設計家庭科學實驗“水果DNA粗提取”

◇陳 芊 何佳穎 彭龍云 導師：許德富（四川：四川樂山師范學院教育科學學院）

從19 世紀末開始，科學的迅猛發展使人類的生活方式、價值觀念、知識素養都發生了翻天覆地的改變，也為世界創造了巨大的物質財富。人們開始日益重視科學。科學地位的提高，也為科學教育的發展鋪就了墊腳石。科學本身散發著的獨特魅力，吸引著探索世界萬物的學生。

學生的好奇心是與生俱來的，從小就會對自己身邊的科學現象十分感興趣，如：為什么樹葉會變黃？為什么白醋和白開水一模一樣卻是酸的，能發出刺鼻的味道？人是怎么來的？先有雞，還是先有蛋？學生的天性就像科學家一樣，喜歡提問、思考、動手做，對周圍的一切事物都興趣十足，想一探究竟。因此，科學教育就成了學生解開萬物之謎的一把鑰匙，而科學實驗又是科學教育的基礎。

一、開展家庭科學實驗的意義

（一）對課堂教學的補充與延伸

1.對科學課堂教學的延伸

校內科學實驗課程時間有限，家庭科學實驗極大地彌補了在學校科學實驗課上未完成的教學知識。體現在家庭科學實驗的內容，讓學生復習了科學實驗課的教學內容，并延伸了一些課外知識或更深層次內容。

2.對實驗教學的有效補充

首先，家庭科學實驗與學生的日常生活密切相關，它的開展有利于引導學生學習，體驗與感知在課堂上不能親身體驗的科學現象以及日常生活中有趣的科學知識。其次，家庭科學實驗能有效地培養學生的自主動手能力、自主創新能力、自主學習能力。它還能將我們日常認為“高大上”的科學奧秘帶到生活中，提升科學的親和力。

因此，開展家庭科學實驗，既要引導學生自主實驗和觀察，又要盡可能地挖掘知識的深度。

（二）促進學生將科學與生活聯系起來

科學與生活是密不可分的，科學來源于生活，生活中創造科學。家庭科學實驗，用到的材料都是十分常見的生活用品，如洗潔精、小蘇打、色素、牙簽等等。學生用自己身邊的東西，就能感受到科學無限的魅力。除此之外，用家中常見的物品開展科學實驗，不僅能讓學生學到科學知識，還能影響到自己身邊的人，能讓爺爺奶奶等老一輩的人重新接觸科學知識，一舉多得。這正是我們大力提倡家庭科學教育的初衷所在。

（三）有利于培養學生的創新精神和實踐能力

素質教育以培養學生的創新精神和實踐能力為目標，對小學生來說，由于先天條件的和后天家庭環境、學習環境等的不同，思維方式也略有不同。在生活中，當學生有新的想法時，因為表達能力以及年齡的原因，存在被家長忽略或者認為是頑皮的情況，而學生迸發出新的主意和新的想法，是值得肯定的。

進行家庭科學實驗時，學生提出新的問題，也是一種創新。例如，當學生觀察到玻璃是透明的，而其他物體不是透明的，詢問為什么的時候，家長卻不以為然，即使注意到了，但因為不明白原因而回答不上來，因而選擇了忽略。在家進行科學實驗時，學生有充足的時間去觀察實驗材料，如從發現雞蛋是橢圓的，到雞蛋殼是硬的而且還有許多小坑，在實踐中用手去觸摸和用眼觀察的過程中，能鍛煉學生的實踐能力，在實踐中探索知識。

二、“水果DNA粗提取”家庭科學實驗的設計

如何能夠用一些方便、簡單的材料，在家就能做科學實驗，探索科學的秘密，是我們一直在思考和探索的問題。家庭科學小實驗的提出，為學生創造了一片科學的天地，引導他們探索科學知識，進入科學的世界。

筆者以“粗提取水果中的DNA”為例，引導學生在家中，用一些簡單的材料，就能與科學碰撞出不一樣的火花。

（一）一起認識DNA

在小學教學中，將DNA 的概念引入課題并非易事，因為學生在日常生活中并不能意識到細胞、DNA 等物質的存在，并且他們也不可能用感官去接觸這些東西，因而很難理解這些生物學的知識。但如果他們缺乏DNA 等方面的知識，就很難理解生物技術等科技知識。因此，為了跟上時代的步伐，滿足學生強烈的好奇心，在小學階段加入DNA等方面的生物科學知識，是十分必要的。

為了幫助小學生簡單地理解DNA 的概念，我確立了如下教學思路。

1.抽象化具體

分小組，每個小組照著不同的食譜，制作一個蛋糕。以不同的食譜會做出不同的蛋糕為比喻，引導學生認識到每個人的DNA 都不同，DNA 就像食譜一樣，決定著人的不同特征。每個人都有屬于自己的食譜，因此每個人的相貌都不相同。

DNA 對小學生來說是十分抽象的，看不見、摸不著。用蛋糕來比作DNA，將抽象轉化為一個具體的事物，能夠使學生易于理解DNA的概念。

2.具體化抽象

找每個人的不同。教師選擇三位學生為模特，讓其余學生發現他們的不同，如性別、眼睛、鼻子、耳垂等，引導其認識到DNA 分布于我們人體的不同部位，我們身體的各種特征都是由DNA控制的。

3.跟細胞打交道

創設情境，以一個房子內不同的組成部分比作人體的器官，將砌房子的磚比作細胞，讓學生認識到人是由很多細胞組成的，DNA 存在于細胞中，介紹細胞的結構。讓學生自己制作一個細胞模型，使其更加深刻直觀地認識細胞。

4.知識延伸

學生認識了人是由DNA 和細胞組成的，每個人都有不同的特征，世界上不可能存在完全一模一樣的兩個人。聯系到植物、水果等有生命的東西，都是同樣的道理，世界上不可能存在完全一模一樣的植物、水果。認識植物和水果等也是由DNA 和細胞組成的，DNA控制著它們的形態特征。

（二）粗提取水果DNA

學生認識了DNA 后，一定很好奇真實的DNA到底是長什么樣子的。我們利用家庭中簡單的實驗材料，就能提取水果的DNA，讓學生真實直接地接觸DNA。能夠充分激發學生對科學的興趣，感受科學的魅力，并且提升其科學素養。

1.實驗材料的選取

我們選取的水果為草莓、香蕉、獼猴桃。任何水果都可以提取DNA，但是選擇草莓主要是因為其“八倍體”的特征，每個草莓細胞中有8 份基因組，選取香蕉，是因為香蕉與人類的基因相似度高達50%，能夠更加直觀地感受DNA；選取獼猴桃是因為獼猴桃被稱為“水果之王”含有豐富的營養物質，其基因非常值得我們研究。

我們要用到的實驗材料有鹽、洗潔精、冰酒精，本次實驗我還增加了菠蘿汁。

2.實驗步驟及原理

從植物細胞的結構來看，我們要提取DNA，首先要攻破細胞壁、細胞膜、核膜，最后抵達細胞核中，提取細胞核中的DNA。

將水果搗碎攪拌。搗碎水果主要是物理破壞細胞壁，攪拌的作用是盡可能多地將水果細胞暴露。有條件，還可以將水果先在冰箱中冷凍，冷凍過的水果細胞壁能被冰晶破損，提取效果更好。

加鹽。在搗碎的水果中，加鹽攪拌，混合均勻，可加適量清水。食鹽中的鈉離子和氯離子可以中和DNA 上的電荷，使其在后續提取中，更易沉淀出來。

加洗潔精、菠蘿汁。在所得懸液中加入5～10毫升洗潔精和幾滴菠蘿汁，輕輕攪拌混合均勻，可靜置10 分鐘，后用濾網過濾。物理破壞細胞壁后，我們要攻破細胞膜和核膜。細胞膜和核膜的主要成分都是脂質，洗潔精中的表面活性劑可以破壞這一結構，將細胞核中的DNA釋放于溶液中。

在原有實驗的基礎上，我新增了加入菠蘿汁，因為菠蘿汁中的菠蘿蛋白酶可以進一步地將與DNA 緊密結合的蛋白質消化掉，讓實驗結果更明顯。

加冰酒精。在濾液中沿器壁緩慢倒入事先冷藏好的酒精，靜置觀察，會發現酒精和濾液的明顯分層現象，在兩種液體的交界處，有大量的白色絮狀物產生，這就是沉淀的DNA，并在浮力的作用下，上升到酒精層的表面。這就是提取的水果DNA。

DNA 是極性分子，酒精是非極性分子。根據“相似相溶”的原理，DNA 可以溶于水，但難溶于酒精，因此會在高濃度的酒精中相互吸附形成沉淀。酒精在使用之前冷藏是為了進一步降低DNA 的溶解度，獲得更多的沉淀。

（三）水果也有DNA

研究發現，人體的基因構造為30 多億堿基對，其中只有0.1%是完全屬于自己的，其余99.9%的部分，都是與其他人共享的。簡而言之，無論你認不認識對方，你們體內的基因重復率，都高達99.9%。例如，如果將人類體內30多億堿基對都編寫成一本書，這本書的頁數大約是27 萬頁，其中真正屬于你的頁數不到500頁。

當然，除了人類與人類之外，我們與地球上大部分生物都共享基因。研究認為，人類與黑猩猩的基因重合率為96%，人類與老鼠的基因重合率為85%。當然，這并不代表我們與它們就是近親。畢竟從地球的生命演化過程來看，一切的生物都來自最初的單細胞。

如前所述，人類與香蕉的基因有50%的重合，但香蕉可是一種水果，一直以來，我們進行基因重合的對比，都是與動物進行對比的，和水果對比后，難道也含有人類的基因嗎？是的，其實和剛剛說的一樣，我們在生命最初開始的地方，都有一個共同的祖先——露卡。現代研究認為，露卡是一種微生物，看起來與細菌相似，它生活在溫暖的水中，科學上普遍認同的說法是，露卡來自淺海地區。不過，近年來，一些科學家認為，露卡可能最早出現于火成巖的裂縫中，很多元素都成了它的主要食物，后來，露卡不斷演化，才成就了地球上的萬物。

這項研究其實也可以證明，人類并不是外來物種，人類與地球上生物的基因重合率如此高，可以表明人類與地球上所有物種一樣，都來自同一個祖先。

三、結語

對水果DNA 的粗提取實驗，雖然只是一個小小的科學實驗，但是其中蘊含的道理卻十分豐富。學生親自動手完成這個實驗，去感受世間萬物生命的意義，直觀生命密碼DNA 的存在。實驗的本身原理其實并不難，但潛移默化地培養了學生科學的核心素養。我們希望通過廣大教育工作者的不懈努力，能夠創造出更多的家庭科學小實驗，讓學生在家就能感受科學的神奇魅力，成為學生放飛科學夢想的起點。