在实验教学中发展学生核心素养——“DNA粗提取与鉴定”实验教学设计与实施

姚 燕（南京市第五高级中学 江苏南京 210004）

生物学核心素养涵盖生命观念、科学思维、科学探究、社会责任4 个方面，更加强调学生亲自参与和实践的过程，注意对学生正确价值观念、必备品格和关键能力的培养［1］。 实验教学是促成学生达成生物学核心素养的重要支撑。

1 实验内容分析

“DNA 的粗提取和鉴定”是高中生物学中分子生物学水平的实验，安排在人教版《选修1·生物技术实践》专题5“DNA 和蛋白质技术”中。本实验目标是通过尝试对植物或动物组织中的DNA进行粗提取，了解DNA 的理化性质，理解DNA 粗提取及鉴定的原理，为基因工程技术知识提供感性认识。 本模块强调：以学生为主体，运用已有知识和证据，通过实验设计和操作实践，学习科学探究。 但是该实验背景知识多，操作复杂，取材不便［2］，成功率低，难以在一节课内完成实验。 笔者在高三一轮复习实验教学中创设新情境，通过学生小组自主合作探究，设计优化实验，最终探索出课堂最佳实验材料和方法。 学生通过主动参与学习过程，激发对生物学的兴趣，养成理性思维的习惯，形成积极的科学态度，发展终身学习的能力。

2 实验教学设计

2.1 教学思路 教材中详细介绍了动、 植物细胞DNA 提取、分离、提纯所涉及到的一般原理、方法和实验材料的选取，但并没有以哪一种材料为例具体介绍其操作过程。 因此，选择一种合适的实验材料显得十分重要。此外，高中实验受条件限制（例如无EDTA、Tris 和离心设备，氯仿-异戊醇具有毒性等），如何在有限时间和条件下完成，实验方法选择和优化是关键。 由于是一轮复习，学生已经对细胞结构、DNA 的理化性质及鉴定方法有所了解。 以小组预实验的方式探究课堂最佳实验材料和方法，分层推进解决实验难点。 课堂分组实验并讨论，课后探究实践，进一步巩固教学目标。

2.2 教学方案 以4～6 人组建合作兴趣小组，分为植物探究小组和动物探究小组，同时在课前进行预实验。 学生课前梳理实验具体步骤： 破碎细胞—获得含DNA 的滤液—去除滤液中的杂质—DNA 的析出—DNA 的鉴定。实验中引导学生比较不同破碎细胞方法，定量探究不同材料和方法提取DNA 的效果，学会比较迁移，培养理性思维设计实验。 以探究为特点的教学不仅会直接影响核心素养中“科学思维”“科学探究”的落实，也会间接影响另外2 个核心素养的达成。

2.3 教学流程

图1 实验教学流程

3 实验教学组织

3.1 组建小组，引导探究 教师只提供必要的理论支持和实验条件，指导探究活动，同时通过问题引导探究：1）书本材料提取DNA 的效果怎样？ 还可以选取何材料？ 2）释放DNA 的方法有哪些？ 3）加洗涤剂和食盐的作用是什么？ 4）如果研磨不充分，会对实验结果产生怎样的影响？ 5）释放的DNA还会有哪些杂质？ 如何进一步去除杂质？ 6）哪些材料提取DNA 效果好又省时？学生通过查阅资料和讨论，自主选择，主动探究。

3.2 植物材料的预实验探究

3.2.1 取材和方法 植物探究小组打算选取菜花、桃子、香蕉［3］、葡萄［4］（其中桃子和葡萄的DNA提取在文献中提及较少）作为实验材料，比较不同种类植物提取DNA 的差异。 由于洗涤剂中含有SDS（十二烷基磺酸钠），能够裂解细胞膜，使蛋白质变性，利于蛋白质和DNA 的分离。 如果在研磨时加入适量的洗涤剂，既促进DNA 释放，又有助DNA 提取。 另外根据酶解法，尝试在粗提取液中加入含蛋白酶的嫩肉粉，通过二苯胺鉴定DNA 的颜色深浅探讨嫩肉粉纯化DNA 提取物的效果。通过分析确定探究方向，并设计表格1 进行实验，结果如下。

表1 不同植物实验材料DNA 提取情况比较

3.2.2 释放DNA ①取等质量4 种植物材料，剪碎置于研钵中。 ②加入相应处理试剂（食盐、洗涤剂、嫩肉粉），研磨5～10 min。 ③用单层纱布过滤研磨液，滤液于小烧杯中。

3.2.3 粗提取DNA 研磨过滤之后，沿木筷子从烧杯壁缓慢加入2 倍体积的95%的酒精，即可静置观察丝状物的析出情况（结果见表1）。

3.2.4 鉴定DNA ①各组取试管加入2 mol/L的氯化钠溶液3 mL。②用木筷子缓缓卷起所得上层漂浮白色絮状物放入试管，搅拌使其充分溶解。③然后分别加入4 mL 二苯胺试剂混匀，沸水浴中加热5～10 min，并冷却一段时间，观察颜色的变化（结果见表1）。

3.2.5 实验结果分析1 从各组DNA 析出情况看，加入2 倍体积95%冰酒精之后，所有植物组织均立即析出丝状物，效果相当明显。香蕉和桃子的丝状物较多且较快。 同时观察到加入嫩肉粉一组的丝状物量均有所减少，但是颜色更为纯白。学生分析，不加嫩肉粉一组析出丝状物可能仍然含有部分蛋白质或果胶等其他杂质（之后学生用双缩脲鉴定白色絮状物，果然呈紫色），加入嫩肉粉后，利用酶解杂质蛋白质，纯化了DNA 提取物。而之后的鉴定结果表明，所有试管均呈蓝色，成功提取到DNA。 所有材料加入嫩肉粉组蓝色稍深，嫩肉粉能有效去除部分杂质，提取DNA 纯度较高。从不同植物材料DNA 提取的鉴定情况来看，葡萄和香蕉的DNA 提取量较大，但是葡萄的DNA 析出物较少，难以操作。 菜花和桃子研磨较困难。 综合实验用时和效果来看，香蕉易操作，时间短，提取量大，效果明显等优点具有较大优势。

此时，有学生提出，如果采用香蕉作为实验材料，能否有更为方便和有效的方法破碎细胞？学生想到叶绿体色素的提取和分离实验中，利用二氧化硅帮助破碎细胞。 有的学生提出使用塑封袋揉挤的方法破碎细胞会更为便捷（图2）。 设计实验如表2，以此探究同一材料不同提取方法在提取产量上的差异。

表2 用香蕉提取DNA 不同提取方法比较

3.2.6 实验结果及分析2 从鉴定结果看（图3），4组实验均能成功提取DNA。4 号组蓝色最深，提取DNA 量具有绝对的优势，学生分析这和塑封袋隔绝空气防止氧化，同时使材料和研磨试剂充分接触反应有关。 其他几管相比，3 号组加入嫩肉粉组蓝色较为明显，2 号组加入二氧化硅组呈现的浅蓝偏黄，学生分析这和提取物中还含有其他杂质有关。

综合以上实验分析1 和2，植物探究小组最终选择香蕉作为实验材料，同时配以使用塑封袋揉挤的方法作为最佳课堂实验材料和方法组合。如果想要提取纯度更高的DNA 则可以通过添加嫩肉粉实现。

3.3 动物材料的预实验探究

3.3.1 取材和方法 通过查阅文献和初中实验启发，动物探究小组打算选取鸡血和口腔上皮细胞作为提取材料。 获取口腔上皮细胞的方法除了书本提供吸水涨破的方法，学生还提出可以利用食盐溶液以及刮取的方法。 因此他们分别设置不同浓度的盐水溶液（高盐溶液、生理盐水、蒸馏水）及刮取的方法，比较DNA 提取量差异。 此外，他们受到用植物提取DNA 的启发，洗涤剂是否也能应用到动物细胞DNA 的提取，帮助破碎细胞膜使DNA 更快地析出？ 设计实验如表3。

表3 动物材料提取DNA 比较

3.3.2 实验过程以选用口腔上皮高盐溶液组析出方法2 为例。

1）获取口腔上皮细胞：在获取之前先用清水漱口减少杂质，然后取10 mL 盐水并用其漱口，轻柔双颊使盐水尽可能与口腔内壁上皮细胞接触，收集漱口水于小烧杯中。

2）释放DNA：在小烧杯的漱口水中加2mL 洗手液，充分振荡。

3）析出DNA：沿烧杯内壁，缓缓加入2 倍体积的95%的酒精，静置5 min 后，观察白色丝状析出物（图4）。 用牙签轻轻搅动，将丝状沉淀缠绕在牙签上，将牙签剪断溶解在3 mL 2 mol/L 的氯化钠溶液中以备鉴定。

图4 鸡血和口腔上皮细胞析出丝状物情况

4）鉴定DNA：方法同植物组（结果见图5）。

图5 鸡血和口腔上皮细胞提取DNA 鉴定情况

3.3.3 实验结果及分析 从各组丝状物析出和鉴定情况看，鸡血组和口腔上皮细胞高盐溶液处理组成功提取相应DNA，口腔上皮生理盐水处理组能提取少量DNA。 综合比较用时和步骤来看，鸡血组用时长达十几小时，而且需要众多步骤，而选取口腔上皮细胞，只需要5 min 4 个步骤，即可成功提取DNA。 综合比较用时和步骤来看，选取口腔上皮细胞，利用高盐溶液加入洗涤剂的提取方法在课堂进行实验具有较强优势。

3.4 课堂分组实验并讨论 通过小组长的课前探究，最终选取香蕉和口腔上皮细胞作为DNA 提取材料。课堂分组实验，香蕉提取需要用时30 min，采用口腔上皮细胞提取则只要5～7 min。 这样大部分学生2 个实验在一节课均能完成，还有时间进行动、 植物DNA 提取的比较总结及实验优化探讨。 小组交流，班级展示。 通过这节课的实践操作，学生发现植物DNA 在提取时需要增加研磨和过滤等步骤以充分破碎细胞，而动物细胞析出DNA 则简单的多。从学生的总结中不仅看到了动、植物DNA 提取的差异比较，更重要的是体会到他们实验取得成功的喜悦，极大地激发了探索生命奥秘的兴趣，达成了教学目标。

3.5 课后继续探究 课后学生以小组为单位开展校本课程子课题，进行后续探究。 课题包括：不同类型洗涤剂对提取DNA 的影响； 提取DNA 的洗涤剂和食盐及生物材料的最佳配比； 冻存生物材料对提取DNA 的影响；实验室中提取纯度较高DNA 方法等。 此外注重与生活的联系，在课堂探究实验的基础上指导学生以个人为单位，利用家中的日常用品如洗涤剂和酒精等，提取DNA 并制作成饰品。学生纷纷表示能够将自己的DNA 提取并制作成品，意义非凡。

3.6 课堂评价 课堂评价采用多元化评价方式。例如小组合作探究过程要求以实验探究评价表的形式记录（包括设计原理、思路、实验过程、结果及分析）。 教师对学生的自主合作、 情感体验、探究思考、讨论互评等行为观察并及时给予评价。 学生寻求提取DNA 的适合材料和方法正是基于能够应用生物结构和功能相适应的生命观念（素养1）。学生在实验过程中能够观察、发现并分析问题，运用演绎推理和创造性思维设计并实施实验表明科学思维（素养2）和科学探究（素养3）能力的落实情况。 学生能够成功制作DNA 饰品则将科学、技术和社会相联系（素养4）。

4 教学反思

4.1 创设情境，形成生命观念 生物学核心素养在课堂中的“生根发芽”，需要教师观念和措施上的转变，需要学生知识和技能的习得，更需要过程的体验和感悟。 DNA 是大多数生物的遗传物质，这是生物学重要的核心概念。 本实验设计通过自主、合作、探究的教学方式，课前的预实验，呈现出高度的开放性、灵活性和探究性。改进后的实验无需课前繁琐的准备，人人动手参与，省时省力，学生的兴趣大大增强。 学生通过主动参与学习过程，感悟DNA 这一微观物质的存在和特性，由此产生对自然和生命的敬畏和尊重。

4.2 比较迁移，培养理性思维 在实验中通过查阅文献和比较迁移，选择不同实验材料和方法，改进并优化相关药品试剂的使用。 例如二苯胺试剂的改进，大幅度增加了浓硫酸的比例，水浴时间5 min 即能逐渐看到蓝色，效果明显。 试剂配制方法改为：15 mL 浓硫酸沿烧杯内壁缓慢倒人100 mL冰醋酸中，边倒边搅拌，不要让溶液温度升得太高，待溶液冷却后，称取2 g 二苯胺加人其中，搅拌至二苯胺完全溶解，倒入棕色瓶保存［5］。此外发现鉴定DNA 时，二苯胺溶液容易被氧化变质，应现配现用。 沸水浴后待静置冷却一段时间后蓝色更为明显。又例如洗涤剂的使用改进，这一试剂通常使用在植物材料提取DNA 中，本实验创造性地将该原理迁移到动物细胞释放DNA 的步骤中，同样提高了DNA 的释放量，简单易行，效果显著。

4.3 自主设计，提升科学探究能力 本实验设计，锻炼了学生的逻辑思维能力，增强设计实验能力。 同时改进实验步骤，改进之后只需要研磨、过滤、二苯胺显色鉴定等简单步骤易于操作。实验中利用染色体在高浓度氯化钠溶液中易解聚的原理，在研磨植物材料和获取口腔上皮细胞的步骤中，直接加入高盐溶液，使DNA 与蛋白质分离，并且吸附更多的DNA 分子与钠离子结合，溶解到食盐溶液中去。 之后只需要加入2 倍体积95%酒精，丝状物立即呈现。这一步省略教材中再次溶解等重复操作，达到简化步骤的目的。让学生体验科学实验探究的同时也体会到实验成功后的喜悦。

4.4 结合实践，树立社会责任感 用发现的眼光从生活中取材，注重与生活的联系。 例如洗涤剂、嫩肉粉、塑封袋、木筷子等使用简单易操作，增加了DNA 的提取量和稳定性，提高了实验成功率。同时在课后的继续探究，用课题的形式组织探究活动，有利于进一步巩固学生科学思维和科学探究的素养形成。 个人在家制作DNA 饰品，不仅能够进一步提升动手能力，学以致用，更重要的是使学生树立关爱自己、珍爱生命的社会责任感。