核心素养视域下的“DNA的粗提取与鉴定”实验创新与科学思维培养

（南京市金陵中学 江苏南京 210000）

生物学学科核心素养包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任4个方面，在《普通高中生物学课程标准（2017年版）》（以下简称《课程标准》）中科学思维有明确的定义，是指尊重事实和证据，崇尚严谨和务实的求知态度，运用科学的思维方法认识事物、解决实际问题的思维习惯和能力。《课程标准》中“DNA的提取和鉴定”实验内容，是在《选择性必修模块3·生物技术与工程》中需要开展的教学活动。学生通过提取植物或动物组织中的DNA，获得对于遗传物质DNA的感性认识，达成对概念5“基因工程是一种重组DNA技术的理解”，加深对“基因工程赋予生物新的遗传特性”这一重要概念的理解，从而提升学生的生物学学科核心素养。

生物学的研究经历了从现象到本质、从定性到定量的发展过程。在实验教学中，教师可以通过寻找课题中的探究性、创新实验来培养学生的科学思维。在“DNA的粗提取与鉴定”实验中，教材上提供了详细的实验设计，但对实验材料、实验方法都没有作出具体的规定，给学生留下了很大的思考空间。教师可以此作为探究的课题，引导学生去思考：不同实验材料采用同一种实验方法提取出的DNA的量有何差异？相同的实验材料选用不同的实验方法又会得到怎样的实验结果？二苯胺法鉴定DNA时，为何会出现蓝色深浅的不同？……教师从而将“DNA粗提取与鉴定”这个定性实验转化成定量实验，并通过这种转化，培养学生的探究能力。

由于定性实验通常有明确的实验步骤和结果，学生往往按部就班进行操作，观察到预期实验结果之后便算完成了任务。课堂看起来井然有序，但实际限制了学生思维的发展。而在本实验中，实验材料和实验方法都有多种选择，教师应为学生提供足够的实验条件，鼓励学生自己在熟悉教材的基础上进行实验设计，大胆实验，并对不同的实验结果进行分析和比较，尝试找出适合用于“DNA的粗提取与鉴定”实验的最佳实验材料和实验方法，也可以具体探究某一种因素对实验结果产生怎样的影响等。

定量的分析可让学生对此实验有更加理性的认识，也能更加科学地分析实验结果，反思自己在实验中还存在的不足之处，从而对该实验做进一步的完善和改进。学生在此过程中加深了对于本实验原理和步骤的理解，同时也可训练自身的实验技能和探究思维。在实践中，教师对生物实验的操作过程进行新的思考和改进，不仅可以激发学生对于生物学科的学习兴趣，更能有效提高学生的科学探究技能，从而达到对核心素养的渗透和培养，在潜移默化中发展学生的科学思维能力。

1 材料与方法

植物材料选择花菜、香蕉、猕猴桃、豌豆苗。CTAB DNA提取缓冲液含100 mmol·L-1Tris-HCl（pH为8.0），物质的量浓度为1.4 mol·L-1的NaCl溶液，物质的量浓度为20mmol·L-1的 EDTA溶液（pH8.0），质量分数为2%的CTAB溶液（用前在提取液缓冲液中加入质量分数为2%的PVP溶液、质量分数为2%的β-巯基乙醇溶液）。

采用CTAB法提取花菜的DNA做标准曲线，二苯胺法鉴定DNA。核酸蛋白仪鉴定DNA纯度：核酸类物质在紫外区260 nm处有最高吸收峰，230 nm处有最低吸收峰，而蛋白质则是在280 nm处具有强吸收峰，纯DNA的A260/A280的比值约为1.8，A260/A230的比值约为2.0。取DNA提取液5 μL，核酸蛋白仪上直接测定其浓度和纯度，每个样品重复3次。

标准蛋白溶液浓度为10 mg·mL-1，用牛血清白蛋白配制，取6支试管，分别加入0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL的蛋白溶液，用水补足到1 mL，加入1 mL双缩脲试剂，充分摇匀后，在室温下放置30 min，于A540 nm处测定吸光度值，绘制标准曲线。

2 结果与分析

2.1 DNA浓度标准曲线制作

花菜是“DNA的粗提取与鉴定”实验中常选用的植物材料。通过CTAB法提取含杂质较少、较为纯净的花菜DNA，用二苯胺试剂进行鉴定，并制作DNA浓度与吸光度的关系标准曲线。

称取15 g剪碎的花菜，加入20 mL提取液。采用CTAB法提取其DNA，并将提取物溶于1 mL蒸馏水中。多次提取后，将DNA提取液混合，在核酸蛋白仪上测定其浓度和纯度。将提取液稀释配成1 000 μg·mL-1的DNA标准液，设置不同的浓度梯度，并用二苯胺试剂在沸水浴的条件下进行鉴定，测定每一个试管中溶液的吸光度值（表1）。

表1 二苯胺鉴定不同浓度DNA

从表1可以看出，随着DNA浓度的上升，A595 nm处的吸光度值也不断升高。说明在一定浓度范围内，蓝色的深浅与DNA浓度成正比关系，DNA浓度与吸光度标准曲线为y=0.000 8x+0.001 1（R2=0.991 8）。

2.2 蛋白质浓度标准曲线制作

用牛血清白蛋白配成10 mg/mL的标准蛋白溶液。设置不同的浓度，在室温下与双缩脲试剂反应30 min，观察颜色变化，并于A540 nm处测得其吸光度值（表2），绘制标准曲线。

表2 双缩脲试剂测定不同浓度蛋白质

从表2中可以看出，随着蛋白质溶液浓度的不断提高，与双缩脲试剂发生反应时，紫色也由浅入深。当蛋白质溶液浓度为10 mg·mL-1时，紫色最深。随着蛋白溶液浓度的升高，在A540 nm处的吸光度值也不断升高。说明在一定浓度范围内，紫色的深浅与蛋白浓度呈正比关系y=0.075 2x+0.005 9（R2=0.983 3）。

2.3 三种不同植物材料DNA提取比较

选用香蕉、猕猴桃、豌豆苗3种植物材料作为实验材料。去皮的香蕉果实、猕猴桃果实鲜重30 g，豌豆苗叶片鲜重10 g，分别加入20 mL提取液进行DNA粗提取，将提取物加入1 mL蒸馏水溶解。用核酸蛋白仪对提取物浓度及纯度进行测定。

从表3中数据可以看出，每克豌豆苗叶片中提取出的DNA含量比其他两种材料高。同时，三种材料提取液A260/A280的比值都小于1.8，说明提取液中存在一些蛋白质或酚类物质污染。

表3 三种植物材料提取物浓度及纯度

按比例稀释提取液，加入二苯胺试剂分别进行鉴定，于A595 nm处测定其吸光度值（表4）。

表4 二苯胺试剂测定不同植物材料提取液

对应上述标准曲线计算DNA浓度，并与核酸蛋白仪所测得数据比较见表5。

表5 DNA含量与实际含量对比

从表4、5中可以看出，豌豆苗实际浓度和标准曲线对应浓度相差较小，而香蕉和猕猴桃测出的吸光度值过高，差异较大，不符合标准曲线。多次实验过程中，香蕉和猕猴桃在用二苯胺试剂进行鉴定时，即使提取出的DNA浓度较低，也会出现较为深的蓝黑色或紫黑色。而在对香蕉和猕猴桃提取液的进一步电泳分析中发现，提取出的DNA发生了断裂降解。水果果肉中富含多糖、多酚类物质和一些次生代谢物质，它们的存在往往会对DNA提取造成一些影响。一些多酚类物质会把DNA氧化成棕褐色，而多糖会与DNA结合成黏稠的胶状物。初步推测可能是由于某些次生代谢物质发生了氧化断裂或者是二苯胺试剂与断裂的DNA片段发生了更剧烈的反应，从而导致了香蕉和猕猴桃提取鉴定过程中出现了较大的误差。

DNA提取液中往往存在蛋白质的污染，加入双缩脲试剂进行鉴定，于A540 nm处测定吸光度值（表6）。

表6 双缩脲试剂测定不同植物材料提取液

对应上述标准曲线求得蛋白质浓度，并与核酸蛋白仪测得数据比较见表7。

表7 蛋白质含量与实际含量对比

从表6、7中可以看出，加入双缩脲试剂后，三种提取液中均发生了紫色反应，说明提取液中含有较多的蛋白质。可通过进一步提纯去除蛋白质，获得较为纯净的DNA。

3 讨论

DNA的粗提取与鉴定实验在高中生物实验中占有非常重要的地位。科学的不断发展使得人们对生物体的研究早已到了核酸和蛋白质的分子水平。“DNA的粗提取与鉴定”实验为学生揭开了遗传物质DNA的神秘面纱，对于学生理解“基因工程赋予生物新的遗传特性”这一重要概念有很大的影响。在教学中，教师可以鼓励学生对采用多种实验方法进行对比分析，从而找出操作简单、效果较好的实验方法。学生是教学活动中的主体，教师要有意识训练学生的创造性思维，以课本知识为基础，依据高中学生的认知水平，给学生自主探索和创新发现的机会。通过自主设计实验过程，学生加深对该实验步骤和原理的了解，拓展了思维，在完善实验流程中训练思维的缜密性。

在DNA的粗提取与鉴定实验教学中，如何提高学生的生物学学科核心素养非常关键。从定性实验到定量实验的改进，教师需要在实验的每个环节进行多次的完善和创新，找出实验中值得探究的地方。教师可在定性的基础之上加入定量分析、半定量分析，如在DNA提取、鉴定之后，引入DNA含量和蛋白质含量测定实验，将实验进一步进行深化，将教材中的验证性实验、结论性实验优化为探究性实验，满足不同的学生需求，如图1所示。同时，要着重从中学的实验条件和学生的认知水平方面考虑，在改进的过程中发展学生的思维能力。从自主选择实验材料、设计实验流程到最后的运用所学知识设计测定DNA浓度和蛋白质浓度的实验，学生在整个过程中有很大的自主空间和思考空间。不同于对照书本步骤进行实验操作，学生学习方式发生了转变，从主动学习中发现生物学科的乐趣，体会生物实验必须遵循的原则和严谨性。

教师在教学活动中应有意识地锻炼学生科学思维和科学探究能力，学生掌握了这些技能后在生活和学习中应用，从而达到提高生物核心素养的目标，促进学生的全面发展。