河北省秦皇岛市山海关第一中学(066200) 朱 昊

安徽省芜湖市第十二中学(241002) 吴志强

STEAM课堂，作为STEAM 教育理念实施、培养科技素养和人文素养兼备的应用型创新人才的主阵地，一直是国内外STEAM 教育研究者的研究重点。而一个有效的课堂教学模式，不仅能够支持学校形成教师实践的共同话语、支持教师的反思性学习，还能够促进教师思考其教学如何才能支持学生达成最佳学习效果。中学生物课程标准提出用凝胶电泳的方法对DNA进行鉴定，但电泳仪设备价格昂贵，大部分学校还未普及。因此，有必要引导学生选用身边的简易材料自制电泳仪进行实验。

1 实验原理及目的

实验原理：生物大分子在电场力的作用下运动，通过自制电泳仪使生物大分子在滤纸上运动，用染料代替生物大分子，观察其在滤纸上的运动轨迹及终点，即可模拟出生物大分子最终的运动位置。

实验目的：通过观察染料是否移动来验证自制电泳仪的可行性。

2 实验过程及结论

2.1 准备实验材料

准备2个塑料盒，1个塑料板，1 mol/L甲酸溶液处理过的中性滤纸，染料(甲基蓝、亚甲基蓝、甲基紫、溴酚蓝)，NaHCO3溶液(代替真正的缓冲液)。

2.2 实验操作步骤

把小盒放在桌面上，用塑料板相连，将中性滤纸放在塑料板上，使两端都可与盒底接触，在小盒内倒入NaHCO3溶液并插入铜线，在靠近电源“+”极的溶液处分别滴4种染料，闭合开关。实验开始后，用万用表测出滤纸电压，通过转动调光开关，使滤纸上的电压达到80 V，电泳30 min。

2.3 实验现象

4种染料均有不同程度的移动，其中甲基蓝的移动尤为明显，但都有严重的拖尾现象，并且与阳极(在电化学中给电解质溶液通电，与直流电源正极相连的导体棒为阳极，反之为阴极)相连的铜棒上出现了绿色物质(铜绿)，而阴极产生了气泡(氢气)。根据笔者的推断与分析，阴极与阳极在通电的情况下均发生了化学反应。阴极反应方程式应为：4H++4e-=2H2↑;阳极反应方程式应为：2Cu++2OH-+CO32--4e-=Cu2(OH)2CO3。

2.4 实验结论

通过对染料的电泳现象进行分析，染料在滤纸上发生明显的移动，说明本次实验较为成功，自制电泳仪的可行性较大。

3 模型的选择与制作

由于电泳时需要80～110 V的直流电压,所以可将家用220 V交流电压通过变压整流得到，学生通过参考普通高中课程标准物理实验教科书的课提研究得知：一个小变压器(220 V的变压器)和一只整流二级管(如1N4007)可连接成最简单的半波整流电路，如图1所示。

图1 半波整流电路

改进一：查阅相关资料，发现整流出的直流电不仅有半波直流电，还有脉动直流电等。所以学生对电泳仪需要什么样的直流电产生了疑问，于是查阅相关数据，最终确定了电泳仪应为脉动直流电。对于如何得到脉动直流电，查阅资料后确定要用4根二极管接成如图2所示的桥式整流电路。

图2 桥式整流电路

出于安全考虑，将4根二极管焊接成如图2所示的桥式整流电路，会使二极管两端的导体暴露在空气中，通电时如不慎触碰，会对人体造成伤害，如果缠上绝缘胶带，则会使其体积变大。所以，笔者经过思考选用了如图3所示的D25SB80整流电桥，即可减小装置体积，又提高了装置的安全系数，并且造价低廉。

图3 整流电桥

改进二：本实验中需要用到变压器起到降压的作用。但是在实际操作中，由于水的电阻较大(用万用表测得水的电阻大约为10 MΩ)，所以在实际操作中负载到电泳部位的电压到不了理论上变压的值。除此之外，变压器还有以下诸多缺点：①质量比较大；②价格偏贵；③不易得到想要的电压；④电压范围不可调。综上所述，变压器在实际操作中不可用。通过查阅有关改变电压的装置并筛选后，确定了价格低廉、体积较小、可调节电压范围的调光开关来替代变压器，具有较高的实用性。

4 模型的组装与预期

通过以上分析，选用调光开关与整流电桥作为电压的电学原件，为确保实验顺利进行，于是一次性购买了2个整流电桥与1个调光开关。学生从家中带来1个带插头的导线(含2根导线)、3根不带插头的导线、2根硬导线(导线里的铜作电极)，连成如图4所示的电路。

图4 实验电路

通过电焊将插头上的2根导线及不带插头的3根导线焊接成如图4所示的形状，并在焊接处缠上绝缘胶带，由于调光开关自带外盒，而整流电桥的体积比较小，并且可以装在调光开关与外盒的空隙中，这样即可把整流电桥与调光开关合为一体，从而进一步缩小体积。将接出的2根线与硬导线相连并进行焊接，将接头用绝缘胶带粘好，并用钳子在导线的一半处将绝缘皮去掉，露出铜棒，用示波器检测波形，发现与脉动直流电的波形基本吻合，说明得到的确实为脉动直流电，用万用表测量其两端电压，其可调范围为120～220 V。在实际操作过程中，铜线要给蒸馏水通电，测得水的电压可得其电压可调范围为80～180 V。通过实验的结论可推断，本实验滤纸上的电压能到达预期值。

5 基于STEAM教育的实验改进

由于滤纸上存在严重的拖尾现象，教师引导学生尝试把滤纸换为凝胶，从而按照中学生物学提出的凝胶电泳进行真正意义上的电泳。在进行实验前，选一个废弃的塑料小盒，用来装凝胶，在废弃的载玻片固定盒中拆取类似梳子的装置，并与塑料盒组装到一起(梳子插在塑料盒边缘但不插到底)，形成了制胶装置。用电子秤称取1.5 g琼脂，定容到100 mL，由于琼脂微溶于水，所以采取加热法使琼脂溶于水，配成100 mL的琼脂溶液。在未冷却的情况下沿塑料盒一侧倒入，待冷却后形成凝胶并拔出梳子，将之前配好的染料分别与丙三醇混合，使得染料滴入梳子孔里而不上浮。待凝胶冷却成功，将染料滴入梳子孔中，取大玻璃皿，加入NaHCO3溶液，将凝胶及塑料盒一同放入大玻璃皿中(溶液应没过凝胶)。然后将导线放入溶液中通电，并用万用表测出琼胶电压，通过转动调光开关，使滤纸上的电压达到80 V，电泳30 min，结果出现的条带无明显拖尾现象。

为了更加接近真正的凝胶电泳，可用真正的缓冲液进行实验。在上述实验的基础上把NaHCO3溶液换作缓冲液，用80 V的电压电泳20 min，出现了清晰的条带，达到实验效果，完成了用自制电泳仪进行真正的凝胶电泳实验。值得注意的是，用缓冲液进行实验时，学生发现阴极有气泡生成，而阳极的铜棒被溶解。为了解决这些问题，学生想到用惰性电极(碳棒)绑在铜棒上，使碳作为电极，防止了电极的溶解，实验结果也令人满意。

6 反思

在整合STEAM 课程方面使用最多的有两类，一类是基于项目的STEAM 课程，一类是基于工程的STEAM 课程。仔细研究可以发现，这两类课程的共同之处在于它们都体现了以工程为中心，这就决定了以工程为中心进行STEAM 课程开发是行之有效的方法。本次实验以生物学—模拟核酸电泳为实验的最终目的，物理学—自制电泳仪为实验的关键要素，电化学—分析实验现象为解决问题的抓手，实现了多种学科的交叉与融合，在同一主题下，从不同维度，将多种思维方式应用的实际操作中，大大提高了解决问题的效率。随着国内学者对STEAM 教育的重视，人们开始关注先进的教育理念如何真正落实、实施。因此，STEAM 课堂教学研究将成为人们关注的热点。