核心素養視域下的“DNA的粗提取與鑒定”實驗創新與科學思維培養

（南京市金陵中學 江蘇南京 210000）

生物學學科核心素養包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任4個方面，在《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課程標準》）中科學思維有明確的定義，是指尊重事實和證據，崇尚嚴謹和務實的求知態度，運用科學的思維方法認識事物、解決實際問題的思維習慣和能力。《課程標準》中“DNA的提取和鑒定”實驗內容，是在《選擇性必修模塊3·生物技術與工程》中需要開展的教學活動。學生通過提取植物或動物組織中的DNA，獲得對于遺傳物質DNA的感性認識，達成對概念5“基因工程是一種重組DNA技術的理解”，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，從而提升學生的生物學學科核心素養。

生物學的研究經歷了從現象到本質、從定性到定量的發展過程。在實驗教學中，教師可以通過尋找課題中的探究性、創新實驗來培養學生的科學思維。在“DNA的粗提取與鑒定”實驗中，教材上提供了詳細的實驗設計，但對實驗材料、實驗方法都沒有作出具體的規定，給學生留下了很大的思考空間。教師可以此作為探究的課題，引導學生去思考：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果？二苯胺法鑒定DNA時，為何會出現藍色深淺的不同？……教師從而將“DNA粗提取與鑒定”這個定性實驗轉化成定量實驗，并通過這種轉化，培養學生的探究能力。

由于定性實驗通常有明確的實驗步驟和結果，學生往往按部就班進行操作，觀察到預期實驗結果之后便算完成了任務。課堂看起來井然有序，但實際限制了學生思維的發展。而在本實驗中，實驗材料和實驗方法都有多種選擇，教師應為學生提供足夠的實驗條件，鼓勵學生自己在熟悉教材的基礎上進行實驗設計，大膽實驗，并對不同的實驗結果進行分析和比較，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果產生怎樣的影響等。

定量的分析可讓學生對此實驗有更加理性的認識，也能更加科學地分析實驗結果，反思自己在實驗中還存在的不足之處，從而對該實驗做進一步的完善和改進。學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行新的思考和改進，不僅可以激發學生對于生物學科的學習興趣，更能有效提高學生的科學探究技能，從而達到對核心素養的滲透和培養，在潛移默化中發展學生的科學思維能力。

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），物質的量濃度為1.4 mol·L-1的NaCl溶液，物質的量濃度為20mmol·L-1的 EDTA溶液（pH8.0），質量分數為2%的CTAB溶液（用前在提取液緩沖液中加入質量分數為2%的PVP溶液、質量分數為2%的β-巰基乙醇溶液）。

采用CTAB法提取花菜的DNA做標準曲線，二苯胺法鑒定DNA。核酸蛋白儀鑒定DNA純度：核酸類物質在紫外區260 nm處有最高吸收峰，230 nm處有最低吸收峰，而蛋白質則是在280 nm處具有強吸收峰，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3次。

標準蛋白溶液濃度為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，繪制標準曲線。

2 結果與分析

2.1 DNA濃度標準曲線制作

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法提取含雜質較少、較為純凈的花菜DNA，用二苯胺試劑進行鑒定，并制作DNA濃度與吸光度的關系標準曲線。

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標準液，設置不同的濃度梯度，并用二苯胺試劑在沸水浴的條件下進行鑒定，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，藍色的深淺與DNA濃度成正比關系，DNA濃度與吸光度標準曲線為y=0.000 8x+0.001 1（R2=0.991 8）。

2.2 蛋白質濃度標準曲線制作

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

表2 雙縮脲試劑測定不同濃度蛋白質

從表2中可以看出，隨著蛋白質溶液濃度的不斷提高，與雙縮脲試劑發生反應時，紫色也由淺入深。當蛋白質溶液濃度為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，紫色的深淺與蛋白濃度呈正比關系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行測定。

從表3中數據可以看出，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或酚類物質污染。

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

對應上述標準曲線計算DNA濃度，并與核酸蛋白儀所測得數據比較見表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準曲線對應濃度相差較小，而香蕉和獼猴桃測出的吸光度值過高，差異較大，不符合標準曲線。多次實驗過程中，香蕉和獼猴桃在用二苯胺試劑進行鑒定時，即使提取出的DNA濃度較低，也會出現較為深的藍黑色或紫黑色。而在對香蕉和獼猴桃提取液的進一步電泳分析中發現，提取出的DNA發生了斷裂降解。水果果肉中富含多糖、多酚類物質和一些次生代謝物質，它們的存在往往會對DNA提取造成一些影響。一些多酚類物質會把DNA氧化成棕褐色，而多糖會與DNA結合成黏稠的膠狀物。初步推測可能是由于某些次生代謝物質發生了氧化斷裂或者是二苯胺試劑與斷裂的DNA片段發生了更劇烈的反應，從而導致了香蕉和獼猴桃提取鑒定過程中出現了較大的誤差。

DNA提取液中往往存在蛋白質的污染，加入雙縮脲試劑進行鑒定，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

對應上述標準曲線求得蛋白質濃度，并與核酸蛋白儀測得數據比較見表7。

表7 蛋白質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，三種提取液中均發生了紫色反應，說明提取液中含有較多的蛋白質。可通過進一步提純去除蛋白質，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。科學的不斷發展使得人們對生物體的研究早已到了核酸和蛋白質的分子水平。“DNA的粗提取與鑒定”實驗為學生揭開了遺傳物質DNA的神秘面紗，對于學生理解“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。在教學中，教師可以鼓勵學生對采用多種實驗方法進行對比分析，從而找出操作簡單、效果較好的實驗方法。學生是教學活動中的主體，教師要有意識訓練學生的創造性思維，以課本知識為基礎，依據高中學生的認知水平，給學生自主探索和創新發現的機會。通過自主設計實驗過程，學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練思維的縝密性。

在DNA的粗提取與鑒定實驗教學中，如何提高學生的生物學學科核心素養非常關鍵。從定性實驗到定量實驗的改進，教師需要在實驗的每個環節進行多次的完善和創新，找出實驗中值得探究的地方。教師可在定性的基礎之上加入定量分析、半定量分析，如在DNA提取、鑒定之后，引入DNA含量和蛋白質含量測定實驗，將實驗進一步進行深化，將教材中的驗證性實驗、結論性實驗優化為探究性實驗，滿足不同的學生需求，如圖1所示。同時，要著重從中學的實驗條件和學生的認知水平方面考慮，在改進的過程中發展學生的思維能力。從自主選擇實驗材料、設計實驗流程到最后的運用所學知識設計測定DNA濃度和蛋白質濃度的實驗，學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行實驗操作，學生學習方式發生了轉變，從主動學習中發現生物學科的樂趣，體會生物實驗必須遵循的原則和嚴謹性。

教師在教學活動中應有意識地鍛煉學生科學思維和科學探究能力，學生掌握了這些技能后在生活和學習中應用，從而達到提高生物核心素養的目標，促進學生的全面發展。