（南京市金陵中學(xué) 江蘇南京 210000）

生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任4個(gè)方面，在《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《課程標(biāo)準(zhǔn)》）中科學(xué)思維有明確的定義，是指尊重事實(shí)和證據(jù)，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)和務(wù)實(shí)的求知態(tài)度，運(yùn)用科學(xué)的思維方法認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問(wèn)題的思維習(xí)慣和能力?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》中“DNA的提取和鑒定”實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，是在《選擇性必修模塊3·生物技術(shù)與工程》中需要開(kāi)展的教學(xué)活動(dòng)。學(xué)生通過(guò)提取植物或動(dòng)物組織中的DNA，獲得對(duì)于遺傳物質(zhì)DNA的感性認(rèn)識(shí)，達(dá)成對(duì)概念5“基因工程是一種重組DNA技術(shù)的理解”，加深對(duì)“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(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

生物學(xué)的研究經(jīng)歷了從現(xiàn)象到本質(zhì)、從定性到定量的發(fā)展過(guò)程。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師可以通過(guò)尋找課題中的探究性、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。在“DNA的粗提取與鑒定”實(shí)驗(yàn)中，教材上提供了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，但對(duì)實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)方法都沒(méi)有作出具體的規(guī)定，給學(xué)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(dǎo)學(xué)生去思考：不同實(shí)驗(yàn)材料采用同一種實(shí)驗(yàn)方法提取出的DNA的量有何差異？相同的實(shí)驗(yàn)材料選用不同的實(shí)驗(yàn)方法又會(huì)得到怎樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果？二苯胺法鑒定DNA時(shí)，為何會(huì)出現(xiàn)藍(lán)色深淺的不同？……教師從而將“DNA粗提取與鑒定”這個(gè)定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化成定量實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)這種轉(zhuǎn)化，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力。

由于定性實(shí)驗(yàn)通常有明確的實(shí)驗(yàn)步驟和結(jié)果，學(xué)生往往按部就班進(jìn)行操作，觀察到預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果之后便算完成了任務(wù)。課堂看起來(lái)井然有序，但實(shí)際限制了學(xué)生思維的發(fā)展。而在本實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法都有多種選擇，教師應(yīng)為學(xué)生提供足夠的實(shí)驗(yàn)條件，鼓勵(lì)學(xué)生自己在熟悉教材的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，大膽實(shí)驗(yàn)，并對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和比較，嘗試找出適合用于“DNA的粗提取與鑒定”實(shí)驗(yàn)的最佳實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法，也可以具體探究某一種因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生怎樣的影響等。

定量的分析可讓學(xué)生對(duì)此實(shí)驗(yàn)有更加理性的認(rèn)識(shí)，也能更加科學(xué)地分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，反思自己在實(shí)驗(yàn)中還存在的不足之處，從而對(duì)該實(shí)驗(yàn)做進(jìn)一步的完善和改進(jìn)。學(xué)生在此過(guò)程中加深了對(duì)于本實(shí)驗(yàn)原理和步驟的理解，同時(shí)也可訓(xùn)練自身的實(shí)驗(yàn)技能和探究思維。在實(shí)踐中，教師對(duì)生物實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程進(jìn)行新的思考和改進(jìn)，不僅可以激發(fā)學(xué)生對(duì)于生物學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣，更能有效提高學(xué)生的科學(xué)探究技能，從而達(dá)到對(duì)核心素養(yǎng)的滲透和培養(yǎng)，在潛移默化中發(fā)展學(xué)生的科學(xué)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(zhì)的量濃度為1.4 mol·L-1的NaCl溶液，物質(zhì)的量濃度為20mmol·L-1的 EDTA溶液（pH8.0），質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的CTAB溶液（用前在提取液緩沖液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的PVP溶液、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的β-巰基乙醇溶液）。

采用CTAB法提取花菜的DNA做標(biāo)準(zhǔn)曲線，二苯胺法鑒定DNA。核酸蛋白儀鑒定DNA純度：核酸類(lèi)物質(zhì)在紫外區(qū)260 nm處有最高吸收峰，230 nm處有最低吸收峰，而蛋白質(zhì)則是在280 nm處具有強(qiáng)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(cè)定其濃度和純度，每個(gè)樣品重復(fù)3次。

標(biāo)準(zhǔn)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(bǔ)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(cè)定吸光度值，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 DNA濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線制作

花菜是“DNA的粗提取與鑒定”實(shí)驗(yàn)中常選用的植物材料。通過(guò)CTAB法提取含雜質(zhì)較少、較為純凈的花菜DNA，用二苯胺試劑進(jìn)行鑒定，并制作DNA濃度與吸光度的關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)曲線。

稱(chēng)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(cè)定其濃度和純度。將提取液稀釋配成1 000 μg·mL-1的DNA標(biāo)準(zhǔn)液，設(shè)置不同的濃度梯度，并用二苯胺試劑在沸水浴的條件下進(jìn)行鑒定，測(cè)定每一個(gè)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(shuō)明在一定濃度范圍內(nèi)，藍(lán)色的深淺與DNA濃度成正比關(guān)系，DNA濃度與吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線為y=0.000 8x+0.001 1（R2=0.991 8）。

2.2 蛋白質(zhì)濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線制作

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

表2 雙縮脲試劑測(cè)定不同濃度蛋白質(zhì)

從表2中可以看出，隨著蛋白質(zhì)溶液濃度的不斷提高，與雙縮脲試劑發(fā)生反應(yīng)時(shí)，紫色也由淺入深。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液濃度為10 mg·mL-1時(shí)，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(shuō)明在一定濃度范圍內(nèi)，紫色的深淺與蛋白濃度呈正比關(guān)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(shí)驗(yàn)材料。去皮的香蕉果實(shí)、獼猴桃果實(shí)鮮重30 g，豌豆苗葉片鮮重10 g，分別加入20 mL提取液進(jìn)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(duì)提取物濃度及純度進(jìn)行測(cè)定。

從表3中數(shù)據(jù)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(shí)，三種材料提取液A260/A280的比值都小于1.8，說(shuō)明提取液中存在一些蛋白質(zhì)或酚類(lèi)物質(zhì)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(jìn)行鑒定，于A595 nm處測(cè)定其吸光度值（表4）。

表4 二苯胺試劑測(cè)定不同植物材料提取液

對(duì)應(yīng)上述標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算DNA濃度，并與核酸蛋白儀所測(cè)得數(shù)據(jù)比較見(jiàn)表5。

表5 DNA含量與實(shí)際含量對(duì)比

從表4、5中可以看出，豌豆苗實(shí)際濃度和標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)應(yīng)濃度相差較小，而香蕉和獼猴桃測(cè)出的吸光度值過(guò)高，差異較大，不符合標(biāo)準(zhǔn)曲線。多次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，香蕉和獼猴桃在用二苯胺試劑進(jìn)行鑒定時(shí)，即使提取出的DNA濃度較低，也會(huì)出現(xiàn)較為深的藍(lán)黑色或紫黑色。而在對(duì)香蕉和獼猴桃提取液的進(jìn)一步電泳分析中發(fā)現(xiàn)，提取出的DNA發(fā)生了斷裂降解。水果果肉中富含多糖、多酚類(lèi)物質(zhì)和一些次生代謝物質(zhì)，它們的存在往往會(huì)對(duì)DNA提取造成一些影響。一些多酚類(lèi)物質(zhì)會(huì)把DNA氧化成棕褐色，而多糖會(huì)與DNA結(jié)合成黏稠的膠狀物。初步推測(cè)可能是由于某些次生代謝物質(zhì)發(fā)生了氧化斷裂或者是二苯胺試劑與斷裂的DNA片段發(fā)生了更劇烈的反應(yīng)，從而導(dǎo)致了香蕉和獼猴桃提取鑒定過(guò)程中出現(xiàn)了較大的誤差。

DNA提取液中往往存在蛋白質(zhì)的污染，加入雙縮脲試劑進(jìn)行鑒定，于A540 nm處測(cè)定吸光度值（表6）。

表6 雙縮脲試劑測(cè)定不同植物材料提取液

對(duì)應(yīng)上述標(biāo)準(zhǔn)曲線求得蛋白質(zhì)濃度，并與核酸蛋白儀測(cè)得數(shù)據(jù)比較見(jiàn)表7。

表7 蛋白質(zhì)含量與實(shí)際含量對(duì)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(fā)生了紫色反應(yīng)，說(shuō)明提取液中含有較多的蛋白質(zhì)?？赏ㄟ^(guò)進(jìn)一步提純?nèi)コ鞍踪|(zhì)，獲得較為純凈的DNA。

3 討論

DNA的粗提取與鑒定實(shí)驗(yàn)在高中生物實(shí)驗(yàn)中占有非常重要的地位。科學(xué)的不斷發(fā)展使得人們對(duì)生物體的研究早已到了核酸和蛋白質(zhì)的分子水平。“DNA的粗提取與鑒定”實(shí)驗(yàn)為學(xué)生揭開(kāi)了遺傳物質(zhì)DNA的神秘面紗，對(duì)于學(xué)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(xué)中，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)采用多種實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比分析，從而找出操作簡(jiǎn)單、效果較好的實(shí)驗(yàn)方法。學(xué)生是教學(xué)活動(dòng)中的主體，教師要有意識(shí)訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)造性思維，以課本知識(shí)為基礎(chǔ)，依據(jù)高中學(xué)生的認(rèn)知水平，給學(xué)生自主探索和創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)。通過(guò)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，學(xué)生加深對(duì)該實(shí)驗(yàn)步驟和原理的了解，拓展了思維，在完善實(shí)驗(yàn)流程中訓(xùn)練思維的縝密性。

在DNA的粗提取與鑒定實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，如何提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)非常關(guān)鍵。從定性實(shí)驗(yàn)到定量實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，教師需要在實(shí)驗(yàn)的每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行多次的完善和創(chuàng)新，找出實(shí)驗(yàn)中值得探究的地方。教師可在定性的基礎(chǔ)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(zhì)含量測(cè)定實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步進(jìn)行深化，將教材中的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、結(jié)論性實(shí)驗(yàn)優(yōu)化為探究性實(shí)驗(yàn)，滿(mǎn)足不同的學(xué)生需求，如圖1所示。同時(shí)，要著重從中學(xué)的實(shí)驗(yàn)條件和學(xué)生的認(rèn)知水平方面考慮，在改進(jìn)的過(guò)程中發(fā)展學(xué)生的思維能力。從自主選擇實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程到最后的運(yùn)用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)測(cè)定DNA濃度和蛋白質(zhì)濃度的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在整個(gè)過(guò)程中有很大的自主空間和思考空間。不同于對(duì)照書(shū)本步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生學(xué)習(xí)方式發(fā)生了轉(zhuǎn)變，從主動(dòng)學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)生物學(xué)科的樂(lè)趣，體會(huì)生物實(shí)驗(yàn)必須遵循的原則和嚴(yán)謹(jǐn)性。

教師在教學(xué)活動(dòng)中應(yīng)有意識(shí)地鍛煉學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，學(xué)生掌握了這些技能后在生活和學(xué)習(xí)中應(yīng)用，從而達(dá)到提高生物核心素養(yǎng)的目標(biāo)，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。