DNA濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線制作

花菜是“DNA的粗提取與鑒定”實驗中常選用的植物材料。通過CTAB法提取含雜質(zhì)較少、較為純凈的花菜DNA，用二苯胺試劑進(jìn)行鑒定，并制作DNA濃度與吸光度的關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)曲線。

稱取15 g剪碎的花菜，加入20 mL提取液。采用CTAB法提取其DNA，并將提取物溶于1 mL蒸餾水中。多次提取后，將DNA提取液混合，在核酸蛋白儀上測定其濃度和純度。將提取液稀釋配成1 000 μg·mL-1的DNA標(biāo)準(zhǔn)液，設(shè)置不同的濃度梯度，并用二苯胺試劑在沸水浴的條件下進(jìn)行鑒定，測定每一個試管中溶液的吸光度值（表1）。

表1 二苯胺鑒定不同濃度DNA

從表1可以看出，隨著DNA濃度的上升，A595 nm處的吸光度值也不斷升高。說明在一定濃度范圍內(nèi)，藍(lán)色的深淺與DNA濃度成正比關(guān)系，DNA濃度與吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線為y=0.000 8x+0.001 1（R2=0.991 8）。

2.2 蛋白質(zhì)濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線制作

用牛血清白蛋白配成10 mg/mL的標(biāo)準(zhǔn)蛋白溶液。設(shè)置不同的濃度，在室溫下與雙縮脲試劑反應(yīng)30 min，觀察顏色變化，并于A540 nm處測得其吸光度值（表2），繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

表2 雙縮脲試劑測定不同濃度蛋白質(zhì)

從表2中可以看出，隨著蛋白質(zhì)溶液濃度的不斷提高，與雙縮脲試劑發(fā)生反應(yīng)時，紫色也由淺入深。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液濃度為10 mg·mL-1時，紫色最深。隨著蛋白溶液濃度的升高，在A540 nm處的吸光度值也不斷升高。說明在一定濃度范圍內(nèi)，紫色的深淺與蛋白濃度呈正比關(guān)系y=0.075 2x+0.005 9（R2=0.983 3）。

2.3 三種不同植物材料DNA提取比較

選用香蕉、獼猴桃、豌豆苗3種植物材料作為實驗材料。去皮的香蕉果實、獼猴桃果實鮮重30 g，豌豆苗葉片鮮重10 g，分別加入20 mL提取液進(jìn)行DNA粗提取，將提取物加入1 mL蒸餾水溶解。用核酸蛋白儀對提取物濃度及純度進(jìn)行測定。

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，每克豌豆苗葉片中提取出的DNA含量比其他兩種材料高。同時，三種材料提取液A260/A280的比值都小于1.8，說明提取液中存在一些蛋白質(zhì)或酚類物質(zhì)污染。

表3 三種植物材料提取物濃度及純度

按比例稀釋提取液，加入二苯胺試劑分別進(jìn)行鑒定，于A595 nm處測定其吸光度值（表4）。

表4 二苯胺試劑測定不同植物材料提取液

對應(yīng)上述標(biāo)準(zhǔn)曲線計算DNA濃度，并與核酸蛋白儀所測得數(shù)據(jù)比較見表5。

表5 DNA含量與實際含量對比

從表4、5中可以看出，豌豆苗實際濃度和標(biāo)準(zhǔn)曲線對應(yīng)濃度相差較小，而香蕉和獼猴桃測出的吸光度值過高，差異較大，不符合標(biāo)準(zhǔn)曲線。多次實驗過程中，香蕉和獼猴桃在用二苯胺試劑進(jìn)行鑒定時，即使提取出的DNA濃度較低，也會出現(xiàn)較為深的藍(lán)黑色或紫黑色。而在對香蕉和獼猴桃提取液的進(jìn)一步電泳分析中發(fā)現(xiàn)，提取出的DNA發(fā)生了斷裂降解。水果果肉中富含多糖、多酚類物質(zhì)和一些次生代謝物質(zhì)，它們的存在往往會對DNA提取造成一些影響。一些多酚類物質(zhì)會把DNA氧化成棕褐色，而多糖會與DNA結(jié)合成黏稠的膠狀物。初步推測可能是由于某些次生代謝物質(zhì)發(fā)生了氧化斷裂或者是二苯胺試劑與斷裂的DNA片段發(fā)生了更劇烈的反應(yīng)，從而導(dǎo)致了香蕉和獼猴桃提取鑒定過程中出現(xiàn)了較大的誤差。

DNA提取液中往往存在蛋白質(zhì)的污染，加入雙縮脲試劑進(jìn)行鑒定，于A540 nm處測定吸光度值（表6）。

表6 雙縮脲試劑測定不同植物材料提取液

對應(yīng)上述標(biāo)準(zhǔn)曲線求得蛋白質(zhì)濃度，并與核酸蛋白儀測得數(shù)據(jù)比較見表7。

表7 蛋白質(zhì)含量與實際含量對比

從表6、7中可以看出，加入雙縮脲試劑后，三種提取液中均發(fā)生了紫色反應(yīng)，說明提取液中含有較多的蛋白質(zhì)?？赏ㄟ^進(jìn)一步提純?nèi)コ鞍踪|(zhì)，獲得較為純凈的DNA。

3 討論

DNA的粗提取與鑒定實驗在高中生物實驗中占有非常重要的地位?？茖W(xué)的不斷發(fā)展使得人們對生物體的研究早已到了核酸和蛋白質(zhì)的分子水平?！癉NA的粗提取與鑒定”實驗為學(xué)生揭開了遺傳物質(zhì)DNA的神秘面紗，對于學(xué)生理解“基因工程賦予生物新的遺傳特性”這一重要概念有很大的影響。在教學(xué)中，教師可以鼓勵學(xué)生對采用多種實驗方法進(jìn)行對比分析，從而找出操作簡單、效果較好的實驗方法。學(xué)生是教學(xué)活動中的主體，教師要有意識訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)造性思維，以課本知識為基礎(chǔ)，依據(jù)高中學(xué)生的認(rèn)知水平，給學(xué)生自主探索和創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)的機(jī)會。通過自主設(shè)計實驗過程，學(xué)生加深對該實驗步驟和原理的了解，拓展了思維，在完善實驗流程中訓(xùn)練思維的縝密性。

在DNA的粗提取與鑒定實驗教學(xué)中，如何提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)非常關(guān)鍵。從定性實驗到定量實驗的改進(jìn)，教師需要在實驗的每個環(huán)節(jié)進(jìn)行多次的完善和創(chuàng)新，找出實驗中值得探究的地方。教師可在定性的基礎(chǔ)之上加入定量分析、半定量分析，如在DNA提取、鑒定之后，引入DNA含量和蛋白質(zhì)含量測定實驗，將實驗進(jìn)一步進(jìn)行深化，將教材中的驗證性實驗、結(jié)論性實驗優(yōu)化為探究性實驗，滿足不同的學(xué)生需求，如圖1所示。同時，要著重從中學(xué)的實驗條件和學(xué)生的認(rèn)知水平方面考慮，在改進(jìn)的過程中發(fā)展學(xué)生的思維能力。從自主選擇實驗材料、設(shè)計實驗流程到最后的運用所學(xué)知識設(shè)計測定DNA濃度和蛋白質(zhì)濃度的實驗，學(xué)生在整個過程中有很大的自主空間和思考空間。不同于對照書本步驟進(jìn)行實驗操作，學(xué)生學(xué)習(xí)方式發(fā)生了轉(zhuǎn)變，從主動學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)生物學(xué)科的樂趣，體會生物實驗必須遵循的原則和嚴(yán)謹(jǐn)性。

教師在教學(xué)活動中應(yīng)有意識地鍛煉學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，學(xué)生掌握了這些技能后在生活和學(xué)習(xí)中應(yīng)用，從而達(dá)到提高生物核心素養(yǎng)的目標(biāo)，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。