“观察DNA 和RNA 在细胞中分布” 实验的改进与创新*

刘晓静 王庆红

（北京市日坛中学 北京 100020）

培养学生生物学学科核心素养是高中生物学课程的价值追求，也是课程预期的教学目标，在高中生物学教学中， 组织以探究为特点的主动学习是落实核心素养的关键［1］。笔者在教学中，对人教版必修1《分子与细胞》中“观察DNA 和RNA 在细胞中的分布”实验的方法、操作步骤和试剂比例进行了改进探索， 并指导学生进行了一系列自主探究实验，摸索出更直观有效、更易掌握和更具有操作性的实验方法。

1 实验内容和进度安排

1.1 原实验的教学设计和进度安排 教材中的传统方法是以洋葱表皮细胞或人的口腔上皮细胞为实验材料。 实验流程为：取材→制片（将材料放于载玻片上）→烘干（酒精灯火焰烘烤）→水解（8%盐酸浸泡、30℃水浴保温5 min）→冲洗（用蒸馏水冲洗10 s）→染色（甲基绿吡罗红混合染色剂，5 min）→盖片→观察， 良好的实验结果为细胞核染色为绿色或蓝绿色，而细胞质染色为红色。

这种方法操作复杂、耗时较长，由于学生操作技术不熟练，往往无法获得满意的观察效果，缺乏可视性与直观性。 学生实验存在的问题主要有：1）烘干时装片烤裂；2）水解时材料脱落；3）实验现象不理想： 细胞核与细胞质均呈现红色——这也是最关键的问题。

1.2 改进后的实验教学设计和进度安排 本实验实施流程如下：课前先搜集整理资料，围绕某一问题展开分析， 寻找改进方案→小组汇总→班级各组汇总→制定探究方案→设计实验工作单→分析比较不同方案的实验结果→寻找最佳方案。

改进实验一共进行了3 轮，分别是：1）基于教材方法的操作环节上的改进实验；2）基于实验试剂比例调整的实验；3）基于试剂比例调整基础上的再调整实验。 3 轮实验依次为递进关系，每轮实验的教学过程均需1 课时，共计3 课时；但需要学生在实验之前分组进行文献查阅、 问题分析和方案整理的自主探究活动。

2 实验材料

2.1 材料与用具 洋葱表皮细胞，400 mL 烧杯，250 mL 烧杯，温度计，滴管，载玻片，盖玻片，铁架台，石棉网，火柴，酒精灯，吸水纸，显微镜，量筒，棕色试剂瓶。

2.2 实验试剂 甲基绿吡罗红混合染色剂，4%HCl，8% HCl，蒸馏水，1% NaHCO3，甲基绿粉，吡罗红G 粉，乙酸钠，乙酸。

3 实验方案的优化

3.1 基于教材方法的操作环节上的改进实验

3.1.1 第1 轮实验的设计背景 教材实验结果的不理想多表现为细胞核与细胞质均呈现红色，学生通过查阅资料认识到：pH 值过低会使DNA出现变性解聚［2］，解聚的DNA 更容易与吡罗红结合而呈现红色［3-4］。 实验步骤中有2 种酸性物质，其中， 甲基绿吡罗红混合染色剂本身呈弱酸性（pH 值为4.8）， 而水解所用的8%的盐酸，pH＜1，呈强酸性，因此造成DNA 解聚的低pH 值极有可能是盐酸造成的。

3.1.2 改进方案 综合以上分析，对实验进行了4 点改进：1）改用4%盐酸水解；2）盐酸水解后用1% NaHCO3冲洗；3）不水解，直接使用甲基绿吡罗红混合染色剂染色；4）缩短染色时间。 使用洋葱表皮细胞为实验材料进行对比实验， 并设计以“实验工作单”的形式呈现实验方案（表1）。

表1 基于教材方法的操作环节上的改进实验工作单

3.1.3 实验结果分析 实验由52 组共104 名学生完成，每组学生均进行表1 中所有A～F 组的实验过程， 最终共46 组学生全部完成了上述实验，另外6 组学生因其他原因导致实验失败， 其细胞质染色为棕色，遂排除在对比研究以外（表2）。

表2 基于教材方法的操作环节上的改进实验现象统计

经分析比较，不用盐酸水解、直接使用甲基绿吡罗红混合染色剂立即染色效果较好（图1 中E组，本文附图见封四）。简化实验的优点是：1）耗时明显减少，在时间经济性方面具有更明显的优势；2）成功率提高，具有直观性和可视性，促进学生学习兴趣并提高了教学效率。

3.2 基于实验试剂比例调整的实验

3.2.1 第2 轮实验的设计背景 由于第1 轮改进实验使用的甲基绿吡罗红染色剂是从试剂公司购买的混合染色剂，是经过改良的配方，因此，探究其改良的方向成为这一轮实验的热点。

3.2.2 改进方案 使用甲基绿和吡罗红分装粉末配制试剂进行实验。

3.2.3 试剂配制

1）染色剂A 液：取甲基绿2 g 溶于98 mL 蒸馏水中（2%甲基绿），取吡罗红G 5 g 溶于95 mL蒸馏水中（5%吡罗红）；取6 mL 2%甲基绿溶液和2 mL 5%吡罗红G 溶液加入到16 mL 蒸馏水中（甲基绿、吡罗红体积比为3∶1），即为A 液，放入棕色瓶中备用。

2）染色剂B 液：B 液是一种缓冲液，由乙酸钠和乙酸混合而成。先取乙酸钠16.4 g，用蒸馏水溶解至1 000 mL 备用；再取乙酸12 mL，用蒸馏水稀释至1 000 mL 备用。取配好的乙酸钠溶液30 mL和稀释的乙酸20 mL，加蒸馏水50 mL，配成pH为4.8 的B 液（缓冲液）。

3）吡罗红甲基绿混合染色剂：A 液20 mL 和B液80 mL 混合（即体积比为1∶4）。

选用洋葱内表皮细胞为实验材料， 先按照简化步骤进行实验，即不水解、直接染色1 min，发现细胞核与细胞质均染成蓝色， 考虑可能是吡罗红的比例偏小，因此，设计成吡罗红体积比不断增大的一系列实验（表3）。

表3 基于实验试剂比例调整的实验工作单

3.2.4 实验结果分析 如图2 所示：随着吡罗红的比例逐渐增加， 细胞质中RNA 的红色更为明显，同时细胞核中DNA 染色未受干扰。 在甲基绿（2%）：吡罗红（5%）体积比为1∶3，染色剂A 液与染色剂B 液体积比为1∶4 时，即第5 组效果较好。

3.3 基于试剂比例调整基础上的再调整实验

3.3.1 第3 轮实验的设计背景 在上一轮的实验中，染色的成功率并不高，有的细胞不易着色，考虑可能与染料分子未能充分进入细胞结构内有关，在前述研究已调整了酸化程度与时间，以及染色剂A 液配制比例的基础上，尝试调整缓冲液染色剂B 液的量，观察其对染色效果的影响。

3.3.2 改进措施（表4）

表4 基于试剂比例调整基础上的再调整实验工作单

3.3.3 实验结果分析 染色剂A 液与染色剂B液体积比为1∶5 时效果较好（图3）。

如图3 所示，染色剂A 液［其中甲基绿（2%）与吡罗红(5%)体积比为1∶3］与染色剂B 液体积比为1∶5（乙组），采用简化实验步骤，即不水解、直接染色1 min，效果较好。

值得注意的是，3.2 和3.3 关于实验试剂比例调整的染色效果比3.1 实验中的染色效果差。 其最可能的因素是3.1 采用的是试剂公司的甲基绿吡罗红混合染色剂， 而3.2 和3.3 采用的是甲基绿和吡罗红分装粉末配制的染色剂。 由于甲基绿粉剂中往往含有甲基紫杂质， 在未充分提纯的情况下可能会干扰染色过程。

4 实验教学传递的重要概念

本研究尝试从调整酸化水解的程度与时间，染色剂A 中甲基绿和吡罗红的配制比例， 以及调整缓冲剂（染色剂B）与染色剂A 的比例3 个方面，对高中生物学实验“观察DNA 和RNA 在细胞中的分布”进行了整体的改进。 从研究结果看，减少盐酸水解的步骤，甲基绿（2%）：吡罗红（5%）体积比为1∶3， 且染色剂A 液∶染色剂B 液体积比为1∶5 时，染色效果最佳。 改进的实验方案在成功率和时间经济性方面具有更明显的优势， 实验更具有直观性和可视性， 促进学生学习兴趣并提高了教学效率。

改进后的实验在培养学生核心素养方面具有一定的作用，具体表现在：1）从前期的准备工作开始，学生需要进行资料分析和问题整理，检索资料信息，需要同伴之间交流或向教师请教，学生的交际能力得到了锻炼， 也有更多机会表达自己的见解， 这对于发展学生的表达能力是有益的；2）从实施过程看，学生经过实验研究、探索，真正体验了科学探究的过程， 这对于促进学生形成从事科学研究与探索的规律与方法，锻炼探索精神，发展思维， 培养创新精神和实践能力是有益的；3）从实施评价看，对学生的评价并非都来自外部，更重要的是来自学生在自主探究过程中的自我评价，它能激励学生的每一步成功， 有利于提高学生的学习积极性和创造性。

改进后的3 轮实验具有“研究性、开放性、自主性”等特点，教学中，教师也由“关注知识”向“关注学生”转化——教会学生形成学科观念，培养学生理性思维，要求学生大胆探索，将所学的知识融会贯通，在探究中寻找最佳解决方案，这正是生物学学科核心素养所在。