基于实际问题解决的生物智慧课堂

李伟

《普通高中生物学课程标准（2017版）》指出生物学学科核心素养是学生在解决真实情境中的实际问题时所表现出来的价值观念、必备品格与关键能力，是学生知识、能力、情感态度与价值观的综合体。结合“实际问题解决”设计生物课堂和智慧课堂理念，基于实际问题解决的生物智慧课堂就是结合实际问题解决和智慧课堂理念设计生物课堂教学，其基本模式就是在智慧课堂环境支持下，推送有科学探究价值的实际问题，学生在互助、交流中运用已有知识分析、解决实际问题，并以实际问题的逐步解决为主线构建课堂结构，达成教学目标，让学生体验知识价值的同时生物学学科核心素养得以提升。基于学生在逐步解决问题的思考过程架构的生物智慧课堂教学对于学生今后科学探究、科学思維等素养的养成以及生命观念和社会责任的树立有积极和深远的意义。新时代下，教师应从促进学生生命的整体发展的高度创造条件让学生自主发展与成长，重视学生的生命存在感，丰富学生的思维体验。

下面以“DNA的粗提取与鉴定”为例，进行基于实际问题解决的生物智慧课堂的实践与思考。“DNA的粗提取与鉴定”是人教版生物教科书《选修1·生物技术实践》的课题，也是《普通高等学校招生全国统一考试生物科（江苏卷）考试说明》中列出的高中生物学选修内容之一。该实验让学生初步尝试对植物、动物组织中的DNA进行粗提取并鉴定，可加深学生对DNA的理化性质的了解，掌握DNA粗提取与鉴定的原理，可让学生体验物质层面的生物学研究所涉及的提取、分离和鉴定等一般的思路和方法，是学生生物科学中有关物质提取和鉴定的重要实验。本课的教学如果按照“教师先讲解实验原理、实验材料、实验操作步骤，学生按要求完成实验并展示实验结果”的教学流程展开，学生只会按照教材的步骤或老师的要求去操作，出现动手不动脑的状态。这种流于形式的生物学实验无法让学生体验科学探究，束缚了学生的科学思维。针对这种传统生物实验课堂的不足，本节课基于问题解决和智慧教学平台在实验教学中进行了生物学学科核心素养渗透的尝试，具体教学设计如下。

1 教师推送资源，学生在提出问题，科学思维中生成实验原理

对实验DNA粗提取涉及的实验原理，学生完全陌生。如果教师只是一味的介绍，学生缺乏科学思维空间，只能形成知识机械的记忆，无法形成深刻认识。教师可以针对DNA粗提取原理进行如下教学设计，先推送以下材料，让学生在智慧学习平台上互动讨论。

油桃深受消费者的青睐，但在果实成熟期和采后贮藏期间，普遍存在果肉的褐变现象，导致果实的品质和耐贮性下降。果肉的褐变与多酚氧化酶（ PPO）的活性和含量密切相关。为了解决果肉的褐变问题，科学家采用现代生物学技术手段分离PPO基因，然后用它构建反义基因，从而抑制PPO基因的表达，阻止果肉褐变的发生。要分离PPO基因首先要得到油桃的基因组DNA。以下是科学家提取高质量的基因组DNA的操作。

①从油桃树上取长度约为1～3 cm的嫩芽1.0 g，洗净晾干后，液氮速冻，研磨成粉末（液氮处理的目的：使材料变脆，易于研磨：抑制DNA酶的活性，减少DNA酶的分解）。

②迅速转入4 mL预热至700C的物质的量浓度为2 mol/L的NaCl溶液中，混合均匀，静置5 min。（DNA溶于2 mol/LNaCl溶液：蛋白质和DNA对高温的耐受性不同，一般蛋白质变性温度为65～80℃，DNA的变性温度一般要在80℃以上，在70℃的温度下处理可以实现DNA和蛋白质的分离。）

③混合液在7500 r/min禹心5min，取上清液加蒸馏水调整NaCl溶液浓度至0.14 mol/L，再500 r/min离心5 min，去除上清液（DNA在0.14 mol/LNaCl溶液中溶解度最小）。

④将沉淀移入5 mL离心管中，加1 mL的物质的量浓度为2 mol/L NaCl溶液，65℃温育30 min，以溶解沉淀。

⑤加入0.6倍体积异丙醇，充分混匀，于4℃，5 000 r/min禹心5 min，去除上清液，沉淀用体积分数为95%的酒精漂洗1次（DNA不溶于异丙醇和酒精）。

⑥在沉淀中加入l mL的物质的量浓度为2mol/L的NaCI溶液，65℃温育30 min，再加2倍体积冰冷的体积分数为95%酒精，勾出DNA沉淀。重复该步骤两次。沉淀用无水乙醇漂洗3次，晾干。

⑦PCR扩增：PPO基因保守区的特异性扩增。

PCR反应体系为：基因组DNA500 ng，4种dNTP浓度均为150 pmoVL，PPO基因保守区5和3端引物各浓度为125 pmol/L，Taq DNA聚合酶1.5 U，特定的PCR反应液。

PCR反应条件为：94℃预变性2 mm，94℃下反应1 min，然后在60℃下反应1 min、70℃下反应1.5 min运行30个循环后，取产物进行电泳分析，得到PPO基因，再利用基因工程技术制成反义PPO基因。

教师在引导学生分析资料的同时，使学生认识到提取高质量的基因组DNA是开展分子生物学研究工作的基础，体验到本实验内容的价值和意义。并启发学生结合油桃DNA提取过程，自主独立思考提取DNA过程中所利用的DNA的理化特性。

智慧课堂为课堂学习资源的推送和实际问题情境的创设提供了重要支持，并能根据课堂实际不断调整教学活动和行为，共同建构并形成新的信息、资源的动态的过程，以达成教学目标。

2 交流互动，生成建构，互动交流中共享实验原理

学生个性化的思考和见解可能有失偏颇，教师可以利用智慧教学平台进行互动交流，不断地优化和完善。而这种思维的碰撞过程可以由课前延伸到课堂，在课堂中作为重要的生成性教学资源进行设计和利用。如，教师可利用智慧教学平台针对DNA理化性质相关问题，有效实现学生之间的交流与互动，使学生分享各自的思考和见解，逐步生成DNA粗提取的各项原理。

智慧课堂能够及时捕捉学生在解决实际问题的互动过程中的生成性信息，同时，还能够将一部分生成性信息转化为生成性资源，并通过共享来支持学生的意义建构。

例如，学生在上述实际问题的分析中可以生成并共享以下DNA的理化性质：

（1）溶解度：

①DNA与蛋白质在不同浓度的NaCI溶液中溶解度不同。DNA在NaCl溶液中的溶解度随着NaCI溶液的浓度的变化而改变。当NaCI溶液物质的量的浓度为0.14 mol/L时，溶解度最小。

②DNA不溶于乙醇（尤其冷的乙醇，其凝集效果更佳），但细胞内的蛋白质可溶于乙醇。

③DNA不溶于异丙醇。

（2）耐受性：

①一般蛋白质变性温度为65～80℃，DNA的变性温度一般要在80℃以上。

②洗涤剂可以瓦解细胞膜，使蛋白质变性，对DNA几乎不起作用。

③蛋白酶催化蛋白质水解，不能催化DNA水解。

3 互助学习，展示交流，科学探究中应用实验原理

将学生在课堂中自主生成并共享的DNA的理化性质作为教学资源，教师可适时地给出实验目的，要求学生以洋葱为实验材料，结合实验室给出的器材和试剂提出1-2种可行的粗提取DNA的实验操作设计，在智学平台上进行展示交流，相互完善，然后进行实验。

学生会结合推送资料的实验操作，根据不同的DNA理化性质，基于实验室现有的器具、材料、试剂设计出个性化的可行的实验操作步骤，并利用智慧教学平台进行组内和组间比较，相互学习，相互帮助使实验步骤的设计不断完善和优化。然后，在分组实验中，各组操作各不相同，各组都期待实验结果并利用智慧教学平台进行比较。以下就是不同小组针对实验线上交流结果的整理。

①利用DNA与蛋白质在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同：在物质的量浓度为2 mol/L的NaCI提取液中缓缓加入蒸馏水，并沿一个方向轻轻搅拌，出现丝状物;当丝状物不再增加时，停止加水（此时NaCI溶液的物质量浓度相当于0.14 mol/L）。

②利用DNA不溶于酒精（异丙醇），往该试管中加入1或2倍体积的体积分数为95%的酒精（异丙醇溶液），轻轻振荡试管，使溶液充分混合。这时，溶液中可出現大量白色“毛絮状”（纤维状黏稠）物，白色“毛絮状”物即为DNA。

③利用DNA和蛋白质在高温耐受力的差别：将提取液在60-75℃恒温水浴箱中保温10 min- 15 min，注意严格控制温度范围。

④利用DNA和蛋白质在酶处理时耐受力的差别，尝试在粗提取液中加入含蛋白酶的嫩肉粉，并在55℃-60℃（嫩肉粉中木瓜蛋白酶最适温度）处理10-15 min，不仅使蛋白质被分解，且高温能使部分蛋白质变性，达到纯化DNA提取物的效果。

⑤利用洗涤剂可以瓦解细胞膜，使蛋白质变性，对DNA几乎不起作用。加入1/10体积清洁剂，按一定方向轻摇5 min。清洁剂能够瓦解细胞膜，其中含有的SDS（十二烷基硫酸钠）具有使蛋白质变性，与DNA分离的作用，有利于DNA的提取。

4 思维碰撞，拓展提升，落实生物学学科核心素养

教师可以将实验操作过程和实验结果以图片和视频的方式在智慧平台上进行展示、分享和反思，有针对性地进行拓展提升。本实验不同操作方法的提取效果存在一定差异，教师可以引导学生进行比较和分析。如利用二苯胺鉴定针对不同操作方法提取的DNA时颜色深浅不同，教师启发学生思考：可能不同的提取方法在实验室条件下收集到的DNA量不同。进而可以启发学生思考：如果要测定DNA含量，在实验过程中如何尽量减少DNA损失？如果要提高DNA纯度可以怎么操作？又如何进行DNA纯度测定？综合课堂的各种讨论和分析，教师甚至可以拓展到一般的物质生物学研究所涉及的提取、分离、鉴定等通常需考虑的问题和相应的处理。

以信息技术变革课堂空间，教师应重组课堂组织与活动，再造课堂结构与模式，包括推送学习资源，记录生成性资源并共享，支持可视化成果展示等。本实验的实验原理让学生在体验科研过程中互动互助生成，学生自主设计实验并进行个性化的操作和展示，通过明晰内部机制、外部推力、学习活动以及智慧课堂环境的技术支持，构建了智慧课堂。

基于实际问题的智慧课堂创设有助于动态生成的教学过程，为学生的互评、反思和交流提供空间，有效支持资源共享和学生作品的生成创作，落实科学探究、科学思维等核心素养，提升教学目标，丰富教学内容，再造教学流程，创生附加价值，重塑课堂生态。

参考文献：

陈桂信，吕柳新，赖钟雄，等.基因组DNA的提取与纯化[J].江西农业大学学报，2004，26（3）：330-333.