高中《生物技术实践》教学“做与导”的实践

  摘 要 以“DNA的粗提取和鉴定实验”为教学案例,就如何现新课改理念,将“做与导”有机结合,彻底转变“照方抓药”式做实验的传统教学模式,做了一定的探索。
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  关键词 生物技术实践 做与导 探究能力
  中图分类号 G633.91 文献标识码 B
  1 提出实验背景,激发学生实验热情
  “选修1生物技术实践”是与生产实践密切相关的一部分内容,基本都需要实验操作,且每个实验的操作都有难度,此外还关联着一些其他方面的知识。因此这部分内容教学难度大,学生的学习难度也很大。美国心理学家布鲁纳说:“学习的最好动机,乃是对所学教材本身的兴趣。”为了更好地组织这部分内容的教学,笔者结合书本的“课题背景”,恰当地引入对调动学生探究的积极性起着非常重要的作用。
  笔者在“DNA的粗提取和鉴定”实验中,采用如下方式引入:1953年,美国科学家沃森和英国克里克创造性地构建出DNA的双螺旋结构模型。科学发展到今天,DNA作为绝大生物体内的遗传物质,已经是众所周知,科学家从各种生物体内成功地提取到了DNA。那么同学们有没有兴趣知道DNA到底是怎样的物质呢?通过这节课的实验,我们将走近DNA,揭开DNA神秘的面纱,真切地感受DNA的存在。
  学生只有产生了强烈需要和浓厚兴趣的学习活动,才能有效地增进发展,这样的学习过程才是高效的、智慧的、灵动的。
  2 构建互动课堂,培养学生探究能力
  2.1 “做中学”
  《选修1?生物技术实践》是一门实践课程,要求教师组织学生通过实验设计和操作实践,进行科学的探究活动,但并不意味着动手的同时不动脑,强调“做中学”,期望通过学生自己积极思考,不断提升学生的思维品质。与所有其他生物课程的区别在于,每个课题都要求制作产品,且产品基本均为物质实体(如葡萄酒、果醋、DNA、提纯的血红蛋白等),每个课题应围绕怎样做、怎样做得更好进行。即使是科学原理和实验技术的学习(如微生物的实验室培养)也应围绕着“做”进行,即“学”围绕着“做”。教师在教学中要摆脱传统教学习惯的影响,将“做”摆在核心位置,让学生在“做”中体会科学探究的魅力。
  2.2 “做与导”
  教师的“导”在教学过程中担当了重要的角色,如何在实验教学中将“做”与“导”有机结合,这其中很重要的是设计相关的教学问题。设计问题非常重要,问题设计得好,有利于学生深入思考和讨论,促进学生学习活动的有效进行;设计得不好,就有可能会使学习活动流于形式。
  对于学生而言,选修1的教学内容以及学习方式是全新而陌生的,而且在学习的过程当中,遇到的问题肯定比较多而且棘手,因此本节课适于采用小组合作探究的方式教学。合作学习使学生在小组或团队中为了完成共同的任务,而进行明确的责任分工,从而进行互助性学习。
  具体实施过程如下:
  (1) 前期准备。
  ① 分组准备:前期的准备工作主要是进行分组。常见的分组方式是按照座位地点划分,这样的分组方式有利于学生相互交流,且操作简便。弊端是各个组的学习情况、学生讨论水平、能力不同,可能会出现各种问题。首先,有可能出现有的小组讨论很激烈,而另一组很沉闷,致使合作学习不均衡现象;其次,不利于对学习小组进行考核。因此,笔者即按照学生学习情况、讨论水平、能力不同进行平衡划分组。为了便于学生讨论交流,在生物课堂上按照新组就座,形成学习小组。一般以4~6组为宜(每组的人数不宜太少,否则不容易分工,也不宜太多,否则讨论比较困难)。
  ② 教学准备:教学准备主要是指教师在上课前所需要完成的准备工作,尤其是课堂上教师准备让学生完成学习任务的前期准备工作。主要包括教学设计,实验材料、器具的准备,每个环节都需要教师考虑周全。
  (2) 学习过程。
  ① 实验原理是一个实验的指挥棒,可以让学生自主阅读书本,在组内加以汇总、归纳分析,为后面的自主进行实验设计打下基础。同时教师也要鼓励学生提出一些小问题,培养学生的质疑意识。
  设计基本思路是:利用DNA与RNA、蛋白质和脂质等在物理和化学性质方面的差异(如不同物质在溶解性,对酶、温度、洗涤剂等的耐受性等方面的差异),提取DNA,去除其他成分。
  ② 实验过程的引导是重头戏。在整个实验教学过程中,是以学生为主体完成的,各项教学活动主要都是在教学小组内完成。但是在教学过程中,教师显然不能是旁观者,而要融入其中,否则就无法对课堂进行指导。教师的主要作用是通过设计一系列问题的方式引导学生去探索、阅读、讨论,并且负责答疑和引导。教师要引导学生通过实验,不仅掌握某项具体生物技术,而且通过实践领悟科学研究的一般过程,将学生的自主性与教师的引导有机地融合,同时渗透科学方法的训练,体现对学生科学探究能力的全面培养。
  具体引导过程如下:
  ① 实验材料的选择。
  提供几组实验材料:菜花、猪肝、鸡血、精子、豌豆、香蕉、菠菜、洋葱、猕猴桃、鱼卵、猪血。
  什么样的实验材料适合提取DNA?你打算选用什么实验材料,理由是什么?你也可以同时用2~3种实验材料,最后比较哪种材料中DNA的含量更高。
  学生讨论:凡是有DNA的生物都可以作为本实验提取DNA的材料,即(菜花、猪肝、鸡血、精子、卵子)都可以。精子、卵子等中虽然有DNA,但精子、卵子的DNA含量和体细胞相比减半,提取到DNA含量相对减少,因此,可以选择菜花、猪肝、鸡血。鸡血是最佳选择。理由是菜花是植物,要得到DNA需要经过研磨这道程序,猪肝组织块也需要研磨。而鸡血有以下优点:核DNA含量丰富;吸水易胀破。
  ② 血细胞液的制备。
  提供从市场上买来的鸡血,让学生思考:
  取血过程如何解决凝血问题?选用鸡血好吗,为什么?用什么方法得到血细胞液呢?   学生讨论结果:
  加抗凝剂(如柠檬酸钠)解决凝血问题。鸡血的DNA主要存在于血细胞中,而血浆中几乎无DNA。因此,想办法把血浆去掉,得到的血细胞液中DNA含量就高了。离心或放冰箱冷藏静置,除去上清液,即得鸡血细胞液。
  ③ 提取核物质。
  思考:DNA存在于血细胞里,要得到DNA,得想办法让DNA从细胞里释放出来,有什么办法吗?
  学生讨论:方案一:用玻璃棒把细胞打碎。可以在血细胞里加蒸馏水,这样血细胞被水胀破,同时用玻璃棒搅拌,DNA就释放出来了。方案二:可以用洗涤剂把细胞膜瓦解的办法。
  在讨论的基础上,教师引导学生尝试用简便,可行的方法来进行提取核物质这一步实验。学生动手操作,教师巡视、质疑:
  你觉得现在烧杯中有那些物质了?(有释放出来的核物质如DNA、蛋白质,还有破碎的膜碎片)
  如何将它们分离呢?(用纱布过滤,去滤液)
  你觉得得到的滤液中可能含哪些物质呢?教师引导学生,结合原理分析讨论:除去了膜碎片等较大的杂质,滤液中应该有DNA、蛋白质、脂质等物质。
  如何进一步分开它们呢?说出理由。
  学生讨论:方案一:可以直接在滤液中加嫩肉粉,因为嫩肉粉中的蛋白酶可将滤液中的蛋白质分解而得到DNA。方案二:可以利用DNA在2 mol/L的NaCl溶液中溶解度大,可析出蛋白质的特点,分离得到DNA。方案三:通过将温度控制在60~80℃,使蛋白质变性而DNA不变性的特点,分离得到DNA。
  师:同学们说得很有道理,你可以选择适合自己的简便易行的方案操作。
  学生动手操作,教师及时指导。
  ④ 溶解核内DNA。
  师:在很多学生都想到了利用DNA在NaCl滤液中的溶解度分离DNA和其他物质的基础上,如果你采用的也是该方法,如何从浓盐中得到DNA呢?
  学生讨论:DNA在0.14 mol/L的NaCl溶液中溶解度最小;可直接在刚才的浓盐烧杯中加蒸馏水,降低DNA溶解度使DNA析出;可进一步用纱布过滤,从纱布上得到DNA的黏稠物。
  师:你觉得加蒸馏水需要注意哪些方面?
  学生讨论:蒸馏水不是越多越好。当NaCl溶液达到0.14 mol/L时,再加蒸馏水就会使析出的DNA又溶解了;为了保证得到DNA的量,要缓慢加蒸馏水,待丝状物不再析出,就要停止加蒸馏水。
  师:同学们得到的丝状物有的组多,有的组少,能分析一下原因吗?哪些步骤的操作会影响到丝状物集中?
  学生讨论:可能是第一次加蒸馏水,没有充分搅拌让细胞破裂;过滤操作不规范,损失了DNA;第二次加蒸馏水时没有控制好,过少或过多;玻璃棒搅拌的力度过大,将DNA打碎了。
  教师总结:每一步都是影响实验失败的因素,同学们一定要认真分析,注意操作的原理及其注意事项,把握好细节,才能走向成功。
  进一步质疑:成功得到丝状物的小组同学认真思考,此时的丝状物不是很纯净,如何进一步提纯呢?冷酒精对析出DNA作用大吗?
  学生讨论:DNA不溶于体积分数为95%的冷酒精。为了达到进一步提纯的目的,还要把丝状物用2 mol/L的NaCl先溶解,进行过滤,再采用刚才的方法即可;冷酒精加速了DNA的析出,提高了效率。
  学生动手操作,在操作中及时反思实验设计,同时教师鼓励学生自主研习和设计实验方案。此外,教材还有大量的旁栏问题,大多是引导学生思考“应该怎样做”以及“为什么要这样做”的,教师要灵活应用。
  (3) 评价总结及批判性研究。
  《必修?生物技术实践》要求学生积极参与探究的全过程,评价主要包括:学习的积极性和态度、课堂教学的参与程度、操作的认真性和参与程度、实验成果的展示,实验报告的完成情况、方法改进等方面。如何对学生的学习情况进行合理评价,在教学实践中,教师应根据实际情形确定准确和可操作的评价体系。
  就DNA粗提取和鉴定实验是一个定量分析定性检测实验。其生化实验的复杂性决定了学生必须对该实验的操作要点和具体步骤作出必要的归纳总结,才能对实验流程作一个整体把握。教师应鼓励学生积极开拓思维,从不同的研究角度大胆地进行创新研究,让学生在评判诸如选材的优劣、操作的繁简、实验的改进、失败的原因分析等方面问题的过程中,愉快而轻松地学习。
  学生在小组讨论后,将本节课的收获总结如下:
  ① 一个目的:在体验科学思维的过程中提取和鉴定DNA。
  ② 两次用蒸馏水:蒸馏水破膜提取核物质和蒸馏水稀释析出DNA。
  ③ 三次过滤:过滤核外物质,过滤DNA核蛋白,过滤DNA。
  ④ 四个关键词:DNA提取,设计思路,科学思维和研究性学习。通过研究性学习,学生在发现问题、分析问题、处理问题的过程中,能不断领悟科学思想和掌握科学方法,并以极大的探究乐趣主动地去探索生命的奥秘。
  ⑤ 五次搅拌:第1步同方向加力搅拌,第3、5、7步同方向轻缓搅拌。
  ⑥ 六种溶液:主要有柠檬酸钠液、酒精液、二苯胺液、甲基绿液、0.015 mol/L和2 mol/LNaCl溶液。
  ⑦ 七种探究模式:本实验可尝试性拓展为探究性实验。
  改型后主要参考课题有:
  ① 探究使用鸡的不同组织材料进行实验时的实验效果。
  ② 探究蒸馏水量引起的鸡血细胞在不同低渗状态下的破裂程度。
  ③ 探究DNA在不同质量分数氯化钠溶液中的溶解度并绘出曲线图。
  ④ 探究DNA鉴定过程中不同水浴温度对显色的影响。
  ⑤ 探究沉淀DNA时不同温度的酒精对沉淀量的影响。
  ⑥ 探究过滤过程中纱布层数对最终提取物量的影响。
  ⑦ 探究使用玻璃烧杯、试管与使用塑料制品对DNA提取量的影响。
  ⑧ 八个步骤:提取→过滤→溶解→过滤→再溶解→再过滤→提纯→鉴定。
  (4) 教学反思
  通过“做”与“导”可以锻炼学生解决实际问题的能力,缩小理论与实践的距离。与必修教材中片断式的探究活动相比,课题展现的是更加真实、丰富和完整的科学探究情境。学生拥有选择课题,了解、分析背景知识,理顺研究思路,设计实验流程,规范操作到评价结果的独立自主权。又由于课题最终需要获取某项“产品”,因而使学习具有实战演练的性质。
  此教学方式有助于学生构建综合的知识体系。课题的构建基于具体问题的解决,而问题的解决方法往往是泛学科的,这就促使学生各方面的知识以解决问题为核心,产生相互联系。例如,该实验中就涉及到许多物理和化学知识的应用。
  此教学方式有助于学生养成终身学习习惯。课题的完成要求学生针对问题,自学相关知识,运用科学方法,遵循基本的原则和要求,做出实验决策,并最终生产出“产品”。这一过程能够培养学生的自学习惯,锻炼其自学能力,为终身学习习惯和能力的养成打下基础。
  综上所述,生物技术实践,不再是传统生物教学中的“照方抓药”式的做实验。通过教师的有效引导和学生自主探究、实验实践有机结合,使学生具备内在的自我激发的学习动机,掌握有计划的或者已经熟练到自动化程度的学习方法。在这样的基础上,开展合作学习,让学生真正有机会通过自主的实践活动,充分发展个性,开阔学生的科学视野,促进学生在现实生活的背景下学习生物学,紧密联系现实生活和现代科技的进展;让学生像科学家一样去参与实践,发现真理。
  参考文献
  [1] 吴举宏.“选修1生物技术实践”的教学建议[J].生物学通报,2009,6:44.
  [2] 汪忠.“生物技术实践”模块的解读[J].生物学通报,2005.3.
浏览次数:  更新时间:2015-09-03 08:10:08
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