基于實際問題解決的生物智慧課堂

李偉

《普通高中生物學課程標準（2017版）》指出生物學學科核心素養是學生在解決真實情境中的實際問題時所表現出來的價值觀念、必備品格與關鍵能力，是學生知識、能力、情感態度與價值觀的綜合體。結合“實際問題解決”設計生物課堂和智慧課堂理念，基于實際問題解決的生物智慧課堂就是結合實際問題解決和智慧課堂理念設計生物課堂教學，其基本模式就是在智慧課堂環境支持下，推送有科學探究價值的實際問題，學生在互助、交流中運用已有知識分析、解決實際問題，并以實際問題的逐步解決為主線構建課堂結構，達成教學目標，讓學生體驗知識價值的同時生物學學科核心素養得以提升。基于學生在逐步解決問題的思考過程架構的生物智慧課堂教學對于學生今后科學探究、科學思維等素養的養成以及生命觀念和社會責任的樹立有積極和深遠的意義。新時代下，教師應從促進學生生命的整體發展的高度創造條件讓學生自主發展與成長，重視學生的生命存在感，豐富學生的思維體驗。

下面以“DNA的粗提取與鑒定”為例，進行基于實際問題解決的生物智慧課堂的實踐與思考。“DNA的粗提取與鑒定”是人教版生物教科書《選修1·生物技術實踐》的課題，也是《普通高等學校招生全國統一考試生物科（江蘇卷）考試說明》中列出的高中生物學選修內容之一。該實驗讓學生初步嘗試對植物、動物組織中的DNA進行粗提取并鑒定，可加深學生對DNA的理化性質的了解，掌握DNA粗提取與鑒定的原理，可讓學生體驗物質層面的生物學研究所涉及的提取、分離和鑒定等一般的思路和方法，是學生生物科學中有關物質提取和鑒定的重要實驗。本課的教學如果按照“教師先講解實驗原理、實驗材料、實驗操作步驟，學生按要求完成實驗并展示實驗結果”的教學流程展開，學生只會按照教材的步驟或老師的要求去操作，出現動手不動腦的狀態。這種流于形式的生物學實驗無法讓學生體驗科學探究，束縛了學生的科學思維。針對這種傳統生物實驗課堂的不足，本節課基于問題解決和智慧教學平臺在實驗教學中進行了生物學學科核心素養滲透的嘗試，具體教學設計如下。

1 教師推送資源，學生在提出問題，科學思維中生成實驗原理

對實驗DNA粗提取涉及的實驗原理，學生完全陌生。如果教師只是一味的介紹，學生缺乏科學思維空間，只能形成知識機械的記憶，無法形成深刻認識。教師可以針對DNA粗提取原理進行如下教學設計，先推送以下材料，讓學生在智慧學習平臺上互動討論。

油桃深受消費者的青睞，但在果實成熟期和采后貯藏期間，普遍存在果肉的褐變現象，導致果實的品質和耐貯性下降。果肉的褐變與多酚氧化酶（ PPO）的活性和含量密切相關。為了解決果肉的褐變問題，科學家采用現代生物學技術手段分離PPO基因，然后用它構建反義基因，從而抑制PPO基因的表達，阻止果肉褐變的發生。要分離PPO基因首先要得到油桃的基因組DNA。以下是科學家提取高質量的基因組DNA的操作。

①從油桃樹上取長度約為1～3 cm的嫩芽1.0 g，洗凈晾干后，液氮速凍，研磨成粉末（液氮處理的目的：使材料變脆，易于研磨：抑制DNA酶的活性，減少DNA酶的分解）。

②迅速轉入4 mL預熱至700C的物質的量濃度為2 mol/L的NaCl溶液中，混合均勻，靜置5 min。（DNA溶于2 mol/LNaCl溶液：蛋白質和DNA對高溫的耐受性不同，一般蛋白質變性溫度為65～80℃，DNA的變性溫度一般要在80℃以上，在70℃的溫度下處理可以實現DNA和蛋白質的分離。）

③混合液在7500 r/min禹心5min，取上清液加蒸餾水調整NaCl溶液濃度至0.14 mol/L，再500 r/min離心5 min，去除上清液（DNA在0.14 mol/LNaCl溶液中溶解度最小）。

④將沉淀移入5 mL離心管中，加1 mL的物質的量濃度為2 mol/L NaCl溶液，65℃溫育30 min，以溶解沉淀。

⑤加入0.6倍體積異丙醇，充分混勻，于4℃，5 000 r/min禹心5 min，去除上清液，沉淀用體積分數為95%的酒精漂洗1次（DNA不溶于異丙醇和酒精）。

⑥在沉淀中加入l mL的物質的量濃度為2mol/L的NaCI溶液，65℃溫育30 min，再加2倍體積冰冷的體積分數為95%酒精，勾出DNA沉淀。重復該步驟兩次。沉淀用無水乙醇漂洗3次，晾干。

⑦PCR擴增：PPO基因保守區的特異性擴增。

PCR反應體系為：基因組DNA500 ng，4種dNTP濃度均為150 pmoVL，PPO基因保守區5和3端引物各濃度為125 pmol/L，Taq DNA聚合酶1.5 U，特定的PCR反應液。

PCR反應條件為：94℃預變性2 mm，94℃下反應1 min，然后在60℃下反應1 min、70℃下反應1.5 min運行30個循環后，取產物進行電泳分析，得到PPO基因，再利用基因工程技術制成反義PPO基因。

教師在引導學生分析資料的同時，使學生認識到提取高質量的基因組DNA是開展分子生物學研究工作的基礎，體驗到本實驗內容的價值和意義。并啟發學生結合油桃DNA提取過程，自主獨立思考提取DNA過程中所利用的DNA的理化特性。

智慧課堂為課堂學習資源的推送和實際問題情境的創設提供了重要支持，并能根據課堂實際不斷調整教學活動和行為，共同建構并形成新的信息、資源的動態的過程，以達成教學目標。

2 交流互動，生成建構，互動交流中共享實驗原理

學生個性化的思考和見解可能有失偏頗，教師可以利用智慧教學平臺進行互動交流，不斷地優化和完善。而這種思維的碰撞過程可以由課前延伸到課堂，在課堂中作為重要的生成性教學資源進行設計和利用。如，教師可利用智慧教學平臺針對DNA理化性質相關問題，有效實現學生之間的交流與互動，使學生分享各自的思考和見解，逐步生成DNA粗提取的各項原理。

智慧課堂能夠及時捕捉學生在解決實際問題的互動過程中的生成性信息，同時，還能夠將一部分生成性信息轉化為生成性資源，并通過共享來支持學生的意義建構。

例如，學生在上述實際問題的分析中可以生成并共享以下DNA的理化性質：

（1）溶解度：

①DNA與蛋白質在不同濃度的NaCI溶液中溶解度不同。DNA在NaCl溶液中的溶解度隨著NaCI溶液的濃度的變化而改變。當NaCI溶液物質的量的濃度為0.14 mol/L時，溶解度最小。

②DNA不溶于乙醇（尤其冷的乙醇，其凝集效果更佳），但細胞內的蛋白質可溶于乙醇。

③DNA不溶于異丙醇。

（2）耐受性：

①一般蛋白質變性溫度為65～80℃，DNA的變性溫度一般要在80℃以上。

②洗滌劑可以瓦解細胞膜，使蛋白質變性，對DNA幾乎不起作用。

③蛋白酶催化蛋白質水解，不能催化DNA水解。

3 互助學習，展示交流，科學探究中應用實驗原理

將學生在課堂中自主生成并共享的DNA的理化性質作為教學資源，教師可適時地給出實驗目的，要求學生以洋蔥為實驗材料，結合實驗室給出的器材和試劑提出1-2種可行的粗提取DNA的實驗操作設計，在智學平臺上進行展示交流，相互完善，然后進行實驗。

學生會結合推送資料的實驗操作，根據不同的DNA理化性質，基于實驗室現有的器具、材料、試劑設計出個性化的可行的實驗操作步驟，并利用智慧教學平臺進行組內和組間比較，相互學習，相互幫助使實驗步驟的設計不斷完善和優化。然后，在分組實驗中，各組操作各不相同，各組都期待實驗結果并利用智慧教學平臺進行比較。以下就是不同小組針對實驗線上交流結果的整理。

①利用DNA與蛋白質在不同濃度的NaCl溶液中溶解度不同：在物質的量濃度為2 mol/L的NaCI提取液中緩緩加入蒸餾水，并沿一個方向輕輕攪拌，出現絲狀物;當絲狀物不再增加時，停止加水（此時NaCI溶液的物質量濃度相當于0.14 mol/L）。

②利用DNA不溶于酒精（異丙醇），往該試管中加入1或2倍體積的體積分數為95%的酒精（異丙醇溶液），輕輕振蕩試管，使溶液充分混合。這時，溶液中可出現大量白色“毛絮狀”（纖維狀黏稠）物，白色“毛絮狀”物即為DNA。

③利用DNA和蛋白質在高溫耐受力的差別：將提取液在60-75℃恒溫水浴箱中保溫10 min- 15 min，注意嚴格控制溫度范圍。

④利用DNA和蛋白質在酶處理時耐受力的差別，嘗試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適溫度）處理10-15 min，不僅使蛋白質被分解，且高溫能使部分蛋白質變性，達到純化DNA提取物的效果。

⑤利用洗滌劑可以瓦解細胞膜，使蛋白質變性，對DNA幾乎不起作用。加入1/10體積清潔劑，按一定方向輕搖5 min。清潔劑能夠瓦解細胞膜，其中含有的SDS（十二烷基硫酸鈉）具有使蛋白質變性，與DNA分離的作用，有利于DNA的提取。

4 思維碰撞，拓展提升，落實生物學學科核心素養

教師可以將實驗操作過程和實驗結果以圖片和視頻的方式在智慧平臺上進行展示、分享和反思，有針對性地進行拓展提升。本實驗不同操作方法的提取效果存在一定差異，教師可以引導學生進行比較和分析。如利用二苯胺鑒定針對不同操作方法提取的DNA時顏色深淺不同，教師啟發學生思考：可能不同的提取方法在實驗室條件下收集到的DNA量不同。進而可以啟發學生思考：如果要測定DNA含量，在實驗過程中如何盡量減少DNA損失？如果要提高DNA純度可以怎么操作？又如何進行DNA純度測定？綜合課堂的各種討論和分析，教師甚至可以拓展到一般的物質生物學研究所涉及的提取、分離、鑒定等通常需考慮的問題和相應的處理。

以信息技術變革課堂空間，教師應重組課堂組織與活動，再造課堂結構與模式，包括推送學習資源，記錄生成性資源并共享，支持可視化成果展示等。本實驗的實驗原理讓學生在體驗科研過程中互動互助生成，學生自主設計實驗并進行個性化的操作和展示，通過明晰內部機制、外部推力、學習活動以及智慧課堂環境的技術支持，構建了智慧課堂。

基于實際問題的智慧課堂創設有助于動態生成的教學過程，為學生的互評、反思和交流提供空間，有效支持資源共享和學生作品的生成創作，落實科學探究、科學思維等核心素養，提升教學目標，豐富教學內容，再造教學流程，創生附加價值，重塑課堂生態。

參考文獻：

陳桂信，呂柳新，賴鐘雄，等.基因組DNA的提取與純化[J].江西農業大學學報，2004，26（3）：330-333.