在實驗教學中發展學生核心素養
——“DNA粗提取與鑒定”實驗教學設計與實施

姚 燕（南京市第五高級中學 江蘇南京 210004）

生物學核心素養涵蓋生命觀念、科學思維、科學探究、社會責任4 個方面，更加強調學生親自參與和實踐的過程，注意對學生正確價值觀念、必備品格和關鍵能力的培養［1］。 實驗教學是促成學生達成生物學核心素養的重要支撐。

1 實驗內容分析

“DNA 的粗提取和鑒定”是高中生物學中分子生物學水平的實驗，安排在人教版《選修1·生物技術實踐》專題5“DNA 和蛋白質技術”中。本實驗目標是通過嘗試對植物或動物組織中的DNA進行粗提取，了解DNA 的理化性質，理解DNA 粗提取及鑒定的原理，為基因工程技術知識提供感性認識。 本模塊強調：以學生為主體，運用已有知識和證據，通過實驗設計和操作實踐，學習科學探究。 但是該實驗背景知識多，操作復雜，取材不便［2］，成功率低，難以在一節課內完成實驗。 筆者在高三一輪復習實驗教學中創設新情境，通過學生小組自主合作探究，設計優化實驗，最終探索出課堂最佳實驗材料和方法。 學生通過主動參與學習過程，激發對生物學的興趣，養成理性思維的習慣，形成積極的科學態度，發展終身學習的能力。

2 實驗教學設計

2.1 教學思路 教材中詳細介紹了動、 植物細胞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，實驗方法選擇和優化是關鍵。 由于是一輪復習，學生已經對細胞結構、DNA 的理化性質及鑒定方法有所了解。 以小組預實驗的方式探究課堂最佳實驗材料和方法，分層推進解決實驗難點。 課堂分組實驗并討論，課后探究實踐，進一步鞏固教學目標。

2.2 教學方案 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，同時在課前進行預實驗。 學生課前梳理實驗具體步驟： 破碎細胞—獲得含DNA 的濾液—去除濾液中的雜質—DNA 的析出—DNA 的鑒定。實驗中引導學生比較不同破碎細胞方法，定量探究不同材料和方法提取DNA 的效果，學會比較遷移，培養理性思維設計實驗。 以探究為特點的教學不僅會直接影響核心素養中“科學思維”“科學探究”的落實，也會間接影響另外2 個核心素養的達成。

2.3 教學流程

圖1 實驗教學流程

3 實驗教學組織

3.1 組建小組，引導探究 教師只提供必要的理論支持和實驗條件，指導探究活動，同時通過問題引導探究：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，會對實驗結果產生怎樣的影響？ 5）釋放的DNA還會有哪些雜質？ 如何進一步去除雜質？ 6）哪些材料提取DNA 效果好又省時？學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），能夠裂解細胞膜，使蛋白質變性，利于蛋白質和DNA 的分離。 如果在研磨時加入適量的洗滌劑，既促進DNA 釋放，又有助DNA 提取。 另外根據酶解法，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，并設計表格1 進行實驗，結果如下。

表1 不同植物實驗材料DNA 提取情況比較

3.2.2 釋放DNA ①取等質量4 種植物材料，剪碎置于研缽中。 ②加入相應處理試劑（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（結果見表1）。

3.2.5 實驗結果分析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或果膠等其他雜質（之后學生用雙縮脲鑒定白色絮狀物，果然呈紫色），加入嫩肉粉后，利用酶解雜質蛋白質，純化了DNA 提取物。而之后的鑒定結果表明，所有試管均呈藍色，成功提取到DNA。 所有材料加入嫩肉粉組藍色稍深，嫩肉粉能有效去除部分雜質，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，效果明顯等優點具有較大優勢。

此時，有學生提出，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胞？學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胞。 有的學生提出使用塑封袋揉擠的方法破碎細胞會更為便捷（圖2）。 設計實驗如表2，以此探究同一材料不同提取方法在提取產量上的差異。

表2 用香蕉提取DNA 不同提取方法比較

3.2.6 實驗結果及分析2 從鑒定結果看（圖3），4組實驗均能成功提取DNA。4 號組藍色最深，提取DNA 量具有絕對的優勢，學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有關。 其他幾管相比，3 號組加入嫩肉粉組藍色較為明顯，2 號組加入二氧化硅組呈現的淺藍偏黃，學生分析這和提取物中還含有其他雜質有關。

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。

3.3 動物材料的預實驗探究

3.3.1 取材和方法 通過查閱文獻和初中實驗啟發，動物探究小組打算選取雞血和口腔上皮細胞作為提取材料。 獲取口腔上皮細胞的方法除了書本提供吸水漲破的方法，學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，洗滌劑是否也能應用到動物細胞DNA 的提取，幫助破碎細胞膜使DNA 更快地析出？ 設計實驗如表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）獲取口腔上皮細胞：在獲取之前先用清水漱口減少雜質，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壁上皮細胞接觸，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：沿燒杯內壁，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 雞血和口腔上皮細胞析出絲狀物情況

4）鑒定DNA：方法同植物組（結果見圖5）。

圖5 雞血和口腔上皮細胞提取DNA 鑒定情況

3.3.3 實驗結果及分析 從各組絲狀物析出和鑒定情況看，雞血組和口腔上皮細胞高鹽溶液處理組成功提取相應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，雞血組用時長達十幾小時，而且需要眾多步驟，而選取口腔上皮細胞，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，選取口腔上皮細胞，利用高鹽溶液加入洗滌劑的提取方法在課堂進行實驗具有較強優勢。

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，采用口腔上皮細胞提取則只要5～7 min。 這樣大部分學生2 個實驗在一節課均能完成，還有時間進行動、 植物DNA 提取的比較總結及實驗優化探討。 小組交流，班級展示。 通過這節課的實踐操作，學生發現植物DNA 在提取時需要增加研磨和過濾等步驟以充分破碎細胞，而動物細胞析出DNA 則簡單的多。從學生的總結中不僅看到了動、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，極大地激發了探索生命奧秘的興趣，達成了教學目標。

3.5 課后繼續探究 課后學生以小組為單位開展校本課程子課題，進行后續探究。 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系，在課堂探究實驗的基礎上指導學生以個人為單位，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。學生紛紛表示能夠將自己的DNA 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（包括設計原理、思路、實驗過程、結果及分析）。 教師對學生的自主合作、 情感體驗、探究思考、討論互評等行為觀察并及時給予評價。 學生尋求提取DNA 的適合材料和方法正是基于能夠應用生物結構和功能相適應的生命觀念（素養1）。學生在實驗過程中能夠觀察、發現并分析問題，運用演繹推理和創造性思維設計并實施實驗表明科學思維（素養2）和科學探究（素養3）能力的落實情況。 學生能夠成功制作DNA 飾品則將科學、技術和社會相聯系（素養4）。

4 教學反思

4.1 創設情境，形成生命觀念 生物學核心素養在課堂中的“生根發芽”，需要教師觀念和措施上的轉變，需要學生知識和技能的習得，更需要過程的體驗和感悟。 DNA 是大多數生物的遺傳物質，這是生物學重要的核心概念。 本實驗設計通過自主、合作、探究的教學方式，課前的預實驗，呈現出高度的開放性、靈活性和探究性。改進后的實驗無需課前繁瑣的準備，人人動手參與，省時省力，學生的興趣大大增強。 學生通過主動參與學習過程，感悟DNA 這一微觀物質的存在和特性，由此產生對自然和生命的敬畏和尊重。

4.2 比較遷移，培養理性思維 在實驗中通過查閱文獻和比較遷移，選擇不同實驗材料和方法，改進并優化相關藥品試劑的使用。 例如二苯胺試劑的改進，大幅度增加了濃硫酸的比例，水浴時間5 min 即能逐漸看到藍色，效果明顯。 試劑配制方法改為：15 mL 濃硫酸沿燒杯內壁緩慢倒人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］。此外發現鑒定DNA 時，二苯胺溶液容易被氧化變質，應現配現用。 沸水浴后待靜置冷卻一段時間后藍色更為明顯。又例如洗滌劑的使用改進，這一試劑通常使用在植物材料提取DNA 中，本實驗創造性地將該原理遷移到動物細胞釋放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 自主設計，提升科學探究能力 本實驗設計，鍛煉了學生的邏輯思維能力，增強設計實驗能力。 同時改進實驗步驟，改進之后只需要研磨、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胞的步驟中，直接加入高鹽溶液，使DNA 與蛋白質分離，并且吸附更多的DNA 分子與鈉離子結合，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。這一步省略教材中再次溶解等重復操作，達到簡化步驟的目的。讓學生體驗科學實驗探究的同時也體會到實驗成功后的喜悅。

4.4 結合實踐，樹立社會責任感 用發現的眼光從生活中取材，注重與生活的聯系。 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 的提取量和穩定性，提高了實驗成功率。同時在課后的繼續探究，用課題的形式組織探究活動，有利于進一步鞏固學生科學思維和科學探究的素養形成。 個人在家制作DNA 飾品，不僅能夠進一步提升動手能力，學以致用，更重要的是使學生樹立關愛自己、珍愛生命的社會責任感。