创客教育在生物工程技术中的应用——以自制低成本DNA凝胶电泳装置为例＊

余姝侨，陈 红

（深圳技师学院，广东 深圳 518116）

创客教育是创客文化的实践，即用DIY（Do it yourself，自己动手）的方式解决身边的问题，并进行资源共享的现代化的素质教育。创客教育的本质在于融合科学、技术、工程、艺术、数学等学科知识，通过体验式和创造式的学习，完成跨学科或跨专业的实践，培养具备创新能力、探究力和创造力的新型复合人才。近年来，创客教育在国内大中院校、社区及校外机构中的影响不断壮大，逐渐被学校、家长和学生认可和接受[1]。

生物工程技术的产业化一直呈稳步增长的趋势，尤其在疫情期间的核酸检测、疫苗研发和防护用具的生产中，生物技术发挥了举足轻重的作用。生物技术近20年来的蓬勃发展，离不开深入至细胞和分子层面的理论认知及持续不断的技术更新。生物课程的学科认识，已基本完成从宏观观察到微观探究的转变。分子生物学、基因工程学、遗传组织学、蛋白质工程等生物领域的热门学科，无不依赖于分子水平的实验技术发展和更新。随便进入一个生物实验室，都可以看到与研究染色体、DNA分子和基因有关的实验设备，如DNA凝胶电泳系统、PCR（DNA体外扩增）设备、限制性内切酶系统等。目前，生物的学科教育已经进入到中学的校本课当中。但是，并非所有的中学或职校的生物实验室能够负担高端且昂贵的分子生物实验设备和材料。绝大多数的生物课程还是以理论讲授为主，偶尔以虚拟软件为辅。在缺少动手实践的情况下，学生缺乏对微观层面知识的深入理解。

由于生物工程技术也是近年来广受关注的创客教育（或STEM教育）的一个热点方向，不少中学引入外界资源帮助学校建立生物技术类的创客课程体系，旨在提升学生的实操能力和创新创造力。笔者们曾在2018—2020年期间协助深圳市坪山高级中学、深圳大学附属坂田学校、深圳龙岗区平安里学校等几所中学开展了生物技术、生化技能、基因工程等不同主题的创客教育课程，并结合学校的实际情况完成了课程开发、建设和实施，取得了学校的认可和较好的反馈。本文选取了其中最受学生欢迎的基因工程创客课程中的DNA凝胶电泳装置的案例，先详细介绍了该装置的建设方案，再描述了围绕该装置设计的课程设计、实施及学生的反馈情况，为实现安全有效且低成本的现代生物技术进入普通学校提供了借鉴和参考。

1 DNA凝胶电泳装置建设

凝胶电泳是一种分析和鉴定生物大分子（蛋白质、核酸等）数量和质量的实验手段。DNA凝胶电泳是从动植物或微生物细胞中获取DNA样品后，按照相对分子质量大小分离DNA，并完成鉴定和纯化DNA片段等后续实验。分离DNA分子的凝胶为琼脂糖凝胶，是一种海藻提取物。其操作为DNA分子在琼脂糖凝胶的承载下，在电场中以一定的速度向适当的电极泳动，并依据分子本身的大小和构型产生不同的泳动速度，最终被分离开来，因此叫作“凝胶电泳”。该技术简单快捷，是基因工程的核心技术之一，也是生命科学研究的重要手段。在正规的分子生物实验室中，完成一套DNA凝胶电泳的操作需要以下几个部分：1套电泳槽装置，1台外接电源的电泳仪器，1台可调节紫外光和可见光的成像系统及配备的电脑和其他需要购置的实验耗材，如电极缓冲液、上样缓冲液、荧光染色剂等。设备及耗材的购置成本介于十余万至上百万元之间（国产或进口品牌）。此外，配套使用的实验耗材，如缓冲液和荧光染料等，一般带有毒性，需要操作者穿戴合适的实验护具进行操作，使用后还需进行有毒有害废弃物的分类回收。所以无论是价格还是操作难度，都限制了DNA凝胶电泳在一般的中学、社区和校外机构的使用和实施。

笔者们参考了SHIRAZU和ENS等学者的论文，在他们的研究基础上设计和改造了一套低成本的、用料简单、无毒、易回收的，可在中学或社区使用的DNA凝胶电泳装置[2-3]。这套装置组成如下：长方形塑料保鲜盒2个（大小各1个）、不锈钢电线1卷（长5m、直径0.6mm）、9 V方块碱性电池5个、带引线鳄鱼夹2条（黑红各1条）、琼脂糖试剂1瓶（BIOWEST 100 g装）、硬纸板1块、胶头滴管若干、10XTBE缓冲液（Labcoms 500 mL装）、甘油或糖浆少许、食用色素若干、龙胆紫溶液或甲基蓝精粉1瓶。其他实验室应有的材料和设备等包括剪刀、电线钳子、口袋小秤、小烧杯、搅拌勺子、加热炉或微波炉、加热保护手套等。

装置的具体操作为：①获取DNA样品。用洗洁精、盐和酒精的方法粗提取水果中的DNA，用体积分数为75%的酒精漂洗清洁后，将DNA溶解于蒸馏水中保存待用（具体方法参考文献[4]）。②制备凝胶。DNA凝胶的制胶和跑胶流程展示如图1所示。配置质量浓度为10 g/L的琼脂糖，用小秤称取0.2 g琼脂糖粉剂，溶于20 mL的1XTBE缓冲液中（用10XTBE缓冲液加入稀释到1X），用加热炉或微波炉加热至完全透明状（此时老师需注意用火用电安全），放凉至60℃左右（可用裸手触碰），倒入小塑料盒中，在盒的一端插入事先剪好的梳子状的硬纸板。放置至完全凝固，小心拔出梳子，注意不要弄碎凝胶，制胶完成。③装配电泳设备。自制低成本的DNA凝胶电泳装置如图2所示。在大的塑料盒中倒入超过盒内体积一半的1XTBE缓冲液；用电线钳子剪下2根长约10 cm的不锈钢电线，分别将一端弄弯曲，并放入大盒的两端离边框1～2 cm处；再将制备好的凝胶从小盒内取出，放入大盒里，完全浸没于缓冲液中（此时可添加缓冲液确保胶体完全浸没），注意不要触碰到两端的电线。④样品上样。上样前，应先确认胶孔内没有气泡，若有气泡，可用牙签或其他细小物品轻轻搅动使其溢出，注意不要戳破胶体。DNA样品为无色液体，可加入少量甘油或糖浆增加其质量，再加入少量食用色素使其可见。三者的体积比建议为3∶1∶1（DNA样品∶甘油∶食用色素），混合均匀后用胶头滴管缓缓注入胶孔中。此步骤可适当练习，直至带颜色的样品流入胶孔中。当有多个样品或者学生进行分组实验时，可使用不同的食用色素用于分辨样品。⑤跑胶。首先将5个9 V的碱性电池通过正负极连接的方式串联起来，组成总共为45 V的电池组，如图2所示，用黑色鳄鱼夹的一端连接电池组负极，另一端连接靠近胶孔端的电线；灰色鳄鱼夹的一端连接电池组正极，另一端连接远离胶孔端的电线（电泳方向为负极到正极，教师此时需注意用电安全）。鳄鱼夹一旦连接，缓冲液中会有细小的气泡升起，这代表电路连接成功，跑胶开始。跑胶用时为50～70 min，当颜色条带泳动到距离胶孔2/3处即可停止跑胶。⑥凝胶染色。取出凝胶，用龙胆紫溶液（用水稀释10 000倍）或甲基蓝溶液（用水稀释15000倍）浸泡凝胶12～36h后对光观察，拍照保存，如图3所示。

图1 DNA凝胶的制胶和跑胶流程展示图

琼脂糖凝胶（质量浓度为10 g/L）在1XTBE缓冲液中，使用45 V电池组跑胶1 h后使用龙胆紫溶液染色。图3中的白色条带为胶孔，黑色条带为染色后的DNA片段。

图3 跑胶后DNA分子的显影

电泳装置中的塑料盒、电线、鳄鱼夹等均可永久使用直至需更换，一组45 V的电池组可用于跑胶两三次；稀释后的1XTBE缓冲液可重复使用3～5次。综合消耗的试剂的价格及规格计算，每次跑胶的成本约为18～20元。一块凝胶可供8～10个学生使用，每个学生的耗材成本约为2.5元。与使用仪器相比，成本的接受度将大大提高。所有的试剂和耗材均为家用级别，对实验人员来说较为安全，并且无需特殊的废弃物回收。使用5个9 V的碱性电池产生总共为45 V的电压，通过该装置产生较低且安全的电流。这套装置在指导教师在场的情况下，可以提供给高中或社区学生使用。

2 基因工程创客项目课程的设计和实施

这套DNA凝胶电泳装置的设计和建设，是为了配合高中阶段（高一和高二年级）的基因工程创客社团课程而建立的。学生团体约为30～35人，年龄为14～16岁，具备一定的分子生物和基因工程的知识储备。学生平时的校本生物课程以理论讲解为主，操作过简单的生物化学实验，如显微镜操作、动植物解剖、化学试管反应等，缺少操作精细分子生物实验的经验。设计的基因工程项目创客课程主要以项目的形式，帮助学生理解分子层面的实验原理和增强他们的动手能力。课程分为4次课：①基因工程的简介和概述，水果中DNA的粗提取；②DNA凝胶电泳的理论介绍，实验步骤讲解，上样练习；③DNA凝胶电泳的实验操作，分组实验和讨论，凝胶染色；④观察凝胶结果，分析和讨论，完成课程评估和反馈，结课。每次课时长90 min，一般安排在16：30后的社团课期间内，分4周完成，由一位主讲老师和一两位助教共同参与。

在实施的过程中，第一次课以课程介绍和背景讲解为主，用时约30 min。在简单讲解DNA提取的理论后，让学生分组（两三人一组）完成一次水果DNA的粗提取（可选用香蕉、草莓、猕猴桃等软性水果），用时约40 min。最后粗提取的DNA溶解入蒸馏水中交由教师保存。第一次课的内容适用于初中以上年级的学生，因此对于高中生来说容易入手。这次课的主要目标为熟悉学生，摸底学生的能力和态度，查看学生分组的配合成效等。经过第一次课的磨合，学生一般会对课程产生较大的兴趣。

第二次课首先回顾上次课的内容，导入DNA凝胶电泳的理论介绍。这部分需要重点讲解琼脂糖凝胶的组成和电泳系统的原理，配合PPT和视频完成，用时约40 min。主讲教师讲解后安排抢答小测验，考察学生的理解程度。之后详细介绍自制凝胶电泳的材料和设备，包括每个物品的使用方法，助教进行演示等，并与实验室正规的操作进行对比，帮助学生分辨和区别。最后20 min的时间让学生练习使用胶头滴管点样的操作。大多数学生在经过两三轮练习后基本达到精准操作的水平。

第三次课简单回顾上次课的内容后，学生开始分组完成制备凝胶、装配电泳设备、样品混合上样及通电跑胶的所有程序。学生组内的工作安排由每组自行决定，主讲教师和助教循回指导，并现场回答问题，参与小组讨论等，总用时约80 min。在各组完成跑胶后，助教协助配置染色液，将凝胶浸入染色液中保存。染色12 h后，助教用保鲜膜包裹好凝胶后冷藏保存。

第四次课上，首先带领学生回顾DNA凝胶电泳的从理论到操作的全过程；再分组观察凝胶结果，引导学生根据结果进行分析，用时约30 min。接着主讲教师讲授DNA凝胶电泳的拓展知识，如可应用于亲子鉴定、刑侦侦破、转基因技术等，用时约25 min。

课程的最后，每位学生需完成一张课程测试和评估表。测试部分的问题包括写出凝胶电泳的原理，为什么电泳的方向是从负极到正极，怎样根据凝胶结果分析DNA的分子量大小，DNA凝胶电泳的拓展应用等，这部分考察学生对整个项目课程的认知。评估的部分反映学生的主观感受以及对于课程设置和课堂管理的认可度等，如表1所示，有助于往后的课程调整和完善。在项目课程实施过的3所高中，获得的评估反馈经过统计后的得分（±标准差）展示在表1中。从统计的结果看，这个项目课程的设计和组织较受学生欢迎，对于学生动手能力的提升和培养科学研究的热情具有积极的意义。同时，学生也普遍认可这种使用低成本自制材料完成生物实验的形式。总体来说，自制DNA凝胶电泳装置，或其他类似的自制实验器材，可以作为昂贵机器的替代品进入中学、社区或校外机构的创客课程中。

表1 基因工程项目课程评估表

3 讨论和总结

在创客教育日益盛行的今天，本文介绍了一种安全、简便、低成本的DNA凝胶电泳装置，可用于高中生物实验室、社区或校外培训的创客或STEM课程中，并与高中生物课程中的细胞生物学、分子生物学、遗传和进化学等内容有直接关联。凝胶电泳技术的核心关键是凝胶盒的建造和凝胶的制备，在许多实验室课程中，这部分一般由教师准备，学生无法直接观察。本文描述的这套装置，除了用料简单安全，学生也有机会通过动手搭建凝胶盒和制胶，了解设备的工作原理，对相关的流程和概念有了更深的理解，从而避免出现技术过度依赖而产生的“黑匣子”的错误观念。此外，DNA凝胶电泳装置的搭建中涉及的电荷泳动、物质运动、电压功率等知识，也与物理、科学、化学、工程等学科息息相关，真正做到了跨学科的体验式学习[4]。

现如今生物工程技术已经下沉到分子层面，依靠技术手段来观察科学现象是一种合理的教学手段。DNA凝胶电泳是分子生物学中的核心技术，却因受制于“高成本、高消耗”这些由于科学技术快速发展带来的副作用而无法广泛推行。笔者们设计的这套装置可被纳入普通高中生物课程中的遗传学、基因工程、生物多样性等课程中，为中学生提供近似于大学实验室课程的实践体验。学生在动手完成实验操作后，还可计算、分析和交流实验结果，增强团队协作和解决问题的能力。在已经完成的高中课程的评估反馈中，可以看出学生对装置的质量、课程的组织和实施、学生的参与度及获得的满足感等方面，都有较高的评价，也证明了这类装置在创客教育中具有重要的意义。这套简单、低成本的DNA凝胶电泳装置的推广，有助于更多的老师和学生接触到现今生命科学研究领域中至关重要的分子生物学中的核心技术，也为其他类似的低成本装置的开发提供了借鉴和参考。