創(chuàng)客教育在生物工程技術中的應用
——以自制低成本DNA凝膠電泳裝置為例＊

余姝僑，陳 紅

（深圳技師學院，廣東 深圳 518116）

創(chuàng)客教育是創(chuàng)客文化的實踐，即用DIY（Do it yourself，自己動手）的方式解決身邊的問題，并進行資源共享的現(xiàn)代化的素質(zhì)教育。創(chuàng)客教育的本質(zhì)在于融合科學、技術、工程、藝術、數(shù)學等學科知識，通過體驗式和創(chuàng)造式的學習，完成跨學科或跨專業(yè)的實踐，培養(yǎng)具備創(chuàng)新能力、探究力和創(chuàng)造力的新型復合人才。近年來，創(chuàng)客教育在國內(nèi)大中院校、社區(qū)及校外機構中的影響不斷壯大，逐漸被學校、家長和學生認可和接受[1]。

生物工程技術的產(chǎn)業(yè)化一直呈穩(wěn)步增長的趨勢，尤其在疫情期間的核酸檢測、疫苗研發(fā)和防護用具的生產(chǎn)中，生物技術發(fā)揮了舉足輕重的作用。生物技術近20年來的蓬勃發(fā)展，離不開深入至細胞和分子層面的理論認知及持續(xù)不斷的技術更新。生物課程的學科認識，已基本完成從宏觀觀察到微觀探究的轉(zhuǎn)變。分子生物學、基因工程學、遺傳組織學、蛋白質(zhì)工程等生物領域的熱門學科，無不依賴于分子水平的實驗技術發(fā)展和更新。隨便進入一個生物實驗室，都可以看到與研究染色體、DNA分子和基因有關的實驗設備，如DNA凝膠電泳系統(tǒng)、PCR（DNA體外擴增）設備、限制性內(nèi)切酶系統(tǒng)等。目前，生物的學科教育已經(jīng)進入到中學的校本課當中。但是，并非所有的中學或職校的生物實驗室能夠負擔高端且昂貴的分子生物實驗設備和材料。絕大多數(shù)的生物課程還是以理論講授為主，偶爾以虛擬軟件為輔。在缺少動手實踐的情況下，學生缺乏對微觀層面知識的深入理解。

由于生物工程技術也是近年來廣受關注的創(chuàng)客教育（或STEM教育）的一個熱點方向，不少中學引入外界資源幫助學校建立生物技術類的創(chuàng)客課程體系，旨在提升學生的實操能力和創(chuàng)新創(chuàng)造力。筆者們曾在2018—2020年期間協(xié)助深圳市坪山高級中學、深圳大學附屬坂田學校、深圳龍崗區(qū)平安里學校等幾所中學開展了生物技術、生化技能、基因工程等不同主題的創(chuàng)客教育課程，并結合學校的實際情況完成了課程開發(fā)、建設和實施，取得了學校的認可和較好的反饋。本文選取了其中最受學生歡迎的基因工程創(chuàng)客課程中的DNA凝膠電泳裝置的案例，先詳細介紹了該裝置的建設方案，再描述了圍繞該裝置設計的課程設計、實施及學生的反饋情況，為實現(xiàn)安全有效且低成本的現(xiàn)代生物技術進入普通學校提供了借鑒和參考。

1 DNA凝膠電泳裝置建設

凝膠電泳是一種分析和鑒定生物大分子（蛋白質(zhì)、核酸等）數(shù)量和質(zhì)量的實驗手段。DNA凝膠電泳是從動植物或微生物細胞中獲取DNA樣品后，按照相對分子質(zhì)量大小分離DNA，并完成鑒定和純化DNA片段等后續(xù)實驗。分離DNA分子的凝膠為瓊脂糖凝膠，是一種海藻提取物。其操作為DNA分子在瓊脂糖凝膠的承載下，在電場中以一定的速度向適當?shù)碾姌O泳動，并依據(jù)分子本身的大小和構型產(chǎn)生不同的泳動速度，最終被分離開來，因此叫作“凝膠電泳”。該技術簡單快捷，是基因工程的核心技術之一，也是生命科學研究的重要手段。在正規(guī)的分子生物實驗室中，完成一套DNA凝膠電泳的操作需要以下幾個部分：1套電泳槽裝置，1臺外接電源的電泳儀器，1臺可調(diào)節(jié)紫外光和可見光的成像系統(tǒng)及配備的電腦和其他需要購置的實驗耗材，如電極緩沖液、上樣緩沖液、熒光染色劑等。設備及耗材的購置成本介于十余萬至上百萬元之間（國產(chǎn)或進口品牌）。此外，配套使用的實驗耗材，如緩沖液和熒光染料等，一般帶有毒性，需要操作者穿戴合適的實驗護具進行操作，使用后還需進行有毒有害廢棄物的分類回收。所以無論是價格還是操作難度，都限制了DNA凝膠電泳在一般的中學、社區(qū)和校外機構的使用和實施。

筆者們參考了SHIRAZU和ENS等學者的論文，在他們的研究基礎上設計和改造了一套低成本的、用料簡單、無毒、易回收的，可在中學或社區(qū)使用的DNA凝膠電泳裝置[2-3]。這套裝置組成如下：長方形塑料保鮮盒2個（大小各1個）、不銹鋼電線1卷（長5m、直徑0.6mm）、9 V方塊堿性電池5個、帶引線鱷魚夾2條（黑紅各1條）、瓊脂糖試劑1瓶（BIOWEST 100 g裝）、硬紙板1塊、膠頭滴管若干、10XTBE緩沖液（Labcoms 500 mL裝）、甘油或糖漿少許、食用色素若干、龍膽紫溶液或甲基藍精粉1瓶。其他實驗室應有的材料和設備等包括剪刀、電線鉗子、口袋小秤、小燒杯、攪拌勺子、加熱爐或微波爐、加熱保護手套等。

裝置的具體操作為：①獲取DNA樣品。用洗潔精、鹽和酒精的方法粗提取水果中的DNA，用體積分數(shù)為75%的酒精漂洗清潔后，將DNA溶解于蒸餾水中保存待用（具體方法參考文獻[4]）。②制備凝膠。DNA凝膠的制膠和跑膠流程展示如圖1所示。配置質(zhì)量濃度為10 g/L的瓊脂糖，用小秤稱取0.2 g瓊脂糖粉劑，溶于20 mL的1XTBE緩沖液中（用10XTBE緩沖液加入稀釋到1X），用加熱爐或微波爐加熱至完全透明狀（此時老師需注意用火用電安全），放涼至60℃左右（可用裸手觸碰），倒入小塑料盒中，在盒的一端插入事先剪好的梳子狀的硬紙板。放置至完全凝固，小心拔出梳子，注意不要弄碎凝膠，制膠完成。③裝配電泳設備。自制低成本的DNA凝膠電泳裝置如圖2所示。在大的塑料盒中倒入超過盒內(nèi)體積一半的1XTBE緩沖液；用電線鉗子剪下2根長約10 cm的不銹鋼電線，分別將一端弄彎曲，并放入大盒的兩端離邊框1～2 cm處；再將制備好的凝膠從小盒內(nèi)取出，放入大盒里，完全浸沒于緩沖液中（此時可添加緩沖液確保膠體完全浸沒），注意不要觸碰到兩端的電線。④樣品上樣。上樣前，應先確認膠孔內(nèi)沒有氣泡，若有氣泡，可用牙簽或其他細小物品輕輕攪動使其溢出，注意不要戳破膠體。DNA樣品為無色液體，可加入少量甘油或糖漿增加其質(zhì)量，再加入少量食用色素使其可見。三者的體積比建議為3∶1∶1（DNA樣品∶甘油∶食用色素），混合均勻后用膠頭滴管緩緩注入膠孔中。此步驟可適當練習，直至帶顏色的樣品流入膠孔中。當有多個樣品或者學生進行分組實驗時，可使用不同的食用色素用于分辨樣品。⑤跑膠。首先將5個9 V的堿性電池通過正負極連接的方式串聯(lián)起來，組成總共為45 V的電池組，如圖2所示，用黑色鱷魚夾的一端連接電池組負極，另一端連接靠近膠孔端的電線；灰色鱷魚夾的一端連接電池組正極，另一端連接遠離膠孔端的電線（電泳方向為負極到正極，教師此時需注意用電安全）。鱷魚夾一旦連接，緩沖液中會有細小的氣泡升起，這代表電路連接成功，跑膠開始。跑膠用時為50～70 min，當顏色條帶泳動到距離膠孔2/3處即可停止跑膠。⑥凝膠染色。取出凝膠，用龍膽紫溶液（用水稀釋10 000倍）或甲基藍溶液（用水稀釋15000倍）浸泡凝膠12～36h后對光觀察，拍照保存，如圖3所示。

圖1 DNA凝膠的制膠和跑膠流程展示圖

瓊脂糖凝膠（質(zhì)量濃度為10 g/L）在1XTBE緩沖液中，使用45 V電池組跑膠1 h后使用龍膽紫溶液染色。圖3中的白色條帶為膠孔，黑色條帶為染色后的DNA片段。

圖3 跑膠后DNA分子的顯影

電泳裝置中的塑料盒、電線、鱷魚夾等均可永久使用直至需更換，一組45 V的電池組可用于跑膠兩三次；稀釋后的1XTBE緩沖液可重復使用3～5次。綜合消耗的試劑的價格及規(guī)格計算，每次跑膠的成本約為18～20元。一塊凝膠可供8～10個學生使用，每個學生的耗材成本約為2.5元。與使用儀器相比，成本的接受度將大大提高。所有的試劑和耗材均為家用級別，對實驗人員來說較為安全，并且無需特殊的廢棄物回收。使用5個9 V的堿性電池產(chǎn)生總共為45 V的電壓，通過該裝置產(chǎn)生較低且安全的電流。這套裝置在指導教師在場的情況下，可以提供給高中或社區(qū)學生使用。

2 基因工程創(chuàng)客項目課程的設計和實施

這套DNA凝膠電泳裝置的設計和建設，是為了配合高中階段（高一和高二年級）的基因工程創(chuàng)客社團課程而建立的。學生團體約為30～35人，年齡為14～16歲，具備一定的分子生物和基因工程的知識儲備。學生平時的校本生物課程以理論講解為主，操作過簡單的生物化學實驗，如顯微鏡操作、動植物解剖、化學試管反應等，缺少操作精細分子生物實驗的經(jīng)驗。設計的基因工程項目創(chuàng)客課程主要以項目的形式，幫助學生理解分子層面的實驗原理和增強他們的動手能力。課程分為4次課：①基因工程的簡介和概述，水果中DNA的粗提?。虎贒NA凝膠電泳的理論介紹，實驗步驟講解，上樣練習；③DNA凝膠電泳的實驗操作，分組實驗和討論，凝膠染色；④觀察凝膠結果，分析和討論，完成課程評估和反饋，結課。每次課時長90 min，一般安排在16：30后的社團課期間內(nèi)，分4周完成，由一位主講老師和一兩位助教共同參與。

在實施的過程中，第一次課以課程介紹和背景講解為主，用時約30 min。在簡單講解DNA提取的理論后，讓學生分組（兩三人一組）完成一次水果DNA的粗提?。蛇x用香蕉、草莓、獼猴桃等軟性水果），用時約40 min。最后粗提取的DNA溶解入蒸餾水中交由教師保存。第一次課的內(nèi)容適用于初中以上年級的學生，因此對于高中生來說容易入手。這次課的主要目標為熟悉學生，摸底學生的能力和態(tài)度，查看學生分組的配合成效等。經(jīng)過第一次課的磨合，學生一般會對課程產(chǎn)生較大的興趣。

第二次課首先回顧上次課的內(nèi)容，導入DNA凝膠電泳的理論介紹。這部分需要重點講解瓊脂糖凝膠的組成和電泳系統(tǒng)的原理，配合PPT和視頻完成，用時約40 min。主講教師講解后安排搶答小測驗，考察學生的理解程度。之后詳細介紹自制凝膠電泳的材料和設備，包括每個物品的使用方法，助教進行演示等，并與實驗室正規(guī)的操作進行對比，幫助學生分辨和區(qū)別。最后20 min的時間讓學生練習使用膠頭滴管點樣的操作。大多數(shù)學生在經(jīng)過兩三輪練習后基本達到精準操作的水平。

第三次課簡單回顧上次課的內(nèi)容后，學生開始分組完成制備凝膠、裝配電泳設備、樣品混合上樣及通電跑膠的所有程序。學生組內(nèi)的工作安排由每組自行決定，主講教師和助教循回指導，并現(xiàn)場回答問題，參與小組討論等，總用時約80 min。在各組完成跑膠后，助教協(xié)助配置染色液，將凝膠浸入染色液中保存。染色12 h后，助教用保鮮膜包裹好凝膠后冷藏保存。

第四次課上，首先帶領學生回顧DNA凝膠電泳的從理論到操作的全過程；再分組觀察凝膠結果，引導學生根據(jù)結果進行分析，用時約30 min。接著主講教師講授DNA凝膠電泳的拓展知識，如可應用于親子鑒定、刑偵偵破、轉(zhuǎn)基因技術等，用時約25 min。

課程的最后，每位學生需完成一張課程測試和評估表。測試部分的問題包括寫出凝膠電泳的原理，為什么電泳的方向是從負極到正極，怎樣根據(jù)凝膠結果分析DNA的分子量大小，DNA凝膠電泳的拓展應用等，這部分考察學生對整個項目課程的認知。評估的部分反映學生的主觀感受以及對于課程設置和課堂管理的認可度等，如表1所示，有助于往后的課程調(diào)整和完善。在項目課程實施過的3所高中，獲得的評估反饋經(jīng)過統(tǒng)計后的得分（±標準差）展示在表1中。從統(tǒng)計的結果看，這個項目課程的設計和組織較受學生歡迎，對于學生動手能力的提升和培養(yǎng)科學研究的熱情具有積極的意義。同時，學生也普遍認可這種使用低成本自制材料完成生物實驗的形式?？傮w來說，自制DNA凝膠電泳裝置，或其他類似的自制實驗器材，可以作為昂貴機器的替代品進入中學、社區(qū)或校外機構的創(chuàng)客課程中。

表1 基因工程項目課程評估表

3 討論和總結

在創(chuàng)客教育日益盛行的今天，本文介紹了一種安全、簡便、低成本的DNA凝膠電泳裝置，可用于高中生物實驗室、社區(qū)或校外培訓的創(chuàng)客或STEM課程中，并與高中生物課程中的細胞生物學、分子生物學、遺傳和進化學等內(nèi)容有直接關聯(lián)。凝膠電泳技術的核心關鍵是凝膠盒的建造和凝膠的制備，在許多實驗室課程中，這部分一般由教師準備，學生無法直接觀察。本文描述的這套裝置，除了用料簡單安全，學生也有機會通過動手搭建凝膠盒和制膠，了解設備的工作原理，對相關的流程和概念有了更深的理解，從而避免出現(xiàn)技術過度依賴而產(chǎn)生的“黑匣子”的錯誤觀念。此外，DNA凝膠電泳裝置的搭建中涉及的電荷泳動、物質(zhì)運動、電壓功率等知識，也與物理、科學、化學、工程等學科息息相關，真正做到了跨學科的體驗式學習[4]。

現(xiàn)如今生物工程技術已經(jīng)下沉到分子層面，依靠技術手段來觀察科學現(xiàn)象是一種合理的教學手段。DNA凝膠電泳是分子生物學中的核心技術，卻因受制于“高成本、高消耗”這些由于科學技術快速發(fā)展帶來的副作用而無法廣泛推行。筆者們設計的這套裝置可被納入普通高中生物課程中的遺傳學、基因工程、生物多樣性等課程中，為中學生提供近似于大學實驗室課程的實踐體驗。學生在動手完成實驗操作后，還可計算、分析和交流實驗結果，增強團隊協(xié)作和解決問題的能力。在已經(jīng)完成的高中課程的評估反饋中，可以看出學生對裝置的質(zhì)量、課程的組織和實施、學生的參與度及獲得的滿足感等方面，都有較高的評價，也證明了這類裝置在創(chuàng)客教育中具有重要的意義。這套簡單、低成本的DNA凝膠電泳裝置的推廣，有助于更多的老師和學生接觸到現(xiàn)今生命科學研究領域中至關重要的分子生物學中的核心技術，也為其他類似的低成本裝置的開發(fā)提供了借鑒和參考。