“低溫誘導(dǎo)植物細(xì)胞染色體數(shù)目的變化”可行性探究

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱為“2020年修訂版課標(biāo)”）中強調(diào)，生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在生物學(xué)課程學(xué)習(xí)過程中逐漸發(fā)展起來的，在解決真實情境中的實際問題時所表現(xiàn)出來的價值觀念、必備品格與關(guān)鍵能力，是學(xué)生知識、能力、情感態(tài)度與價值觀的綜合體現(xiàn)[1]。要落實生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)最好的方式就是實踐，高中生物學(xué)學(xué)生實驗就是進行實踐最方便易行的方式，因而，在高中生物學(xué)的教學(xué)中，實驗教學(xué)是非常重要的一項教學(xué)內(nèi)容。對相關(guān)學(xué)生實驗可行性的探究，是對生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)落地的一種探索，也是新教材、新高考、新課程（以下簡稱“三新”）的要求。

“低溫誘導(dǎo)植物細(xì)胞染色體數(shù)目的變化”是人教版必修2第5章第2節(jié)染色體變異的學(xué)生實驗，在多年的實際教學(xué)中，筆者學(xué)校從未開展過該實驗。2021年秋季甘肅省開始使用新教材，筆者發(fā)現(xiàn)該實驗在修訂教材中依然存在，且放置在了探究實踐類實驗中。那么，為什么舊教材實行期間該實驗一直未開展？新教材修訂后的實驗可以開展嗎？為了更好地落實“三新”教育，筆者就該實驗的可行性，結(jié)合新舊教材進行了探究。

在舊教材教學(xué)期間，筆者在實驗準(zhǔn)備中發(fā)現(xiàn)，該實驗存在實驗現(xiàn)象與教材所描述不同甚至相反的情況，因而導(dǎo)致在教學(xué)實際中無法向?qū)W生解釋的情況，還可能造成學(xué)生理解混亂的情況;此外實驗操作煩瑣，實驗時間長，而實驗操作步驟與根尖細(xì)胞有絲分裂實驗類同，因而，筆者學(xué)校采取了不開展該實驗的措施。據(jù)調(diào)查，周邊學(xué)校此實驗開出率并不高。在2019年版人教版必修2教材中，筆者發(fā)現(xiàn)新教材對該實驗進行了修訂，那么修訂后的該實驗?zāi)軌蝽樌_展嗎？能否達到預(yù)期的教學(xué)效果呢？為此，筆者進行了新教材此實驗開展的可行性研究。

一、新舊教材實驗要求的對比

（一）實驗原理的變化

該實驗的原理舊教材（普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書）中是這樣描述的：進行正常有絲分裂的植物分生組織細(xì)胞，在有絲分裂后期，染色體的著絲點分裂，子染色體在紡錘絲的作用下分別移向細(xì)胞兩極，最終被平均分配到兩個子細(xì)胞中。用低溫處理植物分生組織細(xì)胞，能夠抑制紡錘體的形成，以致影響染色體被拉向兩極，細(xì)胞也不能分裂成兩個子細(xì)胞，于是，植物細(xì)胞染色體組數(shù)目發(fā)生變化[2]。2019年版新教材刪去了有絲分裂后期現(xiàn)象的描述，直接從低溫作用原理說起，簡潔明了。

（二）實驗材料及試劑的變化

（三）方法步驟的變化

實驗步驟的變化主要出現(xiàn)在第一步，與舊教材相比，新教材首先將實驗材料在冰箱冷藏室（4℃）放置了一周，之后再進行生根處理，待根長至1cm左右，進行低溫誘導(dǎo)，誘導(dǎo)培養(yǎng)時間為48～72h。

二、實驗可行性探究及現(xiàn)象分析

（一）舊教材實驗條件可行性驗證

筆者于教學(xué)過程進行中，開展了兩次該學(xué)生實驗。第一次實驗在學(xué)生實驗室進行，教研組教師在實驗室培養(yǎng)洋蔥根尖，待長到1cm以后，將其放置到4℃的冰箱，誘導(dǎo)培養(yǎng)36h。之后按照教材實驗操作程序進行觀察，未見明顯實驗現(xiàn)象。教研組內(nèi)教師分析原因，發(fā)現(xiàn)應(yīng)該是低溫處理洋蔥根尖時未關(guān)注到洋蔥根尖旺盛有絲分裂的時間為上午十點到下午兩點，進而導(dǎo)致低溫并未起到誘導(dǎo)作用，從而導(dǎo)致實驗失敗。

第二次實驗選擇在家庭冰箱進行低溫誘導(dǎo)，材料處理36h后，在分裂旺盛的時間段內(nèi)進行固定制片觀察。此次實驗看到了細(xì)胞較為規(guī)則的分裂相，但是誘導(dǎo)加倍的結(jié)果無法明確區(qū)分，因為顯微鏡下染色體的計數(shù)并不清楚。筆者采用學(xué)校為教師配備的Motic顯微鏡進行觀察，仍然存在此類問題。學(xué)生使用的普通光學(xué)顯微鏡更是無法分清不同的染色體，從而無法實現(xiàn)計數(shù)和結(jié)果分析。

基于以上實驗，筆者進行分析，發(fā)現(xiàn)舊教材該學(xué)生實驗在實際教學(xué)過程中開出率低的原因有以下幾個方面。

1.36h處理時間，學(xué)生實驗不好操作。面對大量的教學(xué)班，實驗材料的處理量很大，同時要滿足10：00-14：00旺盛分裂期操作更難，加上不同教學(xué)班學(xué)生上課時間有限，基本無法保證正常教學(xué)。

2.學(xué)生實驗條件不夠，顯微鏡的放大倍數(shù)不夠，染色體數(shù)目很難數(shù)清。

本校為省級示范學(xué)校，最好的顯微鏡下也數(shù)不清染色體條數(shù)，更無法清楚比較常溫實驗和低溫處理兩次實驗的差異。

3.此實驗主要操作雷同觀察根尖細(xì)胞有絲分裂實驗，在具體實驗操作中意義不大，且實驗效果不好，因而該實驗開出率很低。

（二）新教材變化的目的及有效性分析

新教材刪去了大蔥這一實驗材料，并以大蒜為主要實驗材料，這是因為大蒜較洋蔥生活中更常見，易購買，新生根尖培養(yǎng)較容易，根尖細(xì)胞分裂旺盛，是該實驗的最佳材料[3]。生根實驗開始前將大蒜在冰箱冷藏室放置一周，這在舊教材中沒有。新教材增加這一操作步驟的原因是大蒜正常情況處于休眠期，低溫處理的目的是為了打破休眠期，讓大蒜更好地生根。

此外，待根長出1cm左右放進冰箱冷藏室進行低溫誘導(dǎo)的時長改為48～72h，這與筆者之前根據(jù)舊教材完成的實驗相對比，延長了誘導(dǎo)時間，保證在后期的觀察中能夠看到發(fā)生加倍的染色體。新教材這樣修改的原因在于，大蒜正常的細(xì)胞周期是24h，而低溫誘導(dǎo)干擾前期紡錘體的形成，使細(xì)胞周期停留在前期，只有細(xì)胞分裂進入第二個周期的中期時才能看到加倍的染色體，也就是說至少要36h。但要注意的是低溫干擾紡錘體形成的同時，也抑制了酶活性，細(xì)胞周期必然延長，因而，低溫誘導(dǎo)時長改為48～72h更為合理、有效[3]。

新教材實驗中染色體染色劑重新使用龍膽紫，與該染色劑使用方便、簡單，染色效果較好有關(guān)。舊教材的改良苯酚品紅溶液雖然染色效果好，但是配置過程復(fù)雜，對于高中生物學(xué)的學(xué)生實驗來講，增大了實驗開設(shè)的難度，因而改為龍膽紫，實驗的可行性更強。

三、實驗可行性及必要性分析

對比新舊教材關(guān)于該實驗的要求變化，結(jié)合筆者實際實驗操作的結(jié)果，另外參考相關(guān)資料，筆者認(rèn)為，“低溫誘導(dǎo)植物細(xì)胞染色體數(shù)目的變化”實驗在實際教學(xué)中存在操作難度大、成功率低、可行性較差的現(xiàn)狀。雖然新教材針對舊教材之前存在的低溫誘導(dǎo)的時長不準(zhǔn)確和解除休眠、利于生根等方面做了相關(guān)的改進。但是開設(shè)依然存在困難，主要原因如下。

（一）實驗要求的材料處理的時間較長

為了解除大蒜休眠，先在冰箱冷藏室進行一周的低溫處理，然后室溫（25℃）培養(yǎng)不定根，大約三到四天，培養(yǎng)不定根至1cm左右時，放置冰箱冷藏室誘導(dǎo)培養(yǎng)48～72h。大多數(shù)學(xué)校無專職實驗員，教師基于教學(xué)實際情況，完成此項任務(wù)，存在時間上的困難。

（二）教學(xué)班多，學(xué)生多，實驗材料不易準(zhǔn)備

筆者所在學(xué)校為一所省級示范性高中，一般一個年級的教學(xué)班級在十個左右，每班50人左右，一次實驗組織，需要的實驗材料較多，需要充足的時間來準(zhǔn)備，否則就會影響實驗效果。

（三）卡諾氏液的使用

在新舊兩個版本的教材中都提到了卡諾氏液的使用，它的作用是固定細(xì)胞分裂相?？ㄖZ氏液是無水酒精：冰醋酸=3∶1配制的，主要作用是迅速殺死細(xì)胞，從而達到固定細(xì)胞分裂相的目的。我們知道解離液也有殺死細(xì)胞的作用，所以高中進行實驗時一般會簡化實驗步驟，而不使用卡諾氏液。但是卡諾氏液滲透力強能迅速穿透細(xì)胞將其固定，并維持染色體結(jié)構(gòu)的完整性，還能夠增強染色體的嗜堿性，達到優(yōu)良的染色效果。所以要想實驗達到良好的效果，最好先用卡諾氏液固定實驗材料再進行制片，以達到良好的觀察效果[4]。這就增加了實驗操作的復(fù)雜程度，提高了實驗開設(shè)要求。

（四）從培養(yǎng)學(xué)生實驗探究能力角度來看

該實驗與根尖細(xì)胞有絲分裂實驗操作步驟相似，主要的區(qū)別在于低溫誘導(dǎo)處理，包括解除休眠和誘導(dǎo)染色體數(shù)目加倍，但是根據(jù)教學(xué)實際，這兩項實驗學(xué)生基本不能操作，且操作的實際意義不大。此外，根尖細(xì)胞有絲分裂實驗的操作足夠讓學(xué)生熟悉該類型實驗的操作過程以及顯微鏡下染色體的觀察。因而筆者認(rèn)為，該實驗在培養(yǎng)學(xué)生實驗探究能力方面的意義不大。

綜上所述，低溫誘導(dǎo)植物細(xì)胞染色體數(shù)目加倍的實驗，在新教材修訂以后，實際教學(xué)開設(shè)的可行性并未提高。但是，若要加強“三新教育”的實效，落實生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，在實驗條件允許的學(xué)校還是建議開設(shè)，可以由教師進行前期的材料準(zhǔn)備，進一步摸索實驗條件，進而保證實驗的效果。若是實驗條件不允許全員開設(shè)，可以組織部分學(xué)生進行興趣小組探究，錄制為微課視頻，教學(xué)時進行展示、分享，或也能達到落實學(xué)科核心素養(yǎng)、培養(yǎng)學(xué)生實驗探究能力的目的。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）[M].北京：人民教育出版社，2018：5.

[2]課程教材研究所.生物課程教材研究開發(fā)中心生物（必修1）[M].北京：人民教育出版社，2007.

[3]張興蓮.潘寧.“低溫誘導(dǎo)植物染色體數(shù)目變化”的實驗探究[J].中學(xué)生物教學(xué)，2011（7）：45.

[4]張韶杰，周俊芳.教材中染色體觀察類實驗對比分析[J].中學(xué)生物教學(xué)，2019（11）：48.

作者簡介：王靜（1982—），女，漢族，甘肅蘭州人，本科，蘭州市第五十九中學(xué)生物教師，中小學(xué)一級教師，研究方向：高中生物學(xué)教學(xué)研究。