設計家庭科學實驗“水果DNA粗提取”

◇陳 芊 何佳穎 彭龍云 導師：許德富（四川：四川樂山師范學院教育科學學院）

從19 世紀末開始，科學的迅猛發(fā)展使人類的生活方式、價值觀念、知識素養(yǎng)都發(fā)生了翻天覆地的改變，也為世界創(chuàng)造了巨大的物質財富。人們開始日益重視科學?？茖W地位的提高，也為科學教育的發(fā)展鋪就了墊腳石?？茖W本身散發(fā)著的獨特魅力，吸引著探索世界萬物的學生。

學生的好奇心是與生俱來的，從小就會對自己身邊的科學現(xiàn)象十分感興趣，如：為什么樹葉會變黃？為什么白醋和白開水一模一樣卻是酸的，能發(fā)出刺鼻的味道？人是怎么來的？先有雞，還是先有蛋？學生的天性就像科學家一樣，喜歡提問、思考、動手做，對周圍的一切事物都興趣十足，想一探究竟。因此，科學教育就成了學生解開萬物之謎的一把鑰匙，而科學實驗又是科學教育的基礎。

一、開展家庭科學實驗的意義

（一）對課堂教學的補充與延伸

1.對科學課堂教學的延伸

校內科學實驗課程時間有限，家庭科學實驗極大地彌補了在學?？茖W實驗課上未完成的教學知識。體現(xiàn)在家庭科學實驗的內容，讓學生復習了科學實驗課的教學內容，并延伸了一些課外知識或更深層次內容。

2.對實驗教學的有效補充

首先，家庭科學實驗與學生的日常生活密切相關，它的開展有利于引導學生學習，體驗與感知在課堂上不能親身體驗的科學現(xiàn)象以及日常生活中有趣的科學知識。其次，家庭科學實驗能有效地培養(yǎng)學生的自主動手能力、自主創(chuàng)新能力、自主學習能力。它還能將我們日常認為“高大上”的科學奧秘帶到生活中，提升科學的親和力。

因此，開展家庭科學實驗，既要引導學生自主實驗和觀察，又要盡可能地挖掘知識的深度。

（二）促進學生將科學與生活聯(lián)系起來

科學與生活是密不可分的，科學來源于生活，生活中創(chuàng)造科學。家庭科學實驗，用到的材料都是十分常見的生活用品，如洗潔精、小蘇打、色素、牙簽等等。學生用自己身邊的東西，就能感受到科學無限的魅力。除此之外，用家中常見的物品開展科學實驗，不僅能讓學生學到科學知識，還能影響到自己身邊的人，能讓爺爺奶奶等老一輩的人重新接觸科學知識，一舉多得。這正是我們大力提倡家庭科學教育的初衷所在。

（三）有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力

素質教育以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力為目標，對小學生來說，由于先天條件的和后天家庭環(huán)境、學習環(huán)境等的不同，思維方式也略有不同。在生活中，當學生有新的想法時，因為表達能力以及年齡的原因，存在被家長忽略或者認為是頑皮的情況，而學生迸發(fā)出新的主意和新的想法，是值得肯定的。

進行家庭科學實驗時，學生提出新的問題，也是一種創(chuàng)新。例如，當學生觀察到玻璃是透明的，而其他物體不是透明的，詢問為什么的時候，家長卻不以為然，即使注意到了，但因為不明白原因而回答不上來，因而選擇了忽略。在家進行科學實驗時，學生有充足的時間去觀察實驗材料，如從發(fā)現(xiàn)雞蛋是橢圓的，到雞蛋殼是硬的而且還有許多小坑，在實踐中用手去觸摸和用眼觀察的過程中，能鍛煉學生的實踐能力，在實踐中探索知識。

二、“水果DNA粗提取”家庭科學實驗的設計

如何能夠用一些方便、簡單的材料，在家就能做科學實驗，探索科學的秘密，是我們一直在思考和探索的問題。家庭科學小實驗的提出，為學生創(chuàng)造了一片科學的天地，引導他們探索科學知識，進入科學的世界。

筆者以“粗提取水果中的DNA”為例，引導學生在家中，用一些簡單的材料，就能與科學碰撞出不一樣的火花。

（一）一起認識DNA

在小學教學中，將DNA 的概念引入課題并非易事，因為學生在日常生活中并不能意識到細胞、DNA 等物質的存在，并且他們也不可能用感官去接觸這些東西，因而很難理解這些生物學的知識。但如果他們缺乏DNA 等方面的知識，就很難理解生物技術等科技知識。因此，為了跟上時代的步伐，滿足學生強烈的好奇心，在小學階段加入DNA等方面的生物科學知識，是十分必要的。

為了幫助小學生簡單地理解DNA 的概念，我確立了如下教學思路。

1.抽象化具體

分小組，每個小組照著不同的食譜，制作一個蛋糕。以不同的食譜會做出不同的蛋糕為比喻，引導學生認識到每個人的DNA 都不同，DNA 就像食譜一樣，決定著人的不同特征。每個人都有屬于自己的食譜，因此每個人的相貌都不相同。

DNA 對小學生來說是十分抽象的，看不見、摸不著。用蛋糕來比作DNA，將抽象轉化為一個具體的事物，能夠使學生易于理解DNA的概念。

2.具體化抽象

找每個人的不同。教師選擇三位學生為模特，讓其余學生發(fā)現(xiàn)他們的不同，如性別、眼睛、鼻子、耳垂等，引導其認識到DNA 分布于我們人體的不同部位，我們身體的各種特征都是由DNA控制的。

3.跟細胞打交道

創(chuàng)設情境，以一個房子內不同的組成部分比作人體的器官，將砌房子的磚比作細胞，讓學生認識到人是由很多細胞組成的，DNA 存在于細胞中，介紹細胞的結構。讓學生自己制作一個細胞模型，使其更加深刻直觀地認識細胞。

4.知識延伸

學生認識了人是由DNA 和細胞組成的，每個人都有不同的特征，世界上不可能存在完全一模一樣的兩個人。聯(lián)系到植物、水果等有生命的東西，都是同樣的道理，世界上不可能存在完全一模一樣的植物、水果。認識植物和水果等也是由DNA 和細胞組成的，DNA控制著它們的形態(tài)特征。

（二）粗提取水果DNA

學生認識了DNA 后，一定很好奇真實的DNA到底是長什么樣子的。我們利用家庭中簡單的實驗材料，就能提取水果的DNA，讓學生真實直接地接觸DNA。能夠充分激發(fā)學生對科學的興趣，感受科學的魅力，并且提升其科學素養(yǎng)。

1.實驗材料的選取

我們選取的水果為草莓、香蕉、獼猴桃。任何水果都可以提取DNA，但是選擇草莓主要是因為其“八倍體”的特征，每個草莓細胞中有8 份基因組，選取香蕉，是因為香蕉與人類的基因相似度高達50%，能夠更加直觀地感受DNA；選取獼猴桃是因為獼猴桃被稱為“水果之王”含有豐富的營養(yǎng)物質，其基因非常值得我們研究。

我們要用到的實驗材料有鹽、洗潔精、冰酒精，本次實驗我還增加了菠蘿汁。

2.實驗步驟及原理

從植物細胞的結構來看，我們要提取DNA，首先要攻破細胞壁、細胞膜、核膜，最后抵達細胞核中，提取細胞核中的DNA。

將水果搗碎攪拌。搗碎水果主要是物理破壞細胞壁，攪拌的作用是盡可能多地將水果細胞暴露。有條件，還可以將水果先在冰箱中冷凍，冷凍過的水果細胞壁能被冰晶破損，提取效果更好。

加鹽。在搗碎的水果中，加鹽攪拌，混合均勻，可加適量清水。食鹽中的鈉離子和氯離子可以中和DNA 上的電荷，使其在后續(xù)提取中，更易沉淀出來。

加洗潔精、菠蘿汁。在所得懸液中加入5～10毫升洗潔精和幾滴菠蘿汁，輕輕攪拌混合均勻，可靜置10 分鐘，后用濾網(wǎng)過濾。物理破壞細胞壁后，我們要攻破細胞膜和核膜。細胞膜和核膜的主要成分都是脂質，洗潔精中的表面活性劑可以破壞這一結構，將細胞核中的DNA釋放于溶液中。

在原有實驗的基礎上，我新增了加入菠蘿汁，因為菠蘿汁中的菠蘿蛋白酶可以進一步地將與DNA 緊密結合的蛋白質消化掉，讓實驗結果更明顯。

加冰酒精。在濾液中沿器壁緩慢倒入事先冷藏好的酒精，靜置觀察，會發(fā)現(xiàn)酒精和濾液的明顯分層現(xiàn)象，在兩種液體的交界處，有大量的白色絮狀物產生，這就是沉淀的DNA，并在浮力的作用下，上升到酒精層的表面。這就是提取的水果DNA。

DNA 是極性分子，酒精是非極性分子。根據(jù)“相似相溶”的原理，DNA 可以溶于水，但難溶于酒精，因此會在高濃度的酒精中相互吸附形成沉淀。酒精在使用之前冷藏是為了進一步降低DNA 的溶解度，獲得更多的沉淀。

（三）水果也有DNA

研究發(fā)現(xiàn)，人體的基因構造為30 多億堿基對，其中只有0.1%是完全屬于自己的，其余99.9%的部分，都是與其他人共享的。簡而言之，無論你認不認識對方，你們體內的基因重復率，都高達99.9%。例如，如果將人類體內30多億堿基對都編寫成一本書，這本書的頁數(shù)大約是27 萬頁，其中真正屬于你的頁數(shù)不到500頁。

當然，除了人類與人類之外，我們與地球上大部分生物都共享基因。研究認為，人類與黑猩猩的基因重合率為96%，人類與老鼠的基因重合率為85%。當然，這并不代表我們與它們就是近親。畢竟從地球的生命演化過程來看，一切的生物都來自最初的單細胞。

如前所述，人類與香蕉的基因有50%的重合，但香蕉可是一種水果，一直以來，我們進行基因重合的對比，都是與動物進行對比的，和水果對比后，難道也含有人類的基因嗎？是的，其實和剛剛說的一樣，我們在生命最初開始的地方，都有一個共同的祖先——露卡?，F(xiàn)代研究認為，露卡是一種微生物，看起來與細菌相似，它生活在溫暖的水中，科學上普遍認同的說法是，露卡來自淺海地區(qū)。不過，近年來，一些科學家認為，露卡可能最早出現(xiàn)于火成巖的裂縫中，很多元素都成了它的主要食物，后來，露卡不斷演化，才成就了地球上的萬物。

這項研究其實也可以證明，人類并不是外來物種，人類與地球上生物的基因重合率如此高，可以表明人類與地球上所有物種一樣，都來自同一個祖先。

三、結語

對水果DNA 的粗提取實驗，雖然只是一個小小的科學實驗，但是其中蘊含的道理卻十分豐富。學生親自動手完成這個實驗，去感受世間萬物生命的意義，直觀生命密碼DNA 的存在。實驗的本身原理其實并不難，但潛移默化地培養(yǎng)了學生科學的核心素養(yǎng)。我們希望通過廣大教育工作者的不懈努力，能夠創(chuàng)造出更多的家庭科學小實驗，讓學生在家就能感受科學的神奇魅力，成為學生放飛科學夢想的起點。